CN111359013B - 连续互补双梯度纳米纤维仿生支架、其制备方法及应用 - Google Patents

连续互补双梯度纳米纤维仿生支架、其制备方法及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111359013B
CN111359013B CN201811600748.XA CN201811600748A CN111359013B CN 111359013 B CN111359013 B CN 111359013B CN 201811600748 A CN201811600748 A CN 201811600748A CN 111359013 B CN111359013 B CN 111359013B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gradient
fiber
scaffold
complementary
double
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811600748.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111359013A (zh
Inventor
戴建武
庄燕
李晓然
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS filed Critical Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority to CN201811600748.XA priority Critical patent/CN111359013B/zh
Publication of CN111359013A publication Critical patent/CN111359013A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111359013B publication Critical patent/CN111359013B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/22—Polypeptides or derivatives thereof, e.g. degradation products
    • A61L27/24—Collagen
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/18—Macromolecular materials obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/36—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix
    • A61L27/38—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix containing added animal cells
    • A61L27/3804—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix containing added animal cells characterised by specific cells or progenitors thereof, e.g. fibroblasts, connective tissue cells, kidney cells
    • A61L27/3817—Cartilage-forming cells, e.g. pre-chondrocytes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/36—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix
    • A61L27/38—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix containing added animal cells
    • A61L27/3804—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix containing added animal cells characterised by specific cells or progenitors thereof, e.g. fibroblasts, connective tissue cells, kidney cells
    • A61L27/3821—Bone-forming cells, e.g. osteoblasts, osteocytes, osteoprogenitor cells
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/36—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix
    • A61L27/38—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix containing added animal cells
    • A61L27/3804—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix containing added animal cells characterised by specific cells or progenitors thereof, e.g. fibroblasts, connective tissue cells, kidney cells
