CN109010918A - 一种复合支架及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合支架及其制备方法，所述复合支架是由层状亚微米纤维膜和胶原水凝胶组成；所述制备方法包括以下步骤：(1)通过近场静电纺丝制备得到正交定向的层状亚微米纤维膜；(2)将胶原溶液添加到步骤(1)制备得到的层状亚微米纤维膜中，成胶，得到复合支架。本发明制备的复合支架具有很好的力学性能、生物相容性和仿生性能，还可通过改变纤维的拓扑结构模拟多种不同天然组织的结构与性能。

Description

一种复合支架及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物医用材料领域，涉及一种复合支架及其制备方法，尤其涉及一种纤维水凝胶复合支架及其制备方法。
背景技术
创伤、炎症和自然退化等造成组织缺损后，人的自身修复能力有限。随着社会人口老龄化的加剧，相关问题越来越突出。组织工程的兴起为组织修复的研究提供了新的方向，组织修复再生是以干细胞、生长因子和支架为基础，其中支架是一种三维基质，可模拟人体组织的微环境，为细胞的生长、迁移、增殖和分化提供支撑。
胶原蛋白是组织最主要的结构蛋白，是制作组织支架的最佳天然材料。但是，传统制作方法构建的胶原蛋白水凝胶力学强度差，与正常组织结构相比仍有较大的差距。近场静电纺丝是由静电纺丝发展而来，但是相比于静电纺丝，有很多优点。静电纺丝对制备的纤维的可控度较差，而且纤维过于致密，这就导致用于组织工程支架时接种在其表面的细胞很难移动到支架的内部，无法实现三维的培养。而近场电纺技术将传统的静电纺丝技术中针头和收集装置之间的距离从厘米级缩短为毫米级，使得溶液或熔体的射流更加稳定，从而可以精确的控制射流在收集装置上的沉积，从而实现任意轨迹纤维的制备。
CN108175874A公开了一种基于静电纺丝纱线和水凝胶的复合支架材料及其制备方法；该复合支架材料的制备方法，包括如下步骤：配制I型胶原蛋白溶液；提供静电纺丝纱线，将所述静电纺丝纱线置于所述I型胶原蛋白溶液中，然后待所述I型胶原溶液成凝胶后，得复合支架材料；该发明制备的复合支架有较好的力学性能和生物学性能，但是接种在其表面的细胞很难移动到支架内部，无法实现三维培养。
CN106693050A公开了一种基于胶原及胶原纤维的复合支架材料的制备方法，其特点是将胶原与其聚集态结构体胶原纤维有机混合，并使用功能性氧化多糖与氧化石墨烯对胶原胶原纤维复合溶液进行复合协同改性，接着，将胶原胶原纤维复合溶液与一定量的壳聚糖、聚乙烯醇共混，然后经过3D打印、微波干燥成膜、电喷涂、灭菌等工艺，最后获得基于胶原及胶原纤维的复合支架材料的制备方法；该发明制备的复合支架具有较好的生物相容性，但是未提及其力学性能和仿生性能。
因此，开发一种生物相容性好、力学性能高和仿生性能好的复合支架仍是本领域研究的热点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合支架及其制备方法，尤其涉及一种组织移植复合支架及其制备方法，所述复合支架具有很好的力学性能、生物相容性，还可通过改变纤维的拓扑结构模拟多种不同天然组织的结构与性能，具备较好的仿生性能。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种复合支架，所述复合支架是由层状亚微米纤维膜和胶原水凝胶组成。
本发明制备的复合支架是由层状亚微米纤维膜和胶原水凝胶组成，该复合支架具有较好的力学性能、生物相容性和仿生性能，可以模拟天然组织的结构与性能；其中选用的胶原水凝胶是组织基质层最主要的结构蛋白，是制作组织支架的最佳天然材料；选用的层状亚微米纤维膜具备较好的生物相容性，且可增强胶原水凝胶的力学强度，还可通过纤维特定形状的拓扑结构，模拟天然组织的细胞外基质结构，诱导相关细胞特异性生长。
在本发明中，所述层状亚微米纤维膜的亚微米纤维呈正交定向排列。
