CN116603118B - 一种具有ecm重建功能的全降解封堵器及涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有ECM重建功能的全降解封堵器及涂层制备方法,属于生物医疗材料技术领域。其技术方案为:在封堵器基底材料表面喷涂具有细胞外基质重建功能的涂层,该涂层的制备如下:将高分子聚合物和小分子羧基化合物混合溶解后喷涂形成纳米丝涂层,然后进行羧基活化,最后再与重组人源化蛋白混合溶液反应,完成涂层的制备。本发明制备得到的具有细胞外基质重建功能的全降解封堵器可有效促进内皮细胞和心肌细胞生长行为并调节炎症反应,完成快速原位内皮化,从而实现对心脏缺损部位的组织修复。

Description

一种具有ECM重建功能的全降解封堵器及涂层制备方法
技术领域
本发明属于生物医疗材料技术领域,具体涉及一种具有ECM重建功能的全降解封堵器及涂层制备方法和应用。
背景技术
先天性心脏病是最常见的先天畸形,全球患病人数达1300万,其发病率每年持续上升,严重威胁着人类尤其是中老年人及婴幼儿的身体健康和生命安全。随着微创介入治疗心脏病手段的不断发展,心脏封堵器植介入修复成为治疗先天性结构性心脏病的有效手段和主流趋势。目前已知的先天性心脏病类型至少有35种,其中约60%需要专门的介入治疗,包括先天性心脏结构异常,如卵圆孔未闭、房间隔缺损、室间隔缺损、动脉导管未闭,和非先天性的左心耳闭塞等。相比于目前临床常用的不全降解型镍钛合金封堵器,全降解封堵器可以实现自身降解速度与心肌缺损部位组织修复过程相匹配,避免了不全降解材料作为异物长久留存在体内存在的材料移位或脱落、摩擦损伤、慢性炎症、晚期血栓等隐患,是未来心脏封堵器研究的主流趋势。
许多全降解聚合物材料已被开发应用于心脏封堵器研究,但材料植入心脏后仍会面临凝血、炎症和内皮损伤等问题。在材料表面快速形成完整的内皮层这一天然的功能屏障,是减少血栓形成、防止炎症细胞侵袭和促进缺损心肌组织修复的关键。而细胞外基质(ECM)是细胞赖以生存的外部微环境,是细胞和组织内稳态的主要调节者,可以有效促进内皮和心肌细胞粘附与增殖,是实现快速原位内皮化的重要保障。基于此,在全降解封堵器表面构建细胞外基质仿生涂层,以开发具有细胞外基质重建功能的全降解封堵器,对封堵器临床植入后功能的有效发挥具有重大意义。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供一种具有ECM重建功能的全降解封堵器及涂层制备方法和应用,本申请通过喷涂法在全降解封堵器材料表面制备微纳米丝涂层以仿细胞外基质结构,然后通过浸涂法在微纳米丝表面加载按比例混合的重组人源化I型/III型胶原蛋白以仿细胞外基质成分,双重仿生从而制备得到具有细胞外基质重建功能的全降解封堵器。该封堵器可有效促进内皮细胞和心肌细胞生长行为并调节炎症反应,完成快速原位内皮化,从而实现对心脏缺损部位的组织修复。
为实现上述目的,本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种具有细胞外基质重建功能的涂层的制备方法,将高分子聚合物和小分子羧基化合物混合溶解后进行羧基活化,然后再与重组人源化蛋白混合溶液反应,完成涂层的制备。
进一步地,具体过程如下:
(1)将高分子聚合物和小分子羧基化合物混合后溶解,然后喷涂形成微纳米丝涂层;其中,高分子聚合物在溶液中的浓度为50~250mg/mL,小分子羧基化合物在溶液中的质量分数为0~5%;
(2)将微纳米丝涂层置于碱性溶液中活化羧基;
(3)将活化后的微纳米丝涂层置于重组人源化蛋白混合溶液中反应,完成涂层制备。
进一步地,高分子聚合物包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物和聚己内酯中的至少一种;其浓度为75~200mg/mL。
进一步地,高分子聚合物的浓度为150~175mg/mL。
