CN114870070A - 一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架及其制备方法和应用 - Google Patents

一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架及其制备方法和应用,包括如下步骤:(1)将硅源、水、酸混合制备二氧化硅溶胶液,然后与聚乙烯醇水溶液混合得到第一静电纺丝液,然后进行静电纺丝,煅烧后获得二氧化硅纳米纤维膜;(2)将明胶和聚乳酸溶于有机溶剂中形成第二静电纺丝液,然后进行静电纺丝制得有机纳米纤维膜;(3)将所述二氧化硅纳米纤维膜与所述有机纳米纤维膜加入到醇类溶剂中,然后匀浆粉碎,冷冻干燥,得到未交联的有机/无机复合纳米纤维组织,然后进行热交联,即得到有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架,应用于骨组织修复中有利于细胞的均匀铺展,促进骨组织再生。

Description

一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架及其制 备方法和应用
技术领域
本发明涉及医疗技术领域,具体涉及一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架及其制备方法和应用。
背景技术
骨骼是人体内最坚硬的器官,由骨组织、骨膜及骨髓等构成。骨作为人体重要的组织器官,在人体中行使结构支持、保护、运动杠杆、造血、储存矿物离子等功能,同时与附着的肌肉组织一起负责人体的各项运动。天然骨从结构上看,是高度复杂而又取向排列的分级结构组合。从宏观结构上来看,由骨松质和骨密质组成;从微观结构上来看,由哈佛氏系统、骨单元、骨小梁组成;从纳米结构上来看,由胶原纤维和嵌入的矿物质组成。总体上,由胶原原纤维组成的直径为100-2000nm的胶原纤维按照一定的排列取向构成骨的主体结构。
从组成成分上看,天然骨是一个复杂的有机-无机纳米复合物,主要由矿物质、胶原和水组成。其中,有机成分主要为I型胶原,还有少量的氨基多糖和糖蛋白等基质,占30%。胶原蛋白使骨具有强度结构完整性,而非胶原蛋白对骨的形成起到至关重要的作用;无机矿物质主要为HA和无定型的磷酸钙盐,占60%。HA为10-20nm的细针状结晶体,紧密而有规律地沿着胶原纤维的长轴排列;水占10%,但它的重要性是不容忽视的,有助于保持骨的整体韧性。这些成分的比例跟骨的位置和类型有关。胶原纤维为骨提供一定的拉伸强度和抗弯曲强度,而嵌入在胶原纤维间的骨盐提高骨的硬度,两者共同作用赋予骨强大的力学性能。骨膜是骨的重要组成部分,是一层坚韧的纤维结缔组织,其内层含有丰富的血管、神经和骨原细胞,在骨的生理活动中提供营养、促进骨质再生。骨髓位于骨髓腔和骨松质的空隙内,含有丰富的血管和神经,是重要的造血组织,能够产生红细胞、白细胞和血小板。
生物陶瓷是一类与生物体或生物化学相关的陶瓷材料,根据临床的实际需求,被加工成不同的形态,包括颗粒、多孔块状、注射剂和薄膜等。生物陶瓷具有良好的生物相容性和传导性,植入后可与机体骨直接融合并逐渐被骨组织吸收。而生物陶瓷材料存在机械强度差的问题,从而限制了它们的广泛应用。因此制备柔性生物玻璃纳米纤维变得日渐重要。
发明内容
为了解决生物陶瓷材料存在机械强度差的技术问题,而提供一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架及其制备方法和应用。本发明制备的工程支架首先具有纳米纤维结构,可以仿生细胞外基质;其次无机纳米纤维释放的离子可以促进血管再生,从而促进骨再生;最后本发明方法简单,原料来源广泛、生物相容性好,可用于各种骨损伤。
为了达到以上目的,本发明通过以下技术方案实现:
本发明第一方面提供一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的制备方法,包括如下步骤:
(1)将硅源、水、酸混合制备二氧化硅溶胶液,将所述二氧化硅溶胶液与聚乙烯醇水溶液混合得到第一静电纺丝液,然后进行静电纺丝,煅烧后获得二氧化硅纳米纤维膜;
(2)将明胶和聚乳酸溶于有机溶剂中形成第二静电纺丝液,然后进行静电纺丝制得有机纳米纤维膜;
(3)将所述二氧化硅纳米纤维膜与所述有机纳米纤维膜加入到醇类溶剂中,然后匀浆粉碎,冷冻干燥,得到未交联的有机/无机复合纳米纤维组织,然后进行热交联,即得到有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架。