在本发明中，所述层状亚微米纤维膜的纤维直径为0.2-50μm，例如0.2μm、0.5μm、1μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm等。
在本发明中，所述层状亚微米纤维膜相邻两层纤维膜的间距为20-1000μm，例如20μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm、800μm、850μm、900μm、950μm、1000μm等。
本发明采用的正交定向亚微米纤维膜可模拟正常组织定向板层结构，用于诱导细胞的定向生长，保持较高的细胞活力，且近场电纺纤维膜的板层结构可以通过改变纤维的间距而变，可根据临床需求个性化构建进行个性化治疗。
在本发明中，所述层状亚微米纤维膜每层之间的纤维堆积精度偏差低于5μm，例如1μm、2μm、3μm、4μm、5μm等。
在本发明中，所述层状亚微米纤维膜每层之间的纤维堆积精度偏差通过扫描电镜来测量。
在本发明中，所述层状亚微米纤维膜的制备材料包括聚己内酯、聚环氧乙烷、聚乳酸羟基乙酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯或明胶中的任意一种或至少两种的组合。
本发明的目的之二在于提供了一种复合支架的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)通过近场静电纺丝制备得到正交定向的层状亚微米纤维膜；
(2)将胶原溶液添加到步骤(1)得到的正交定向的层状亚微米纤维膜中，成胶，得到复合支架。
在本发明中，所述近场静电纺丝包括熔融近场静电纺丝和溶液近场静电纺丝。
在本发明中，所述熔融近场静电纺丝工作参数为：熔体挤出时气压为4-20kPa(例如4kPa、5kPa、8kPa、10kPa、12kPa、15kPa、18kPa、20kPa等)，电压为2-4kV(例如2kV、2.3kV、2.5kV、2.8kV、3kV、3.2kV、3.5kV、3.8kV、4kV等)，注射器针尖与收集装置之间的距离为2-10mm(例如2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm等)，收集平台的运动速度为10-100mm/s(例如10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s、35mm/s、40mm/s、45mm/s、50mm/s、55mm/s、60mm/s、65mm/s、70mm/s、75mm/s、80mm/s、85mm/s、90mm/s、95mm/s、100mm/s等)，加速度为100-1000mm/s2(例如100mm/s2、200mm/s2、300mm/s2、400mm/s2、500mm/s2、600mm/s2、700mm/s2、800mm/s2、900mm/s2、1000mm/s2等)。
在本发明中，所述溶液近场静电纺丝工作参数为：溶液流速为10-100μL/h(例如10μL/h、20μL/h、30μL/h、40μL/h、50μL/h、60μL/h、70μL/h、80μL/h、90μL/h、100μL/h等)，电压为2-4kV(例如2kV、2.3kV、2.5kV、2.8kV、3kV、3.2kV、3.5kV、3.8kV、4kV等)，注射器针尖与收集装置之间的距离为2-10mm(例如2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm等)，收集平台的运动速度为10-100mm/s(例如10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s、35mm/s、40mm/s、45mm/s、50mm/s、55mm/s、60mm/s、65mm/s、70mm/s、75mm/s、80mm/s、85mm/s、90mm/s、95mm/s、100mm/s等)，加速度为100-1000mm/s2(例如100mm/s2、200mm/s2、300mm/s2、400mm/s2、500mm/s2、600mm/s2、700mm/s2、800mm/s2、900mm/s2、1000mm/s2等)。