进一步地,小分子羧基化合物包括脂溶性羧酸、月桂酸、豆蔻酸、软脂酸、硬脂酸和花生酸中的至少一种;其在溶液中的质量分数为0~4%。
进一步地,溶解高分子聚合物和小分子羧基化合物的有机溶剂为二氯甲烷、氯仿、丙酮、乙醇、甲醇或甲苯。
进一步地,步骤(1)通过调整不同喷涂工艺,包括高分子聚合物浓度、高分子聚合物分子量、小分子羧基化合物添加比例、喷涂速度、喷涂距离中的一项或多项,可得到不同形貌的微纳米丝结构。
进一步地,采用pH为7~9的弱碱性溶液进行羧基活化;所述弱碱性溶液为Tris缓冲液,浸泡时间为0.5~4 h。
进一步地,重组人源化蛋白混合溶液浓度为0.5~4mg/mL,pH为5~8,其包括重量比为1:3的重组人源化I型胶原蛋白和重组人源化III型胶原蛋白。
进一步地,步骤(3)重组人源化I型/III型胶原蛋白均为通过计算机辅助筛选技术、肽合成、基因工程和发酵工程量身定制的重组蛋白,重组人源化I型胶原蛋白具有高细胞粘附活性和良好的生物相容性,重组人源化III型胶原蛋白兼具高细胞粘附活性和抗凝血活性。
进一步地,步骤(3)中反应温度为4~37℃,反应时间为6~24h。
一种负载有具有细胞外基质重建功能涂层的全降解封堵器,包括封堵器基底材料,并在其表面附着上述方法制备得到的具有细胞外基质重建功能的涂层。
进一步地,封堵器基底材料为全降解聚合物材料,包括但不限于左旋聚乳酸、聚己内酯、聚对二氧环己酮、聚乳酸-羟基乙酸共聚物等。
上述全降解封堵器在制备房间隔封堵器、室间隔封堵器、左心耳封堵器和卵圆孔未闭封堵器中的应用。
本发明的有益效果:
1、本发明通过喷涂法制备的微纳米丝胶原涂层与细胞外基质具有相似的微丝结构,有利于细胞的生长行为和功能表达,且喷涂法相较于静电纺丝操作更加简单、制备过程更加快速、对基底材料的选择性更广。
2、本发明制备的微纳米丝表面比表面积大,大大增加了胶原蛋白的附着位点,且通过掺入小分子羧基化合物提供了大量的羧酸官能团,弱碱处理后有利于其通过离子键、氢键等作用方式的与重组人源化I型/III型胶原蛋白结合,显著提高胶原蛋白的加载量和稳定性。
3、本发明中重组人源化I型/III型胶原蛋白均为通过计算机辅助筛选技术、肽合成、基因工程和发酵工程量身定制的重组蛋白,具有高生物活性、可设计性、低免疫原性、高水溶性和无病毒风险。重组人源化I型胶原蛋白具有高细胞粘附活性和良好的生物相容性,重组人源化III型胶原蛋白兼具高细胞粘附活性和抗凝血活性,二者在促进心脏缺损部位组织修复方面具有很大潜力。
4、本发明中重组人源化I型/III型胶原蛋白混合比例按照婴儿体内I型/III型胶原蛋白比例1:3,婴儿皮肤较成人具有显著提升的再生与修复能力,故该仿生涂层最大程度地模拟婴儿体内细胞外基质组成。
5、本发明通过喷涂法制备的微纳米丝胶原涂层以仿细胞外基质结构,通过浸涂法加载按比例混合的重组人源化I型/III型胶原蛋白以仿细胞外基质成分,双重仿生从而制备得到具有细胞外基质重建功能的全降解封堵器。微纳米丝负载重组人源化I型/III型胶原蛋白涂层的制备简单、快速且通用,适用于各种类型封堵器的表面修饰。该封堵器可有效促进内皮细胞和心肌细胞生长行为并调节炎症反应,完成快速原位内皮化,从而实现对心脏缺损部位的组织修复。
附图说明
图1为猪心肌细胞外基质和微纳米丝胶原涂层形貌对比图;其中,A图为猪心肌细胞外基质图;B图为本申请实施例3制得的微纳米丝胶原涂层形貌图;
图2为材料表面不同喷涂工艺制得的微纳米丝涂层形貌的对比图;其中,A图为实施例4制得的微纳米丝胶原涂层的电镜图;B图为实施例5制得的微纳米丝胶原涂层的电镜图;C图为实施例6制得的微纳米丝胶原涂层的电镜图;
图3为材料表面添加不同比例小分子羧基化合物制得的微纳米丝涂层对胶原蛋白加载量的统计分析图;
图4为材料表面未添加小分子羧基化合物的微纳米丝胶原涂层组和添加小分子羧基化合物的微纳米丝胶原涂层组胶原蛋白加载量对比图;其中,A图和B图均为未添加小分子羧基化合物制得的微纳米丝胶原涂层组的胶原蛋白加载量图;C和D均为添加小分子羧基化合物制得的微纳米丝胶原涂层组的胶原蛋白加载量图;