进一步地,步骤(1)中所述硅源为正硅酸乙酯,所述酸为磷酸;所述正硅酸乙酯、所述水、所述磷酸的摩尔比为1:11:0.01;所述聚乙烯醇水溶液中的聚乙烯醇与水的质量比为1:9;所述二氧化硅溶胶液与所述聚乙烯醇水溶液的质量比为1:1;所述煅烧的温度为800℃。800℃煅烧后的纤维膜平均直径最小、形貌均一,且柔性最佳,应用于骨修复,有利于细胞均匀铺展。
进一步地,步骤(1)中所述第一静电纺丝液的静电纺丝的工艺参数为:电压20kV、推进速度1mL/h、距离20cm;步骤(2)中所述第二静电纺丝液的静电纺丝的工艺参数为:电压15kV、推进速度3mL/h、距离10cm。
进一步地,步骤(2)中所述明胶为猪皮明胶或者牛明胶;所述聚乳酸为左旋端羧基聚乳酸(PLLA);所述有机溶剂为六氟异丙醇;所述明胶与所述聚乳酸的质量比为5:1,所述明胶与所述聚乳酸的总质量与所述有机溶剂的用量为1g/10mL。在热交联的过程中,PLLA中的羧基更容易与明胶上的氨基发生脱水反应,更容易获得交联的三维网状多孔结构。
进一步地,步骤(3)中所述醇类溶剂为叔丁醇;所述二氧化硅纳米纤维膜与所述有机纳米纤维膜的质量比为(0.25-1):1;所述二氧化硅纳米纤维膜与所述有机纳米纤维膜的总质量与所述醇类溶剂的用量为2.5g/100mL。
进一步地,步骤(3)中所述匀浆粉碎采用高速匀浆;所述冷冻干燥的过程是在-80℃冰箱中进行冷冻12h~24h,然后放置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥3天。
进一步地,步骤(3)中所述热交联的过程是在马弗炉中加热至190℃并保温2h。
本发明另一方面提供上述制备方法制得的有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架,所述工程支架由二氧化硅纳米纤维膜和聚乳酸/明胶纳米纤维膜组成,所述二氧化硅纳米纤维膜占所述工程支架的20wt%~50wt%,具有交联的三维结构以及孔隙结构,孔隙率大于80%。
本发明最后一方面提供由上述制备方法制得的有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架应用于骨组织修复。
有益技术效果:
本发明通过先制备柔性SiO2纳米纤维膜与聚乳酸/明胶有机纳米纤维膜,将两者在醇类溶剂中混合后粉碎、冷冻干燥获得未交联的复合纳米纤维,由于未交联的复合纳米纤维易溶于水,因此需要对其进行交联,采用热交联,在马弗炉中逐渐加热至190℃,明胶先发生脱水形成酰胺键,随着温度的升高,明胶中肽链上的亲水基团之间以及与聚乳酸的羧基之间发生交联,使得明胶产生变性与聚乳酸交联,同时与二氧化硅无机纤维形成键合,获得交联、不溶于水的三维网状多孔结构的纳米纤维组织工程支架;本发明制备的有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架能够模拟天然骨的有机无机混合成分,且有机/无机复合纳米纤维结构可以很好的模仿细胞外基质,应用于骨组织修复中,交联的三维网状多孔结构提供力学支撑,由于细胞倾向于在纳米纤维上铺展,结构均一的纳米纤维组织有利于细胞的均匀铺展,且通过柔性二氧化硅纳米纤维的柔韧性提高支架的力学性能;另外二氧化硅纳米纤维还能够释放Si4+促进血管再生,从而促进骨组织再生;最后,交联后产生的高孔隙率有利于细胞的长入和增殖。本发明制备的工程支架具有纳米纤维结构,可以仿生细胞外基质;无机纳米纤维释放的离子可以促进血管再生,从而促进骨再生;本发明方法简单,原料来源广泛、生物相容性好,可用于各种骨损伤的骨组织修复。
附图说明
图1为实施例1中获得SiO2纳米纤维膜煅烧前后的扫描电子显微镜图。
图2为实施例3中制得的有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的实物外观图,其中A为含有0%SiO2纳米纤维膜的工程支架,B为含有20%SiO2纳米纤维膜的工程支架。
图3实施例3中制得的含有0%、20%、40%、60%SiO2纳米纤维膜的有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的扫描电子显微镜图。
图4为含有0%、20%、40%、60%SiO2纳米纤维膜的有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的成骨分化标记物碱性磷酸酶活性图,其中ALP activity表示碱性磷酸酶的活性。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