    • A61L27/3834—Cells able to produce different cell types, e.g. hematopoietic stem cells, mesenchymal stem cells, marrow stromal cells, embryonic stem cells
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/54—Biologically active materials, e.g. therapeutic substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N5/00—Undifferentiated human, animal or plant cells, e.g. cell lines; Tissues; Cultivation or maintenance thereof; Culture media therefor
    • C12N5/06—Animal cells or tissues; Human cells or tissues
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0015—Electro-spinning characterised by the initial state of the material
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0061—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0061—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • D01D5/0076—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus characterised by the collecting device, e.g. drum, wheel, endless belt, plate or grid
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/40—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a specific therapeutic activity or mode of action
    • A61L2300/412—Tissue-regenerating or healing or proliferative agents
    • A61L2300/414—Growth factors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/06—Materials or treatment for tissue regeneration for cartilage reconstruction, e.g. meniscus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2533/00—Supports or coatings for cell culture, characterised by material
    • C12N2533/30—Synthetic polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2533/00—Supports or coatings for cell culture, characterised by material
    • C12N2533/50—Proteins
    • C12N2533/54—Collagen; Gelatin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2533/00—Supports or coatings for cell culture, characterised by material
    • C12N2533/70—Polysaccharides

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Botany (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Developmental Biology & Embryology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Rheumatology (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

本发明公开了一种连续互补双梯度纳米纤维仿生支架、其制备方法及应用。所述仿生支架包括支架基体，所述支架基体包括并行设置且彼此交集的两个纤维集落；每一纤维集落中，沿逐渐远离纤维集落中心的方向，纤维的聚集密度梯度降低；两个纤维集落中纤维聚集密度的变化梯度呈现为互补梯度。本发明的仿生支架制备的担载双梯度活性因子的支架材料可用于不同组织界面损伤修复，用于模拟天然体内微环境进行基础研究或者药物筛选；同时可制备双梯度细胞的支架材料，用于不同组织界面损伤修复；用于模拟天然体内细胞分布、研究细胞间相互作用，应用前景广泛；且其制备工艺简单可控，利于规模化实施。

Description

连续互补双梯度纳米纤维仿生支架、其制备方法及应用
技术领域
本发明属于生物医学材料领域，涉及一种连续互补双梯度纳米纤维仿生支架及其制备方法，以及其在制备担载双梯度活性因子或双梯度细胞的支架材料中的应用。
背景技术