图5为材料表面无微纳米丝胶原涂层修饰对照组、未添加小分子羧基化合物微纳米丝胶原涂层组和添加小分子羧基化合物微纳米丝胶原涂层组内皮细胞生长结果对比图;其中,A图为无微纳米丝胶原涂层修饰对照组材料表面内皮细胞生长结果图;B图为未添加小分子羧基化合物微纳米丝胶原涂层组材料表面内皮细胞生长结果;C图为添加小分子羧基化合物微纳米丝胶原涂层组内皮细胞生长结果图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
一种具有细胞外基质重建功能的全降解封堵器,包括以下步骤:
(1)将全降解封堵器材料(聚对二氧环己酮)依次用酒精和去离子水超声清洗并用氮气吹干,将聚乳酸(150 mg/mL)溶解在氯仿中并通过喷涂机喷涂在全降解封堵器材料表面,制得微纳米丝涂层;
(2)将微纳米丝涂层材料浸泡在Tris缓冲溶液(10 mM, pH 8.5)中,于25 ℃条件下振摇1 h,用去离子水清洗材料3次;
(3)将羧基活化后的微纳米丝涂层材料浸泡在用去离子水配制的重组人源化I型/III型胶原蛋白的混合溶液(1:3,1 mg/mL,pH 7)中,于4 ℃条件下静置反应8 h,用去离子水清洗材料3次以除去吸附不牢的组分,氮气干燥后制得微纳米丝胶原涂层加载的目标封堵器材料。
实施例2
一种具有细胞外基质重建功能的全降解封堵器,包括以下步骤:
(1)将全降解封堵器材料(聚对二氧环己酮)依次用酒精和去离子水超声清洗并用氮气吹干,将聚乳酸(150 mg/mL)和月桂酸(1%)共同溶解在氯仿中并通过喷涂机喷涂在全降解封堵器材料表面,制得微纳米丝涂层;
(2)将微纳米丝涂层材料浸泡在Tris缓冲溶液(10 mM, pH 8.5)中,于25 ℃条件下振摇1 h,用去离子水清洗材料3次;
(3)将羧基活化后的微纳米丝涂层材料浸泡在用去离子水配制的重组人源化I型/III型胶原蛋白的混合溶液(1:3,1 mg/mL,pH 7)中,于4 ℃条件下静置反应8 h,用去离子水清洗材料3次以除去吸附不牢的组分,氮气干燥后制得微纳米丝胶原涂层加载的目标封堵器材料。
实施例3
一种具有细胞外基质重建功能的全降解封堵器,包括以下步骤:
(1)将全降解封堵器材料(聚对二氧环己酮)依次用酒精和去离子水超声清洗并用氮气吹干,将聚乳酸-羟基乙酸共聚物(150 mg/mL)和硬脂酸(1%)共同溶解在二氯甲烷中并通过喷涂机喷涂在全降解封堵器材料表面,制得微纳米丝涂层;
(2)将微纳米丝涂层材料浸泡在Tris缓冲溶液(10 mM, pH 8.5)中,于25 ℃条件下振摇2 h,用去离子水清洗材料3次;
(3)将羧基活化后的微纳米丝涂层材料浸泡在用去离子水配制的重组人源化I型/III型胶原蛋白的混合溶液(1:3,2 mg/mL,pH 7)中,于25 ℃条件下静置反应12 h,用去离子水清洗材料3次以除去吸附不牢的组分,氮气干燥后制得微纳米丝胶原涂层加载的目标封堵器材料。
实施例4
一种具有细胞外基质重建功能的全降解封堵器,包括以下步骤:
(1)将全降解封堵器材料(左旋聚乳酸)依次用酒精和去离子水超声清洗并用氮气吹干,将聚乳酸-羟基乙酸共聚物(125 mg/mL)和软脂酸(1.5%)共同溶解在二氯甲烷中并通过喷涂机喷涂在全降解封堵器材料表面,制得微纳米丝涂层;
(2)将微纳米丝涂层材料浸泡在Tris缓冲溶液(10 mM, pH 9)中,于25 ℃条件下振摇0.5 h,用去离子水清洗材料3次;
(3)将羧基活化后的微纳米丝涂层材料浸泡在用去离子水配制的重组人源化I型/III型胶原蛋白的混合溶液(1:3,2 mg/mL,pH 6)中,于4 ℃条件下静置反应24 h,用去离子水清洗材料3次以除去吸附不牢的组分,氮气干燥后制得微纳米丝胶原涂层加载的目标封堵器材料。
实施例5
一种具有细胞外基质重建功能的全降解封堵器,包括以下步骤:
(1)将全降解封堵器材料(左旋聚乳酸)依次用酒精和去离子水超声清洗并用氮气吹干,将聚乳酸-羟基乙酸共聚物(175 mg/mL)和软脂酸(1.5%)共同溶解在二氯甲烷中并通过喷涂机喷涂在全降解封堵器材料表面,制得微纳米丝涂层;