在本发明中，步骤(2)所述胶原溶液是通过无菌I型胶原溶液和10X MEM培养液混合得到。
在本发明中，所述无菌I型胶原溶液的浓度为2.5mg/mL。
在本发明中，所述无菌I型胶原溶液和10X MEM培养液混合是在冰上进行。
在本发明中，将步骤(2)所述胶原溶液的pH调至中性。
在本发明中，步骤(3)所述成胶的温度为25-37℃，例如25℃、28℃、30℃、32℃、35℃、37℃等。
在本发明中，步骤(3)所述成胶的时间为20-40min，例如20min、23min、25min、28min、30min、32min、35min、38min、40min等。
作为优选的技术方案，复合支架的制备方法包括以下步骤：
(1)通过熔融近场电纺技术或溶液近场电纺技术制备得到正交定向的亚微米纤维膜；
(2)将浓度为2.5mg/mL无菌I型胶原溶液和10X MEM培养液在冰上混合得到混合液，并将混合液的pH调至中性，得到胶原溶液，将胶原溶液添加到步骤(1)制备得到的正交定向的层状亚微米纤维膜中，25-37℃成胶20-40min，制备得到复合支架。
本发明的目的之三在于提供一种组织移植复合支架，所述复合支架包括组织细胞和权利要求1-5任一项所述的复合支架。
本发明制备的组织移植复合支架，将生物活性细胞接种到上述制备的纤维水凝胶复合支架中，可改变纤维膜的组成成分，影响纤维膜的降解速度，满足临床不同降解速度的需求。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明制备的复合支架是由层状亚微米纤维膜和胶原水凝胶组成，具有较好的生物相容性、机械性能和仿生性能，可根据临床需求个性化构建进行个性化治疗，并且通过接种不同的生物活性细胞，可根据临床需求控制不同的降解速度。
附图说明
图1为本发明实施例1中熔融近场静电纺丝的结构示意图，其中：1为高压电源；2为气压；3为加热料筒；4为亚微米纤维；5为收集平台；
图2为本发明实施例1中复合支架制备过程示意图，其中：6为模具；7为胶原溶液；8为纤维水凝胶复合支架；
图3为本发明实施例1中亚微米纤维的SEM图，标尺为50μm；
图4为本发明实施例6中将角膜基质干细胞接种到实施例1制备得到的层状正交定向亚微米纤维膜中的显微镜图，标尺为50μm；
图5为本发明实施例6中将上皮细胞接种到复合支架中的显微镜图，标尺为200μm。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
在本实施例中，提供一种层状亚微米纤维膜，其中层状亚微米纤维膜的制备原料为聚己内酯。
层状亚微米纤维膜的制备方法步骤为：称取1g聚己内酯放入到温度为115℃的料筒中，加热10min，通过熔融近场静电纺丝制备得到正交定向的层状亚微米纤维膜。
图1是本实施例中熔融近场静电纺丝的结构示意图，其中，在高压电源1的加速电压作用下，制备原料聚己内酯在加热料筒3的高温作用下变为熔融状态，在气压2的挤出压力下注入到亚微米纤维4中，最后在收集平台5收集制备得到的正交定向的层状亚微米纤维膜。
其中熔融近场静电纺丝工作参数为：熔体挤出气压为4kPa，加速电压为3kV，不锈钢针头与收集板之间的距离为3mm，收集板的运动速度为30mm/s，加速度为300mm/s2。本实施例制备得到的正交定向的层状亚微米纤维膜的纤维平均直径5μm，层状亚微米纤维膜每层之间的纤维堆积精度偏差低于5μm，纤维之间的间距为100μm。
图3为本实施例亚微米纤维的SEM图，标尺为50μm，该图表明亚微米纤维呈正交定向排列。
实施例2
在本实施例中，提供一种层状亚微米纤维膜，其中层状亚微米纤维膜的制备原料为聚环氧乙烷。
层状亚微米纤维膜的制备方法步骤为：称取1g聚环氧乙烷放入到温度为115℃的料筒中，加热10min，通过熔融近场静电纺丝制备得到正交定向的层状亚微米纤维膜；
其中熔融近场静电纺丝工作参数为：熔体挤出气压为10kPa，加速电压为4kV，不锈钢针头与收集板之间的距离为10mm，收集板的运动速度为100mm/s，加速度为1000mm/s2。