梯度活性因子在胚胎形成和发育、组织修复和再生、伤口愈合等过程中发挥重要作用。尤其在某些特定位置存在两个彼此互补的双梯度活性因子或者细胞。例如在中枢神经系统发育过程中，沿脊髓背-腹轴存在骨形态发生蛋白(BMP2)浓度梯度，沿脊髓腹-背轴存在音猬因子(Shh)浓度梯度；在不同组织界面处例如骨与软骨、骨与肌腱界面处，成骨细胞与软骨、成骨细胞与肌腱细胞呈现互补双梯度变化，实现不同组织结合以及复杂生理学特性；因此，功能梯度设计是组织损伤修复支架或构建体外模拟平台的性能优化策略之一。但是目前双梯度仿生支架的制备仍面临很大挑战。
目前梯度支架的构建通过不同功能层叠加实现不连续梯度变化。国内专利CN104307047A公开了一种将羟基磷灰石与胶原比例逐渐降低的四层溶液冷冻干燥得到羟基磷灰石含量逐渐降低、胶原含量逐渐升高的双梯度仿生骨与软骨界面修复支架。相较于跳跃非连续梯度支架，连续变化的梯度支架更能模拟体内天然物理结构或生物活性因子梯度变化。其中，纳米纤维支架具有高比表面积、高孔隙率和相互连通的三维纤维网络结构，因此相对于传统支架材料能更好地模拟天然细胞外基质结构，在组织工程支架领域具有广阔应用前景。本研究团队前期采用静电纺丝技术利用点形-环形复合接收装置制备了活性因子连续梯度变化的有序纳米纤维支架(Small,2016,12,5009)。但是只适用于连续单梯度纳米纤维支架制备。因此，开发制备连续互补双梯度纳米纤维仿生支架是新一代梯度支架的迫切需求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种连续互补双梯度纳米纤维仿生支架、其制备方法及应用，以克服现有技术中的不足。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种连续互补双梯度纳米纤维仿生支架，所述仿生支架包括支架基体，所述支架基体包括并行设置的两个纤维集落，每一纤维集落由复数根纤维组成，而且在每一纤维集落中，沿逐渐远离纤维集落中心的方向，纤维的聚集密度梯度降低；
同时，一个纤维集落中的部分纤维与另一个纤维集落中的部分纤维相互交集，且两个纤维集落交集处的纤维聚集密度小于任一个纤维集落的中心处的纤维聚集密度；以及
所述两个纤维集落中纤维聚集密度的变化梯度呈现为互补梯度。
进一步地，所述两个纤维集落中纤维聚集密度的变化梯度能够形成双相互补的连续性梯度，同时所述支架基体具有有序拓扑结构。
本发明实施例还提供了一种前述连续互补双梯度纳米纤维仿生支架的制备方法，包括：
提供静电纺丝装置，包括与纺丝溶液供给系统连通的喷嘴和接收装置，所述喷嘴和接收装置间隔设置，所述接收装置包括双点电极和环形电极，所述双点电极设置于所述环形电极内部，且所述双点电极间的距离为5～20mm；
在所述喷嘴和接收装置之间施加8～12kV的电压，并以所述喷嘴将纺丝溶液向所述接收装置喷射，控制纺丝溶液流速为0.1～5mL/h，使形成的纤维在所述接收装置上有序聚集，从而获得支架基体。
本发明实施例还提供了所述任一种连续互补双梯度纳米纤维仿生支架作为双梯度活性因子支架的用途。
本发明实施例还提供了一种担载双梯度活性因子的支架材料，其包括前述连续互补双梯度纳米纤维仿生支架，所述仿生支架的支架基体上负载有生物活性因子或药物。
进一步地，其中的两个纤维集落各自担载不同的生物活性因子或药物，且在一个纤维集落中生物活性因子或药物的含量从高到低逐渐降低，而在另一个纤维集落中生物活性因子或药物的含量从低到高逐渐升高。
本发明实施例还提供了前述担载双梯度活性因子的支架材料于组织界面损伤修复或模拟天然体内微环境进行基础研究或者药物筛选领域中的应用。
本发明实施例还提供了所述任一种连续互补双梯度纳米纤维仿生支架作为互补双梯度细胞支架的用途。
本发明实施例还提供了一种互补双梯度细胞支架材料，其包括前述连续互补双梯度纳米纤维仿生支架，所述仿生支架的支架基体上负载有细胞。
进一步地，其中的两个纤维集落各自担载不同的细胞，且在一个纤维集落中细胞的含量从高到低逐渐降低，而在另一个纤维集落中细胞的含量从低到高逐渐升高。
本发明实施例还提供了前述的互补双梯度细胞支架材料于组织界面损伤修复、模拟天然体内细胞分布或细胞间相互作用研究领域中的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
(1)本发明提供的连续互补双梯度纳米纤维仿生支架可形成双相互补的连续性梯度，同时包含的有序纤维可提供良好的有序拓扑结构。可制备担载双梯度活性因子或药物的支架材料，用于不同组织界面(例如骨与肌腱、骨与软骨)损伤修复，用于模拟天然体内微环境(例如神经发育过程)进行基础研究或者药物筛选；同时可制备双梯度细胞的支架材料，用于不同组织界面(例如骨与肌腱、骨与软骨)损伤修复；用于模拟天然体内细胞分布、研究细胞间相互作用，应用前景广泛；
(2)本发明提供的所述连续互补双梯度纳米纤维仿生支架的制备工艺简单可控，利于规模化实施。
附图说明
为了更清楚地说明本发明结构特征和技术要点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1为本发明实施例中连续互补双梯度纳米纤维仿生支架的照片。
图2为本发明实施例中担载互补双梯度活性因子的支架材料的荧光显微镜照片。
图3a和图3b分别为本发明实施例中担载互补双梯度间充质干细胞(MSCS)和神经干细胞(NSCs)支架材料的荧光显微镜照片。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供的一种连续互补双梯度纳米纤维仿生支架，所述仿生支架包括支架基体，所述支架基体包括并行设置的两个纤维集落，每一纤维集落由复数根纤维组成，而且在每一纤维集落中，沿逐渐远离纤维集落中心的方向，纤维的聚集密度梯度降低；
同时，一个纤维集落中的部分纤维与另一个纤维集落中的部分纤维相互交集，且两个纤维集落交集处的纤维聚集密度小于任一个纤维集落的中心处的纤维聚集密度；以及
所述两个纤维集落中纤维聚集密度的变化梯度呈现为互补梯度。
进一步地，所述两个纤维集落中纤维聚集密度的变化梯度能够形成双相互补的连续性梯度，同时所述支架基体具有有序拓扑结构。
其中，前文述及的“互补梯度”主要是指：从一个纤维集落的中心处向交集处的纤维聚集密度的下降梯度与从交集处向另一个纤维集落的中心处的纤维聚集密度的增高梯度互补。
进一步地，所述纤维主要由胶原蛋白和聚合物组成，所述胶原蛋白与聚合物的质量比为1：9～9：1。