(2)将微纳米丝涂层材料浸泡在Tris缓冲溶液(10 mM, pH 9)中,于25 ℃条件下振摇4 h,用去离子水清洗材料3次;
(3)将羧基活化后的微纳米丝涂层材料浸泡在用去离子水配制的重组人源化I型/III型胶原蛋白的混合溶液(1:3,4 mg/mL,pH 8)中,于4 ℃条件下静置反应18 h,用去离子水清洗材料3次以除去吸附不牢的组分,氮气干燥后制得微纳米丝胶原涂层加载的目标封堵器材料。
实施例6
一种具有细胞外基质重建功能的全降解封堵器,包括以下步骤:
(1)将全降解封堵器材料(左旋聚乳酸)依次用酒精和去离子水超声清洗并用氮气吹干,将聚乳酸-羟基乙酸共聚物(175 mg/mL)和软脂酸(4%)共同溶解在二氯甲烷中并通过喷涂机喷涂在全降解封堵器材料表面,制得微纳米丝涂层;
(2)将微纳米丝涂层材料浸泡在Tris缓冲溶液(10 mM, pH 8.5)中,于25 ℃条件下振摇3 h,用去离子水清洗材料3次;
(3)将羧基活化后的微纳米丝涂层材料浸泡在用去离子水配制的重组人源化I型/III型胶原蛋白的混合溶液(1:3,2 mg/mL,pH 7.5)中,于25 ℃条件下静置反应12 h,用去离子水清洗材料3次以除去吸附不牢的组分,氮气干燥后制得微纳米丝胶原涂层加载的目标封堵器材料。
实验例1 微纳米丝形貌表征
将猪心肌脱细胞并冻干后制得猪心肌细胞外基质,在扫描电子显微镜下观察猪心肌细胞外基质与实施例3制得的微纳米丝胶原涂层材料的形貌。结果显示微纳米丝胶原涂层材料(图1中B图)表面分布着致密且均匀的微纳米丝结构,与猪心肌细胞外基质(图1中A图)结构相似。
实验例2 不同喷涂工艺对微纳米丝形貌的影响
将实施例4、实施例5和实施例6第一步喷涂制得的微纳米丝胶原涂层在扫描电子显微镜下观察。结果显示高分子聚合物不同浓度、小分子羧基化合物不同添加比例喷涂时得到的微纳米丝结构有较明显差异。相比于低的聚合物浓度(图2中A图,实施例4),较高的聚合物浓度(图2中B图,实施例5)成丝更加均匀且致密,比表面积更大;添加低剂量的小分子羧基化合物(图2中B图)不会影响微纳米丝结构,但其添加比例过高(图2中C图,实施例6)会降低高分子聚合物的成丝效果,微纳米丝的密度和强度均下降。
实验例3 小分子羧基化合物对胶原蛋白加载的影响
将高分子聚合物和不同比例(0%、0.5%、1%、1.5%、2%)的小分子羧基化合物共溶并喷涂在全降解封堵器材料表面制得不同的微纳米丝胶原涂层,涂层弱碱化后浸泡在重组人源化I型/III型胶原蛋白的混合溶液中加载胶原。通过BCA蛋白浓度测定试剂盒测定微纳米丝胶原涂层中重组人源化胶原蛋白的加载量。结果显示随着小分子羧基化合物添加比例的增加,微纳米丝对胶原蛋白的加载量先升高后降低(图3,图中柱状图从左至右依次为添加量为0%、0.5%、1%、1.5%、2%的小分子羧基化合物)。表明小分子羧基化合物可通过大量羧基与胶原蛋白的氨基相互作用,提高微纳米丝对重组人源化胶原蛋白的加载量;但小分子羧基化合物比例过高会降低成丝效果,使胶原蛋白的加载量反而降低。
实验例4 胶原蛋白加载的定性分析
用异硫氰酸荧光素(绿色)标记的重组人源化I型胶原蛋白和罗丹明(红色)标记的重组人源化III型胶原蛋白的混合溶液代替实施例1和实施例2中的混合胶原溶液,按照同样的方法分别制得荧光标记的未添加小分子羧基化合物和添加小分子羧基化合物的微纳米丝胶原涂层材料,通过在激光共聚焦显微镜下观察涂层表面荧光强弱来表征胶原蛋白加载情况。结果显示未添加小分子羧基化合物涂层组(图4中A图和B图)表面绿色和红色荧光均明显弱于添加小分子羧基化合物涂层组(图4中C图和D图),表明掺杂的小分子羧基化合物可以显著提高重组人源化胶原蛋白在微纳米丝表面的加载量。
实验例5 内皮细胞增殖实验