本实施例制备得到的正交定向的层状亚微米纤维膜的纤维平均直径为1μm，层状亚微米纤维膜每层之间的纤维堆积精度偏差低于5μm，纤维之间的间距为500μm。
实施例3
在本实施例中，提供一种层状亚微米纤维膜，其中层状亚微米纤维膜的制备原料为聚乙烯吡咯烷酮。
层状亚微米纤维膜的制备方法步骤为：称取1g聚乙烯吡咯烷酮放入到温度为115℃的料筒中，加热10min，通过熔融近场静电纺丝制备得到正交定向的层状亚微米纤维膜；
其中熔融近场静电纺丝工作参数为：熔体挤出气压为15kPa，加速电压为3kV，不锈钢针头与收集板之间的距离为5mm，收集板的运动速度为50mm/s，加速度为500mm/s2。
本实施例制备得到的正交定向的层状亚微米纤维膜的纤维平均直径25μm，层状亚微米纤维膜每层之间的纤维堆积精度偏差低于5μm，纤维之间的间距为800μm。
实施例4
在本实施例中，提供一种层状亚微米纤维膜，其中层状亚微米纤维膜的制备原料为聚苯乙烯。
层状亚微米纤维膜的制备方法步骤为：称取1g聚苯乙烯放入到温度为115℃的料筒中，加热10min，通过熔融近场静电纺丝制备得到正交定向的层状亚微米纤维膜；
其中熔融近场静电纺丝工作参数为：熔体挤出气压为20kPa，加速电压为2kV，不锈钢针头与收集板之间的距离为2mm，收集板的运动速度为10mm/s，加速度为100mm/s2。
本实施例制备得到的正交定向的层状亚微米纤维膜的纤维平均直径50μm，层状亚微米纤维膜每层之间的纤维堆积精度偏差低于5μm，纤维之间的间距为1000μm。
实施例5
与实施例1的区别仅在于制备方法为溶液近场静电纺丝，所述溶液近场静电纺丝工作参数为：溶液流速为50μL/h，加速电压为3kV，不锈钢针头与收集板之间的距离为3mm，收集板的运动速度为30mm/s，加速度为300mm/s2，其余组分与组分配比以及制备方法均与实施例1相同。
本实施例制备得到的正交定向的层状亚微米纤维膜的纤维平均直径10μm，层状亚微米纤维膜每层之间的纤维堆积精度偏差低于5μm，相邻两层纤维膜的间距为200μm。
实施例6
在本实施例中，提供一种复合支架，所述复合支架是由实施例1-5制备的层状亚微米纤维膜和胶原水凝胶组成。
复合支架的制备方法步骤为：
(1)在实施例1-5制备得到的层状亚微米纤维膜上分别接种角膜基质干细胞，细胞接种浓度为1*104个/cm2，并在基质细胞分化培养基培养24h，得到含有角膜基质干细胞的层状正交定向亚微米纤维膜；
(2)将浓度为2.5mg/mL无菌I型胶原溶液和10X MEM培养液在冰上混合得到混合液，并将混合液的pH调至中性，得到胶原溶液；
(3)将步骤(2)得到的胶原溶液，灌注到步骤(1)制备得到的含有角膜基质干细胞的层状正交定向亚微米纤维膜中，37℃成胶30min，制备得到复合支架；
(4)将步骤(3)制备得到的复合支架表面接种上皮细胞，将复合压缩支架转入Trans-well细胞培养板上，在角膜基质细胞分化培养基中连续培养1周(小分子营养物质可自由进出胶原水凝胶、PCL纤维支架，以及包埋在支架中的细胞)，收集备用。
图2是本实施例复合支架制备过程示意图，其中，将胶原溶液7灌注到模具6中的层状正交定向亚微米纤维膜中，成膜，制备得到纤维水凝胶复合支架。
图4为本实施例中将角膜基质干细胞接种到实施例1制备得到的层状正交定向亚微米纤维膜中的显微镜图，标尺为50μm，该图表明角膜基质干细胞可在层状正交定向亚微米纤维膜中正常生长。
图5为本实施例中将上皮细胞接种到复合支架中的显微镜图，标尺为200μm，该图表明上皮细胞可在复合支架中正常生长。
实施例7
在本实施例中，提供一种复合支架，所述复合支架是由实施例1-5制备的层状亚微米纤维膜和胶原水凝胶组成。
复合支架的制备方法步骤为：
(1)在实施例1-5制备得到的层状亚微米纤维膜上接种分别软骨细胞，细胞接种浓度为1*105个/cm2，并在基质细胞分化培养基培养24h，得到含有软骨细胞的层状正交定向亚微米纤维膜；