进一步地，所述纤维主要由胶原蛋白、明胶、壳聚糖、透明质酸、聚乳酸、聚(乳酸-乙醇酸)、聚己内酯等聚合物或一种或多种聚合物的混合物组成，且不限于此。
进一步地，所述纤维采用直径为200nm～5μm的静电纺丝纤维。
本发明实施例的另一个方面提供的一种连续互补双梯度纳米纤维仿生支架的制备方法，其包括：
提供静电纺丝装置，包括与纺丝溶液供给系统连通的喷嘴和接收装置，所述喷嘴和接收装置间隔设置，所述接收装置包括双点电极和环形电极，所述双点电极设置于所述环形电极内部，且所述双点电极间的距离为5～20mm；
在所述喷嘴和接收装置之间施加8～12kV的电压，并以所述喷嘴将纺丝溶液向所述接收装置喷射，控制纺丝溶液流速为0.1～5mL/h，使形成的纤维在所述接收装置上有序聚集，从而获得支架基体。
较为优选的，所述的制备方法可以包括：通过将所述喷嘴与高压直流电源连接，并将所述接收装置接地，从而在所述喷嘴和接收装置之间形成8～12kV的电势差。
较为优选的，所述纺丝溶液供给系统包括微量注射泵，且所述微量注射泵向喷嘴供给纺丝溶液的速率为0.1～0.2mL/h。
进一步地，所述环形电极的直径可以为2～4cm。
进一步地，所述双点电极间距离为0.5～2cm。
进一步地，所述喷嘴与接收装置之间的距离可以为10～15cm。
进一步地，所述制备方法中采用的静电纺丝接收时间可以为2～10min。
较为优选的，所述纺丝溶液选自含有胶原蛋白及聚合物的流体，所述胶原蛋白与聚合物的质量比为1：9～9：1。
进一步地，所述聚合物包括明胶、壳聚糖、透明质酸、聚乳酸、聚(乳酸-乙醇酸)、聚己内酯等中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
较为优选的，所述纺丝溶液的浓度(即胶原蛋白及聚合物两者的浓度之和)为15wt％～30wt％。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的任一种连续互补双梯度纳米纤维仿生支架作为双梯度活性因子支架的用途。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种担载双梯度活性因子的支架材料，其包括前述连续互补双梯度纳米纤维仿生支架，所述仿生支架的支架基体上负载有生物活性因子或药物。
进一步地，其中的两个纤维集落各自担载不同的生物活性因子或药物，且在一个纤维集落中生物活性因子或药物的含量从高到低逐渐降低，而在另一个纤维集落中生物活性因子或药物的含量从低到高逐渐升高。
进一步地，所述生物活性因子包括BMP2/SHH、TGF/BMP2等，但不限于此。
进一步地，本发明实施例的另一个方面还提供了所述担载双梯度活性因子的支架材料的制备方法，其包括：在所述支架基体中两个纤维集落的交集处放置圆环容器，并与生物活性因子或药物在缓冲液中孵育，得到担载双梯度活性因子的支架材料。
其中，所述圆环容器的直径为0.5～1.5cm。
进一步地，所述生物活性因子或药物在缓冲液中的浓度为0.2～20μM。
进一步地，所述的制备方法包括：所述生物活性因子或药物通过物理吸附法或化学交联法负载于所述支架基体上，所述化学交联法采用的交联剂包括碳化二亚胺(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、Traut’s/SMCC等，但不限于此。
相应的，本发明实施例的另一个方面还提供了前述的担载双梯度活性因子的支架材料于不同组织界面(例如骨与肌腱，骨与软骨)损伤修复或模拟天然体内微环境(例如神经发育过程)进行基础研究或者药物筛选等领域中的应用。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的任一种连续互补双梯度纳米纤维仿生支架作为互补双梯度细胞支架的用途。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种互补双梯度细胞支架材料，其包括前述连续互补双梯度纳米纤维仿生支架，所述仿生支架的支架基体上负载有细胞。
进一步地，其中的两个纤维集落各自担载不同的细胞，且在一个纤维集落中细胞的含量从高到低逐渐降低，而在另一个纤维集落中细胞的含量从低到高逐渐升高。
进一步地，所述细胞包括MSCs/NSCs、成骨细胞/软骨细胞等，但不限于此。
本发明实施例的另一个方面还提供了所述互补双梯度细胞支架材料的制备方法，其包括：在所述支架基体中两个纤维集落的交集处放置圆环容器，并与细胞在缓冲液中孵育，得到互补双梯度细胞支架材料。。
其中，所述圆环容器的直径为0.5～1.5cm。
进一步地，所述细胞数目为1×104～5×105。
相应的，本发明实施例的另一个方面还提供了前述的互补双梯度细胞支架材料于组织界面损伤修复(例如骨与肌腱，骨与软骨)、模拟天然体内细胞分布或细胞间相互作用研究等领域中的应用。
具体的，本发明实施例的另一个方面还提供了MSCs/NSCs双梯度细胞支架用于研究MSCs对NSCs的作用，来模拟NSCs移植对内源NSCs的作用。
以下将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明：
(一)连续互补双梯度纳米纤维支架材料的制备方法
1)利用静电纺丝技术制备连续互补双梯度有序纤维支架。采用装置与传统电纺装置相似，包括：高压直流电源，微量注射泵以及接收装置。不同之处是接收装置为双点电极与环形电极的组合装置，其中点电极可用尖针实现，两点电极间距离为0.5cm，环形电极可用一个不锈钢金属圆环实现。纺丝溶液采用胶原蛋白与PCL的混合物，其量比为4:6。将混合物溶于六氟异丙醇中，浓度为20％。采用微量注射泵控制聚合物溶液的速率为0.1mL/h。高压直流电源应用于喷嘴与接地收集器之间，电压为8kV，喷嘴与接地收集器之间的距离约为10cm。所得支架材料在两个点电极位置形成两个纤维集落中心，中心纤维密度高，外周纤维密度低，形成一种具有有序排列的密度梯度支架材料(参阅图1所示)。
(二)生物活性因子互补双梯度纳米纤维支架材料的制备方法
在收集到的胶原/PCL双梯度支架材料集落中心放置圆环容器，分别加入200μLEDC/NHS/488-IgG、EDC/NHS/594-IgG孵育1h。得到担载互补双梯度生物活性因子的纳米纤维支架(参阅图2所示)。