将人脐静脉内皮细胞分别种植在实施例1、实施例2制得的微纳米丝胶原涂层材料与表面未修饰涂层的对照材料表面,在37 ℃、5% CO2条件下静置孵育3天,用PBS清洗材料表面,细胞经二乙酸荧光素染色后,通过倒置荧光显微镜观察材料表面细胞生长情况。结果显示内皮细胞在未经涂层处理的对照材料表面(图5中A图)呈类圆形铺展,而在微纳米丝胶原涂层表面(图5中B图和C图)细胞数量增殖更多,且细胞形态呈沿丝铺展的细长型,其中添加小分子羧基化合物涂层组(图5中C图)表面内皮细胞增殖数量和形态更优于未添加小分子羧基化合物的涂层组(图5中B图)。
可以看到,微纳米丝胶原涂层组细胞细长的形态可能影响细胞迁移和相关功能蛋白的表达,表明微纳米丝胶原涂层材料可促进内皮细胞的生长行为,其中,小分子羧基化合物的添加进一步提高了具有高细胞粘附活性的重组人源化胶原蛋白的加载量和稳定性,更有利于内皮细胞的生长。
综上,本发明通过喷涂法制备微纳米丝涂层仿细胞外基质结构,通过浸涂法加载混合的重组人源化I型/III型胶原蛋白仿细胞外基质成分,双重仿生从而制备得到具有细胞外基质重建功能的全降解封堵器。该封堵器可有效促进内皮细胞和心肌细胞生长行为并调节炎症反应,完成快速原位内皮化,从而实现对心脏缺损部位的组织修复。
最后应说明的是,以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照实例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种具有细胞外基质重建功能的涂层的制备方法,其特征在于,将高分子聚合物和小分子羧基化合物混合溶解后进行羧基活化,然后再与重组人源化蛋白混合溶液反应,完成涂层的制备;
具体过程如下:
(1)将高分子聚合物和小分子羧基化合物混合后溶解,然后喷涂形成微纳米丝涂层;
(2)将微纳米丝涂层置于碱性溶液中活化羧基;
(3)将活化后的微纳米丝涂层置于重组人源化蛋白混合溶液中反应,完成涂层制备;
其中,高分子聚合物在溶液中的浓度为50~250mg/mL,小分子羧基化合物在溶液中的质量分数为0~5%。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,高分子聚合物包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物和聚己内酯中的至少一种;其浓度为75~200mg/mL。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,小分子羧基化合物包括脂溶性羧酸、月桂酸、豆蔻酸、软脂酸、硬脂酸和花生酸中的至少一种;其在溶液中的质量分数为0.1~4%。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,溶解高分子聚合物和小分子羧基化合物的有机溶剂为二氯甲烷、氯仿、丙酮、乙醇、甲醇或甲苯。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,采用pH为7~9的弱碱性溶液进行羧基活化;所述弱碱性溶液为Tris缓冲液,浸泡时间为0.5~4 h。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,重组人源化蛋白混合溶液浓度为0.5~4mg/mL,pH为5~8,其包括重量比为1:3的重组人源化I型胶原蛋白和重组人源化III型胶原蛋白。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中反应温度为4~37℃,反应时间为6~24h。
8.一种负载有具有细胞外基质重建功能涂层的全降解封堵器,其特征在于,包括封堵器基底材料,并在其表面附着权利要求1~7任一项所述方法制备得到的具有细胞外基质重建功能的涂层。
9.权利要求8所述的全降解封堵器在制备房间隔封堵器、室间隔封堵器、左心耳封堵器和卵圆孔未闭封堵器中的应用。
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