此外,需要说明的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定步骤(1)和步骤(2)的静电纺丝液,仅仅是为了便于区分各反应步骤中静电纺丝液的成分,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
SiO2纳米纤维膜的制备:
将正硅酸乙酯、去离子水、磷酸以摩尔比为1:11:0.01混合,搅拌30h,获得二氧化硅溶胶液;将PVA与去离子水按质量比1:9混合后加热搅拌直至PVA完全溶解形成均一的质量分数为10%的PVA水溶液;
将上述二氧化硅溶胶液与上述PVA水溶液混合得到第一静电纺丝液,将其加入到注射器中,安装在推进泵上,连接高压设置静电纺丝高压为20kV,推进速度为1mL/h,铝箔作为接收装置,接收距离为20cm,进行静电纺丝制得SiO2/PVA纳米纤维膜;
将SiO2/PVA纳米纤维膜在800℃下煅烧2h后,获得纯SiO2纳米纤维膜。
对本实施例煅烧前后的纳米纤维膜进行电子显微镜的观察,煅烧前后的SEM图如图1所示,由图1可知,煅烧前后煅烧后的纤维结构未发生改变,制得的SiO2纳米纤维膜结构较均匀。
实施例2
PLLA/Gelatin纳米纤维膜的制备:
将明胶(Gelatin)和PLLA以质量比为5:1混合溶于六氟异丙醇中(每毫升六氟异丙醇中溶解的明胶和PLLA的总质量是0.1g),形成第二静电纺丝液,将其加入到注射器中,安装在推进泵上,连接高压设置静电纺丝高压为15kV,推进速度为3mL/h,铝箔作为接收装置,接收距离为10cm,进行静电纺丝制得PLLA/Gelatin纳米纤维膜。
实施例3
有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的制备:
取实施例1中的SiO2纳米纤维膜与实施例2中的PLLA/Gelatin纳米纤维膜共2.5g形成混合纳米纤维,其中SiO2纳米纤维膜占混合纳米纤维总质量的比例为0%、20%、40%、60%,混合剪成1cm×1cm大小得碎片;
将2.5g混合纳米纤维加入100mL叔丁醇中,用高速匀浆机匀浆打碎成均匀的混合纳米纤维溶液;
将混合短纳米纤维溶液倒入模具中,-80℃冰箱中冷冻24h,然后取出置于冷冻干燥机中,冷冻干燥3天,制得未交联的有机/无机复合纳米纤维组织;
将交联的有机/无机复合纳米纤维组织放置于马弗炉中升温加热至190℃、持续加热2h产生交联,即得有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架。
本实施例的有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的实物外观如图2所示,A为含有0%SiO2纳米纤维膜的工程支架,B为含有20%SiO2纳米纤维膜的工程支架,由图2可以看出,当二氧化硅纳米纤维膜含量为0%时,交联后的材料在干态下由于比较致密因而表现出无弹性;而当含有工程支架中加入了二氧化硅纳米纤维膜,交联后的材料表面粗糙多洞,且干态下能够压缩回弹,具有形状记忆功能。这说明二氧化硅纳米纤维膜能够赋予支架较好的柔韧性。
含有0%~60%SiO2纳米纤维膜的有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架扫描电子显微镜图如图3所示,图3中SiO2NF表示SiO2纳米纤维膜,由图3能明显观察到交联后的三维网状结构,具有较多的孔隙,SiO2NF-0%的孔隙率为80%、SiO2NF-20%的孔隙率为89%、SiO2NF-40%的孔隙率为95%、SiO2NF-60%的孔隙率为98%。
实施例4
取5×104/孔的大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs细胞)种植在24孔板大小的实施例3中含有0%~60%SiO2纳米纤维膜的有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架上,24小时后吸出常规培养基,然后加入同等体积的成骨诱导培养基(α-MEM培养基中含有10mMβ甘油磷酸钠,100nM地塞米松,50μg/mL维生素C)培养。
当培养时间到达特定的时间点,弃去培养基,用适量PBS清洗两遍,然后用200μL的2%曲拉通X-100裂解细胞,收集裂解液离心(4℃,10000rpm),随后收集上清液进行碱性磷酸酶(ALP)活性测试。