(三)MSC/NSC互补双梯度细胞支架的制备方法
1)小鼠NSCs的提取与培养。选取1d的ICR小鼠，解剖分离其大脑海马区，使用胰酶替代物在37℃培养箱中消化其海马区10min。将消化后的细胞重悬在增殖培养基中(包括无血清的DMEM/F12基础培养基、EGF、bFGF以及2％FBS)，在37℃的培养箱中培养。
2)MSCs在含有10％FBS的DMEM-F12培养基中扩增，在37℃的培养箱中培养。
3)在双梯度支架的两个纤维集落中心放置直径1cm的圆环容器，将体积为100μL的大约5x 105个MSCs和NSCs分别种植圆环形容器内部，置于37℃培养箱中培育2h，待其贴壁后用PBS清洗3遍，然后撤去圆环容器并添加分化培养基在37℃培养箱中培养。
(四)MSCs/NSCs互补双梯度细胞支架用于研究MSCs对NSCs的作用
经过一段时间的培养后，将种植细胞的支架材料在4％多聚甲醛中固定30分钟后，用0.08％triton X-100透膜，用5％BSA封闭。然后，在4℃时过夜孵育一抗后在室温条件下孵育二抗和DAPI，约30min。采用共聚焦荧光显微镜观察NSCs的分布情况以及分化情况。参阅图3所示，与单独种植NSCs组相比较，MSCs的存在可显著促进NSCs向MSCs方向迁移。
综上所述，本发明提供的连续互补双梯度纳米纤维支架材料，可用于制备生物活性因子连续互补双梯度纳米纤维支架，也可用于制备细胞互补双梯度纳米纤维支架。MSCs/NSCs互补双梯度细胞支架用于研究MSCs对NSCs的作用发现MSCs可显著促进NSCs迁移。因此此支架材料可以作为具有极大应用潜能的界面修复材料和体外模拟平台。
应当理解，上述具体实施方式仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上所述内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种连续互补双梯度纳米纤维仿生支架，其特征在于：所述仿生支架包括支架基体，所述支架基体包括并行设置的两个纤维集落，每一纤维集落由复数根纤维组成，而且在每一纤维集落中，沿逐渐远离纤维集落中心的方向，纤维的聚集密度梯度降低；
同时，一个纤维集落中的部分纤维与另一个纤维集落中的部分纤维相互交集，且两个纤维集落交集处的纤维聚集密度小于任一个纤维集落的中心处的纤维聚集密度；以及
所述两个纤维集落中纤维聚集密度的变化梯度呈现为互补梯度。
2.根据权利要求1所述的连续互补双梯度纳米纤维仿生支架，其特征在于：所述两个纤维集落中纤维聚集密度的变化梯度能够形成双相互补的连续性梯度，同时所述支架基体具有有序拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的连续互补双梯度纳米纤维仿生支架，其特征在于：所述两个纤维集落中，从一个纤维集落的中心处向交集处的纤维聚集密度的下降梯度与从交集处向另一个纤维集落的中心处的纤维聚集密度的增高梯度互补。
4.根据权利要求1所述的连续互补双梯度纳米纤维仿生支架，其特征在于：所述纤维主要由胶原蛋白和聚合物组成，所述胶原蛋白与聚合物的质量比为1：9~9：1，所述聚合物包括明胶、壳聚糖、透明质酸、聚乳酸、聚（乳酸-乙醇酸）、聚己内酯中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述纤维采用直径为200 nm ~ 5 µm的静电纺丝纤维。
5.权利要求1-4中任一项所述连续互补双梯度纳米纤维仿生支架的制备方法，其特征在于包括：
提供静电纺丝装置，包括与纺丝溶液供给系统连通的喷嘴和接收装置，所述喷嘴和接收装置间隔设置，所述接收装置包括双点电极和环形电极，所述双点电极设置于所述环形电极内部，且所述双点电极间的距离为5~20 mm；
在所述喷嘴和接收装置之间施加8~12 kV的电压，并以所述喷嘴将纺丝溶液向所述接收装置喷射，控制纺丝溶液流速为0.1~5 mL/h，使形成的纤维在所述接收装置上有序聚集，从而获得支架基体。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于包括：通过将所述喷嘴与直流电源连接，并将所述接收装置接地，从而在所述喷嘴和接收装置之间形成8~12 kV的电势差。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述纺丝溶液供给系统包括微量注射泵，且所述微量注射泵向喷嘴供给纺丝溶液的速率为0.1~0.2 mL/h；和/或，所述环形电极的直径为2~4 cm；和/或，所述喷嘴与接收装置之间的距离为10~15 cm；和/或，静电纺丝接收时间为2~10 min。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述纺丝溶液选自含有胶原蛋白及聚合物的流体，所述胶原蛋白与聚合物的质量比为1：9~9：1，所述聚合物包括明胶、壳聚糖、透明质酸、聚乳酸、聚（乳酸-乙醇酸）、聚己内酯中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述纺丝溶液中胶原蛋白与聚合物的浓度为15 wt% ~30 wt%。
9.一种担载双梯度活性因子的支架材料，其特征在于包括权利要求1-4中任一项所述连续互补双梯度纳米纤维仿生支架，所述仿生支架的支架基体上负载有生物活性因子或药物；其中的两个纤维集落各自担载不同的生物活性因子或药物，且在一个纤维集落中生物活性因子或药物的含量从高到低逐渐降低，而在另一个纤维集落中生物活性因子或药物的含量从低到高逐渐升高，所述生物活性因子包括BMP2/SHH 和/或TGF/BMP2。