(2)将浓度为2.5mg/mL无菌I型胶原溶液和10X MEM培养液在冰上混合得到混合液，并将混合液的pH调至中性，得到胶原溶液；
(3)将步骤(2)得到的胶原溶液，灌注到步骤(1)制备得到的含有软骨细胞的层状正交定向亚微米纤维膜中，37℃成胶30min，制备得到复合支架；
(4)将步骤(3)制备得到的复合支架放入软骨细胞培养基中连续培养1周(小分子营养物质可自由进出胶原水凝胶、PCL纤维支架，以及包埋在支架中的细胞)，收集备用。
本实施例中复合支架具有较好的生物性能，可支持软骨细胞正常生长。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种复合支架，其特征在于，所述复合支架是由层状亚微米纤维膜和胶原水凝胶组成。
2.根据权利要求1所述的复合支架，其特征在于，所述层状亚微米纤维膜的亚微米纤维呈正交定向排列。
3.根据权利要求1-2所述的复合支架，其特征在于，所述层状亚微米纤维膜的纤维直径为0.2-50μm；
优选地，所述层状亚微米纤维膜的相邻两层纤维膜的间距为20-1000μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的复合支架，其特征在于，所述层状亚微米纤维膜每层之间的纤维堆积精度偏差低于5μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的复合支架，其特征在于，所述层状亚微米纤维膜的制备材料包括聚己内酯、聚环氧乙烷、聚乳酸羟基乙酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯或明胶中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求1-5任一项所述的复合支架的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)通过近场静电纺丝制备得到正交定向的层状亚微米纤维膜；
(2)将胶原溶液添加到步骤(1)得到的正交定向的层状亚微米纤维膜中，成胶，得到复合支架。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述近场静电纺丝包括熔融近场静电纺丝和溶液近场静电纺丝；
优选地，所述熔融近场静电纺丝工作参数为：熔体挤出时气压为4-20kPa，电压为2-4kV，注射器针尖与收集装置之间的距离为2-10mm，收集平台的运动速度为10-100mm/s，加速度为100-1000mm/s2；
优选地，所述溶液近场静电纺丝工作参数为：溶液流速为10-100μL/h，电压为2-4kV，注射器针尖与收集装置之间的距离为2-10mm，收集平台的运动速度为10-100mm/s，加速度为100-1000mm/s2。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述胶原溶液是通过无菌I型胶原溶液和10X MEM培养液混合得到；
优选地，所述无菌I型胶原溶液的浓度为2.5mg/mL；
优选地，所述无菌I型胶原溶液和10X MEM培养液混合是在冰上进行；
优选地，将步骤(2)所述胶原溶液的pH调至中性；
优选地，步骤(3)所述成胶的温度为25-37℃；
优选地，步骤(3)所述成胶的时间为20-40min。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)通过熔融近场电纺技术或溶液近场电纺技术制备得到正交定向的层状亚微米纤维膜；
(2)将浓度为2.5mg/mL无菌I型胶原溶液和10X MEM培养液在冰上混合得到混合液，并将混合液的pH调至中性，得到胶原溶液，将胶原溶液添加到步骤(1)制备得到的正交定向的层状亚微米纤维膜中，25-37℃成胶20-40min，制备得到复合支架。
10.一种组织移植复合支架，其特征在于，所述复合支架包括组织细胞和权利要求1-5任一项所述的复合支架。
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