根据ALP检测试剂盒的说明,从每个离心管中取出50μL上清液加入到96孔板中,然后每孔再加入50μL反应底物溶液(细胞裂解液),将该反应体系放入细胞培养箱中孵育30min,然后再加入反应终止液(试剂盒中的试剂)终止反应。
最后,在96孔板中通过酶标仪测量每孔在405nm处的吸光度以表示碱性磷酸酶(ALP)的活性。碱性磷酸酶是一种成骨分化标记物,活性越高代表该细胞成骨分化的趋势与程度越明显。结果如图4所示,图4中的横坐标即为上述特定的时间点,由图4可知,7天内成骨化趋势还不是太明显,在达到14天时,20%~40%SiO2纳米纤维膜的有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架表达的ALP活性较高,其中40%SiO2纳米纤维膜的本发明工程支架具有最高的碱性磷酸酶活性,这说明在SiO2纳米纤维膜含量在20%~40%的范围内具有较好的成骨活性,可以用作骨组织再生支架应用与骨组织修复中。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将硅源、水、酸混合制备二氧化硅溶胶液,将所述二氧化硅溶胶液与聚乙烯醇水溶液混合得到第一静电纺丝液,然后进行静电纺丝,煅烧后获得二氧化硅纳米纤维膜;
(2)将明胶和聚乳酸溶于有机溶剂中形成第二静电纺丝液,然后进行静电纺丝制得有机纳米纤维膜;
(3)将所述二氧化硅纳米纤维膜与所述有机纳米纤维膜加入到醇类溶剂中,然后匀浆粉碎,冷冻干燥,得到未交联的有机/无机复合纳米纤维组织,然后进行热交联,即得到有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架。
2.根据权利要求1所述的一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述硅源为正硅酸乙酯,所述酸为磷酸;所述正硅酸乙酯、所述水、所述磷酸的摩尔比为1:11:0.01;所述聚乙烯醇水溶液中的聚乙烯醇与水的质量比为1:9;所述二氧化硅溶胶液与所述聚乙烯醇水溶液的质量比为1:1;所述煅烧的温度为800℃。
3.根据权利要求1所述的一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述第一静电纺丝液的静电纺丝的工艺参数为:电压20kV、推进速度1mL/h、距离20cm;步骤(2)中所述第二静电纺丝液的静电纺丝的工艺参数为:电压15kV、推进速度3mL/h、距离10cm。
4.根据权利要求1所述的一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述明胶为猪皮明胶或者牛明胶;所述聚乳酸为左旋端羧基聚乳酸(PLLA);所述有机溶剂为六氟异丙醇;所述明胶与所述聚乳酸的质量比为5:1,所述明胶与所述聚乳酸的总质量与所述有机溶剂的用量为0.1g/mL。
5.根据权利要求1所述的一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述醇类溶剂为叔丁醇;所述二氧化硅纳米纤维膜与所述有机纳米纤维膜的质量比为(0.25-1):1;所述二氧化硅纳米纤维膜与所述有机纳米纤维膜的总质量与所述醇类溶剂的用量为2.5g/100mL。
6.根据权利要求1所述的一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述匀浆粉碎采用高速匀浆;所述冷冻干燥的过程是在-80℃冰箱中进行冷冻12h~24h,然后放置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥3天。
7.根据权利要求1所述的一种有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述热交联的过程是在马弗炉中加热至190℃并保温2h。
8.一种根据权利要求1~7任一项所述的制备方法制得的有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架,其特征在于,所述工程支架由二氧化硅纳米纤维膜和聚乳酸/明胶纳米纤维膜组成,所述二氧化硅纳米纤维膜占所述工程支架的20wt%~50wt%,具有交联的三维结构以及孔隙结构,孔隙率大于80%。
9.根据权利要求1~7任一项所述的制备方法制得的有机/无机复合三维多孔纳米纤维组织工程支架应用于骨组织修复。
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