10.权利要求9所述的担载双梯度活性因子的支架材料的制备方法，其特征在于包括：在所述支架基体中两个纤维集落的交集处放置圆环容器，并与生物活性因子或药物在缓冲液中孵育，得到担载双梯度活性因子的支架材料。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述圆环容器的直径为0.5 ~ 1.5cm；和/或，所述生物活性因子或药物在缓冲液中的浓度为0.2～20 µM。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于包括：所述生物活性因子或药物通过物理吸附法或化学交联法负载于所述支架基体上，所述化学交联法采用的交联剂包括碳化二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺或Traut’s/SMCC。
13.权利要求9所述的担载双梯度活性因子的支架材料于模拟天然体内微环境进行基础研究或者药物筛选领域中的应用。
14.根据权利要求13所述的应用，其特征在于：所述天然体内微环境包括神经发育过程的微环境。
15.一种互补双梯度细胞支架材料，其特征在于包括权利要求1-4中任一项所述连续互补双梯度纳米纤维仿生支架，所述仿生支架的支架基体上负载有细胞；其中的两个纤维集落各自担载不同的细胞，且在一个纤维集落中细胞的含量从高到低逐渐降低，而在另一个纤维集落中细胞的含量从低到高逐渐升高；所述细胞包括MSCs/NSCs和/或成骨细胞/软骨细胞。
16.权利要求15所述的互补双梯度细胞支架材料的制备方法，其特征在于包括：在所述支架基体中两个纤维集落的交集处放置圆环容器，并与细胞在缓冲液中孵育，得到互补双梯度细胞支架材料。
17.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于：所述圆环容器的直径为0.5 ~ 1.5cm；和/或，所述细胞数目为1×104～5×105。
18.权利要求15所述的互补双梯度细胞支架材料于模拟天然体内细胞分布或细胞间相互作用研究领域中的应用。
CN201811600748.XA 2018-12-26 2018-12-26 连续互补双梯度纳米纤维仿生支架、其制备方法及应用 Active CN111359013B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811600748.XA CN111359013B (zh) 2018-12-26 2018-12-26 连续互补双梯度纳米纤维仿生支架、其制备方法及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811600748.XA CN111359013B (zh) 2018-12-26 2018-12-26 连续互补双梯度纳米纤维仿生支架、其制备方法及应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111359013A CN111359013A (zh) 2020-07-03
CN111359013B true CN111359013B (zh) 2021-09-24

Family

ID=71200694

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811600748.XA Active CN111359013B (zh) 2018-12-26 2018-12-26 连续互补双梯度纳米纤维仿生支架、其制备方法及应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111359013B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113925995B (zh) * 2021-11-02 2022-07-29 东华大学 一种连续阵列梯度纳米纤维仿生支架及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2003250402A1 (en) * 2002-07-15 2004-02-02 University Of Leeds Beta-sheet forming peptides and material made thereof
CN107510862A (zh) * 2016-06-15 2017-12-26 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 担载梯度浓度生物活性分子的有序纤维支架、制法及应用
CN107638590A (zh) * 2017-09-20 2018-01-30 大连理工大学 一种壳聚糖基梯度仿生复合支架材料及其构建方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2003250402A1 (en) * 2002-07-15 2004-02-02 University Of Leeds Beta-sheet forming peptides and material made thereof
CN107510862A (zh) * 2016-06-15 2017-12-26 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 担载梯度浓度生物活性分子的有序纤维支架、制法及应用
CN107638590A (zh) * 2017-09-20 2018-01-30 大连理工大学 一种壳聚糖基梯度仿生复合支架材料及其构建方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Gradient fiber electrospinning of layered scaffolds using controlled;Casey P. Grey et al;《Biomaterials》;20130418;全文 *
可注射性纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合支架与骨髓间充质干细胞、骨形态发生蛋白2修复骨缺损的体外实验;刘广涛等;《中国组织工程研究》;20180118(第02期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111359013A (zh) 2020-07-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kai et al. Electrospun synthetic and natural nanofibers for regenerative medicine and stem cells
