CN104027846A - 一种非织造材料增强组织工程复合三维支架及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非织造材料增强组织工程复合三维支架及其制备方法，其由非织造材料增强材料和天然生物材料冻干支架组成。制备步骤为(1)利用非织造技术将纤维制备成非织造材料；(2)用配制好的天然生物材料水溶液将非织造材料浸没；(3)通过冷冻干燥的技术去除水分；(4)利用交联剂浸泡交联天然生物材料，即得非织造材料增强的三维组织工程复合支架。本发明操作简单，稳定性高，全程不涉及有机溶剂，绿色安全，制备的三维组织工程复合支架力学性能良好，该支架中非织造材料中的纤维与天然生物材料部分紧密结合，有效的提高了其结构稳定性，增强了其机械性能。
Description
技术领域
本发明属于组织工程和生物制造技术领域，特别涉及一种非织造材料增强组织工程复合三维支架及其制备方法。
背景技术
组织工程三要素之一即为三维支架材料的制备。引入合适的支架材料和三维结构是促进细胞沿所需方向分化形成组织从而修复创伤的一个重要因素。三维多孔的细胞支架不仅为细胞的黏附提供支撑，同时为营养物质的输送和代谢废物的排出创造必要的条件，它的形态和结构直接影响所构成组织的形态和功能。
天然生物材料，如明胶、胶原、丝素、多糖类物质等，是从植物或动物组织或代谢物中提取的天然物质，具有生物相容性、生物降解性等诸多优点，可以促进细胞的黏附、增殖、分化等，在组织工程领域是优先选用的材料。迄今，研究人员将这些天然材料加工成了多种形态的支架材料应用于组织工程领域，如静电纺纳米纤维、浇筑膜、水凝胶、冻干海绵等，在骨和软骨、皮肤、血管、神经导管、肌腱韧带等组织修复中得到了广泛应用。其中冷冻干燥技术因可以制备出三维多孔结构的支架而备受关注。
中国专利CN102580163A，马列等人公布了一种一次冻干制备交联的胶原/壳聚糖组织工程多孔支架的方法，制备的胶原/壳聚糖多孔支架具有力学性能可控、降解速率适宜、生物相容性好等优点。中国专利CN102973984A，王松公布了一种复合材料多空支架的制备方法与应用。利用冻干技术制备了丝素/胶原蛋白/壳聚糖复合三维多孔支架材料，该支架空隙率达到98％以上，且孔径分布在50-400微米之间，微孔之间互通。然而冷冻干燥的支架机械性能相对较弱，在使用过程中易损坏。
非织造材料是由杂乱排列的纤维通过自身粘结缠绕而形成的纤维毡结构。非织造材料因其方便加工、成本低等得到广泛应用，尤其是在新型敷料领域。中国专利CN202116824U，李健全公布了一种非织造布和医用敷料，利用纤维素纤维制备的医用敷料改善了其与人体接触的舒适度。非织造材料具有较高的空隙率，纤维随机排布所形成均匀的三维通孔结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架材料及其制备方法，非织造材料与天然生物材料冻干支架相复合，可以提高支架的结构稳定性，增加其机械强度。
本发明的一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架，由纤维制备而成的非织造材料增强材料和天然生物材料冻干支架组成。具有同细胞外基质类似的三维结构，非织造材料增强材具备大孔结构，孔隙率为93％。
所述纤维为生物相容性材料，优选的，生物相容性材料是生物可降解材料。
所述纤维为蚕丝纤维、再生胶原纤维、壳聚糖纤维、黏胶纤维、聚乳酸纤维等生物可降解纤维中的一种或几种；纤维直径为5-50微米，纤维长度为20-200毫米。
所述非织造增强材料的面密度为20-1000克/平方米，厚度为1-15毫米；非织造增强材料所用方法为针刺或水刺。
所述天然生物材料为明胶、再生丝素、胶原、壳聚糖中的一种或几种。
所述支架的孔径为20-500微米。
本发明的一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架的制备方法，其包括下述步骤：
(1)利用非织造技术将纤维制备成非织造材料；
(2)用配制好的天然生物材料水溶液将非织造材料浸没；
(3)通过冷冻干燥去除水分：-20至-80℃冷冻12-48h，随后干燥12-48h；
(4)利用交联剂交联天然生物材料，洗涤，再次冷冻干燥，即得非织造材料增强的三维组织工程复合支架。
上述步骤(2)所述的天然生物材料水溶液的浓度为0.5-20毫克/毫升。
上述步骤(4)所述的交联剂是1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)、京尼平、乙醇中的一种或几种。
上述步骤(4)所述的交联时间为12-168h。
上述步骤(2)所述的天然生物材料水溶液中可以加入药物、生长因子或无机纳米颗粒等活性物质的水溶液。
其中，药物是庆大霉素、四环素等抗菌类药物，或抗炎症类药物，或紫杉醇等抗癌症类药物。
生长因子是如下任意一种骨形态发生蛋白：BMP-1、BMP-2、BMP-3、BMP-7、BMP-14；或者所述生长因子为如下任意一种转化生长因子：TGF-α、TGF-β。
无机纳米颗粒为纳米羟基磷灰石、纳米生物玻璃等纳米颗粒，其特征在于无机纳米颗粒直径为30-500纳米，无机纳米颗粒与蛋白质固体质量比为1∶10-1∶0.5。
有益效果
本发明通过将非织造技术与冷冻干燥技术结合在一起，形成三维多孔的组织工程复合支架，该复合支架具有较好的结构稳定性，与单纯的非织造材料或冻干支架相比，其拉伸和压缩强力皆有大幅提升。
本发明采用具有较好生物相容性和生物可降解性的材料，尤其是可以采用纯天然材料，全程不涉及有机溶剂或其它有害物质，制备出的支架具有优良的生物相容性且安全可靠。
本发明还在支架中引入药物、生长因子、无机纳米颗粒等活性物质，可进一步改善三维支架材料的生物相容性和力学性能，促进组织的再生。
本发明制备简单、加工方便，利用该发明制备的非织造材料增强的复合支架可以应用于大块组织缺损修复、骨组织再生、医用敷料、术后填充材料等生物医学领域。
附图说明
图1是一种用于骨组织修复的三维支架材料的制备流程图；
图2是实施例1中再生胶原短纤非织造材料复合的明胶三维支架材料的照片；
图3是实施例2中再生胶原短纤非织造材料复合的明胶/丝素三维支架材料的SEM图像；
图4是实施例2中再生胶原短纤非织造材料复合的明胶/丝素三维支架材料的SEM图像；
图5是实施例2中加入纳米羟基磷灰石颗粒的再生胶原短纤非织造材料复合的明胶/丝素三维支架材料的SEM图像。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将再生胶原短纤经过梳理铺网、针刺加固，制备成面密度为500克/平方米，厚度为5毫米的非织造材料。将A型鱼皮明胶溶于去离子水，配置成浓度为2％和5％的明胶溶液。将再生胶原非织造材料裁成指定大小放入塑料模具中，在模具中注入明胶溶液，使其完全浸没非织造材料。将模具放置于-20度冰箱中冷冻12小时，随后利用冷冻干燥机冻干。利用EDC/NHS的酒精溶液交联明胶，交联时间为12小时，随后用去离子水洗涤去除EDC/NHS，再次冷冻干燥，即得再生胶原短纤非织造材料复合的明胶三维支架材料(图2)。
实施例2
将再生胶原短纤经过梳理铺网、针刺加固，制备成面密度为500克/平方米，厚度为5毫米的非织造材料。将0.2克A型猪皮明胶和0.2克家蚕丝再生丝素溶于10毫升去离子水中，60度加热搅拌2小时使明胶和丝素完全溶解，得到浓度为4％、明胶/丝素质量比为1∶1的明胶/丝素溶液。量取5毫升明胶、丝素溶液，向其中加入0.05克纳米羟基磷灰石颗粒，直径为80-120纳米，超声震荡使其分散均匀，得到纳米羟基磷灰石/明胶/丝素溶液，其中各组分质量比为1/2/2。将再生胶原非织造材料裁成指定大小放入塑料模具中，在模具中注入上述两种溶液，使其完全浸没非织造材料。立即将模具放置于-80度冰箱中冷冻12小时，随后利用冷冻干燥机冻干，干燥时间为48小时。利用EDC/NHS的酒精溶液交联明胶与丝素，交联时间为12小时，随后用去离子水洗涤去除EDC/NHS，再次冷冻干燥，即得再生胶原短纤非织造材料复合的明胶/丝素三维支架材料(图3，图4)，以及复合纳米羟基磷灰石颗粒的支架材料(图5)。
实施例3
将脱胶后的蚕丝切断得蚕丝短纤，经过梳理铺网、水刺加固，制备成面密度为50克/平方米、厚度为2毫米的蚕丝非织造材料。将0.5克家蚕丝再生丝素溶液溶于10毫升去离子水中，搅拌是其完全溶解，得浓度为5％的丝素溶液。将蚕丝非织造材料裁成指定大小放入塑料模具中，在模具中注入丝素溶液，使其完全浸没非织造材料。将模具放置于-80度冰箱中冷冻12小时，随后利用冷冻干燥机干燥，干燥时间为48小时。利用95％的酒精水溶液浸泡交联丝素，交联时间为2小时，再次冷冻干燥去除酒精和水，即得蚕丝短纤非织造材料复合的丝素三维支架材料。
Claims (10)
1.一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架，其特征在于：由纤维制备而成的非织造材料增强材料和天然生物材料冻干支架组成。
2.根据权利要求1所述的一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架，其特征在于：所述纤维为生物相容性材料。
3.根据权利要求1所述的一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架，其特征在于：所述纤维为蚕丝纤维、再生胶原纤维、壳聚糖纤维、黏胶纤维、聚乳酸纤维中的一种或几种；纤维直径为5-50微米，纤维长度为20-200毫米。
4.根据权利要求1所述的一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架，其特征在于：所述非织造增强材料的面密度为20-1000克/平方米，厚度为1-15毫米；非织造增强材料所用方法为针刺或水刺。
5.根据权利要求1所述的一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架，其特征在于：所述天然生物材料为明胶、再生丝素、胶原、壳聚糖中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架，其特征在于：所述支架的孔径为20-500微米。
7.一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架的制备方法，其包括下述步骤：
(1)利用非织造技术将纤维制备成非织造材料；
(2)用配制好的天然生物材料水溶液将非织造材料浸没；
(3)通过冷冻干燥去除水分：-20至-80℃冷冻12-48h，随后干燥12-48h；
(4)利用交联剂交联天然生物材料，洗涤，再次冷冻干燥，即得非织造材料增强的三维组织工程复合支架。
8.根据权利要求7所述的一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的天然生物材料水溶液的浓度为0.5-20毫克/毫升。
9.根据权利要求7所述的一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的交联剂是1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺、京尼平、乙醇中的一种或几种。
10.根据权利要求7所述的一种非织造材料增强的三维组织工程复合支架的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的交联方法为浸泡交联，交联时间为12-18h。
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