Zhuang et al. Bioprinting of 3D in vitro skeletal muscle models: A review
Xiang et al. A novel Bruch's membrane-mimetic electrospun substrate scaffold for human retinal pigment epithelium cells
Wang et al. Evaluation of the potential of rhTGF-β3 encapsulated P (LLA-CL)/collagen nanofibers for tracheal cartilage regeneration using mesenchymal stems cells derived from Wharton's jelly of human umbilical cord
Ortega et al. Combined microfabrication and electrospinning to produce 3-D architectures for corneal repair
Abdollahiyan et al. The triad of nanotechnology, cell signalling, and scaffold implantation for the successful repair of damaged organs: An overview on soft-tissue engineering
Nam et al. Improved cellular infiltration in electrospun fiber via engineered porosity
Chen et al. Promoting neurite growth and schwann cell migration by the harnessing decellularized nerve matrix onto nanofibrous guidance
Biazar et al. Types of neural guides and using nanotechnology for peripheral nerve reconstruction
EP1851858B1 (en) Substrate recognition by differentiable human mesenchymal stem cells
Yao et al. Biomimetic injectable HUVEC‐adipocytes/collagen/alginate microsphere co‐cultures for adipose tissue engineering
CN102552976A (zh) 物理包埋活性物质的组织工程支架材料及其制备方法
CN107510862B (zh) 担载梯度浓度生物活性分子的有序纤维支架、制法及应用
CN111714706B (zh) 可促进血管细胞增殖和分泌细胞外基质的血管支架、血管支架的制备方法及活性人工血管
Guo et al. Creating 3D angiogenic growth factor gradients in fibrous constructs to guide fast angiogenesis
WO2014114043A1 (zh) 用于修复周围神经损伤的细胞基质修饰的组织工程神经移植物及其制备方法
US20080112998A1 (en) Innovative bottom-up cell assembly approach to three-dimensional tissue formation using nano-or micro-fibers
Alamein et al. Mass production of nanofibrous extracellular matrix with controlled 3D morphology for large-scale soft tissue regeneration
Rajasekaran et al. Role of nanofibers on MSCs fate: Influence of fiber morphologies, compositions and external stimuli
WO2023185379A1 (zh) 一种负载脂肪干细胞的神经导管及其制备方法
CN110013567A (zh) 一种具有多级结构的可降解载药控释心肌修复补片
CN107432952B (zh) 三维石墨烯-胶原复合支架及其制备方法和应用
Jang et al. Small diameter vascular graft with fibroblast cells and electrospun poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) scaffolds: Cell Matrix Engineering
Sridhar et al. Improved regeneration potential of fibroblasts using ascorbic acid‐blended nanofibrous scaffolds
Ezhilarasu et al. Functionalized core/shell nanofibers for the differentiation of mesenchymal stem cells for vascular tissue engineering

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant