一种微纳米等级结构仿生支架及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种微米‑纳米级等级结构仿生支架，通过运用自组装胶原蛋白纳米纤维和生物活性玻璃纳米颗粒分别从微米级丝素蛋白多孔支架的孔隙内和骨架中对支架进行强化，建立了内外双重强化的微纳米等级结构仿生支架，且通过实验发现，本申请得到的仿生支架不仅具有很好的力学性能，且胶原蛋白纳米纤维、生物活性玻璃及丝素蛋白三种组分得到了稳定的整合，能够通过其自身的仿生结构更好地促进干细胞的成骨。

A kind of biomimetic scaffold with micro nano structure and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种微纳米等级结构仿生支架及其制备方法
本专利技术涉及生物医药领域，尤其涉及一种微纳米等级结构仿生支架及其制备方法。
技术介绍
目前，关于促进骨再生的生物支架的构建，主要围绕两种基本策略：即在支架中添加活性成分或调控支架的结构形态。随着生物活性因子合成技术和干细胞治疗技术的进步，生物材料支架依靠添加生物活性因子、无机盐以及具有再生能力的干细胞，可获得良好的骨再生效果。然而，由于外源性生物活性成分的应用，导致了诸如再生不受控制、潜在的癌症风险等问题。相对的，结构因素促进成骨尽管得到了部分研究，但其促成骨效果的不确切，且促成骨机制未知，仍难以堪用。天然骨组织由纤维胶原相和羟基磷灰石按照复杂的顺序堆叠在纤维中，表现出极强的机械稳定性和再生能力。当骨折发生后，新生骨的形成始于肉芽组织的浸润和骨痂的形成，这些组织不仅提供了临时固定效果，同时也提供了下一步修复所需的营养和钙质。此后，机体自身的干细胞分泌产生细胞外基质网络，丰富的纳米纤维基质网络充当细胞-基质的相互作用的基础以及羟基磷灰石沉积的模板。最后，这些纳米纤维网络的进一步矿化和重构，同时，支持组织逐渐降解。可见，人类骨骼的自然愈合过程是一个高度协调和层次化的过程。与人工支架相比，由微米级支持组织和纳米纤维基质网络组成的骨折修复复合体可以通过其特有的微纳米结构促进骨再生。受到这种自然过程的启发，模拟人体骨骼的自然修复过程，通过支架本身的微观结构促进骨再生，是目前研究的重点。胶原蛋白作为天然骨有机相中最丰富的蛋白质，以其优越的生物学性能在骨仿生重建中得到了广泛的报道。然而，目前构建胶原蛋白仿生细胞外基质网络结构的材料学方法较为单一，如电纺支架和自组装水凝胶，制得的支架力学性能差，应用受到限制。另一方面，丝素蛋白(SF)多孔支架作为骨组织工程支架的传统原材料之一，无法像细胞外基质那样提供仿生微环境。有学者尝试在丝素蛋白中添加无机盐如羟基磷灰石(HA)、生物活性玻璃(BG)可使支架具有良好的骨传导性和力学性能，这种增强效应与无机成分中的钙离子与丝素中丰富的羧基和羟基之间的离子键有关。但是，添加无机盐无法改变这种材料与细胞的相互作用模式。因此，提供一种不仅力学性能好而且生物活性高的仿生支架具有重要意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供了一种微纳米等级结构仿生支架及其制备方法，本专利技术提供的仿生支架不仅力学性能好，而且生物活性高。本专利技术提供了一种微纳米等级结构的仿生支架，通过运用自组装胶原蛋白纳米纤维和生物活性玻璃纳米颗粒对微米级丝素蛋白多孔支架进行强化而得到。本专利技术还提供了一种微纳米等级结构仿生支架的制备方法，包括：1)将生物活性玻璃纳米颗粒与丝素蛋白溶液混合并进行超声振荡，在加入甘油并进行预冻后通过冷冻干燥得到生物活性玻璃纳米颗粒强化的丝素蛋白多孔支架；2)将胶原蛋白溶液滴到步骤1)制备得到的生物活性玻璃纳米颗粒强化的丝素蛋白多孔支架上并置于合适环境下进行自组装，得到促进成骨的仿生支架。优选的，所述丝素蛋白溶液浓度为4～8％，更优选为6％。优选的，所述丝素蛋白与生物活性玻璃纳米颗粒的质量比为(15～30)∶1。优选的，所述步骤1)中还加入甘油进行反应，丝素蛋白与甘油的质量比为1∶(0.2～0.3)。优选的，所述生物活性玻璃纳米颗粒按照以下方法制备得到：在Tris-HCl缓冲溶液中，以十六烷基溴化氨为模板剂，加入钙源、磷源和硅源反应，得到生物活性玻璃纳米颗粒。优选的，所述自组装的温度为35～40℃。优选的，所述胶原溶液按照以下方法制备得到：将I型胶原溶解于0.05～0.2M乙酸溶液中得到含胶原的溶液，随后在冰浴下用十倍浓度的磷酸盐缓冲液稀释含胶原的溶液，逐滴添加NaOH水溶液调节pH至7.0，得到待自组装的胶原溶液。与现有技术相比，本专利技术提供了一种微纳米等级结构仿生支架，通过运用自组装胶原蛋白纳米纤维和生物活性玻璃纳米颗粒对微米级丝素蛋白多孔支架进行强化而得到；本专利技术建立了内外双重强化的微纳米等级结构仿生支架，且通过实验发现，本专利技术得到的仿生支架不仅具有很好的力学性能，且胶原蛋白纳米纤维、生物活性玻璃及丝素蛋白三种组分得到了稳定的整合，能够通过其自身的仿生结构更好地促进干细胞的成骨。附图说明图1为仿生支架的构建示意图；图2为仿生支架的形态和组成结构示意图；图3为得到的仿生支架的结构示意图、丝素蛋白，胶原纤维和生物玻璃颗粒之间相互作用的放大图示以及相应的SEM视图；图4支架力学性能和促矿化能力表征图；图5为仿生支架的细胞粘附和增殖测定结果；图6为仿生支架粘附模式和整合素表达的表征；图7微纳米等级仿生结构促成骨的机制研究结果；图8为实施例得到的仿生支架在体内的性能评估结果；图9为骨缺损模型的组织学分析。具体实施方式本专利技术提供了一种微纳米等级结构仿生支架，通过运用自组装胶原蛋白纳米纤维和生物活性玻璃纳米颗粒对微米级丝素蛋白多孔支架进行强化而得到。其中，所述胶原蛋白优选为I型胶原蛋白；所述微米级丝素蛋白与生物活性玻璃纳米颗粒的质量比优选为(15～30)∶1，更优选为(20～25)∶1；本专利技术对胶原蛋白的用量没有特殊要求，本领域技术人员可以根据本领域公知常识选择合适的用量。通过研究发现，本申请得到的微纳米等级结构仿生支架通过生物玻璃增强微孔支架和纳米胶原网络的协调，建立了用层次结构加强的骨因子-干细胞-释放支架，实现了丝素蛋白，胶原纳米纤维和生物玻璃纳米粒子之间的活性相互作用，并赋予其优异的力学性能和促矿化活性，促进祖细胞的细胞粘附、扩散和成骨分化。本专利技术提供了一种微纳米等级结构仿生支架的制备方法，包括：1)将生物活性玻璃纳米颗粒与丝纤维蛋白溶液混合并进行超声振荡，在进行预冻后通过冷冻干燥得到生物活性玻璃纳米颗粒强化的丝素蛋白多孔支架；2)将胶原蛋白溶液滴到步骤1)制备得到的生物活性玻璃纳米颗粒强化的丝素蛋白多孔支架上并置于合适环境下进行自组装，得到微纳米等级结构仿生支架。按照本专利技术，本专利技术将生物活性玻璃纳米颗粒与丝素蛋白溶液混合超声反应，得到生物活性玻璃纳米颗粒强化的丝蛋白多孔支架；其中，所述丝纤维蛋白溶液的质量浓度优选为4～8w/w％，更优选为6～7w/w％；所述丝纤维蛋白与生物活性玻璃纳米颗粒的质量比优选为(15～30)∶1，更优选为20∶1；本专利技术中，为了使所述步骤1)中还加入甘油进行反应，得到生物活性玻璃纳米颗粒强化的丝蛋白多孔支架；其中，所述丝素蛋白与甘油的质量比优选为1∶(0.2～0.3)，更优选为1∶0.25；所述超声反应的温度为室温反应；所述超声反应的时间为0.5～2小时，优选为1～1.5小时；所述超声反应完毕后，还包括将得到的产物进行冷冻干燥，得到生物活性玻璃纳米颗粒强化的丝素蛋白多孔支架。本专利技术中，所述丝素蛋白溶液按照以下方法制备得到：将丝素蛋白在碱性水溶液中煮沸、清洗，得到脱胶丝的丝素蛋白；然本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微纳米等级结构仿生支架，通过运用自组装胶原蛋白纳米纤维和生物活性玻璃纳米颗粒对微米级丝素蛋白多孔支架进行强化而得到。/n

【技术特征摘要】
1.一种微纳米等级结构仿生支架，通过运用自组装胶原蛋白纳米纤维和生物活性玻璃纳米颗粒对微米级丝素蛋白多孔支架进行强化而得到。


2.根据权利要求1所述为微纳米等级结构仿生支架，其特征在于，所述微米级丝素蛋白与生物活性玻璃纳米颗粒的质量比为(15～30)∶1。


3.根据权利要求1所述的纳米等级结构仿生支架，其特征在于，所述微米级丝素蛋白与生物活性玻璃纳米颗粒的质量比为(20～25)∶1。


4.一种微纳米等级结构仿生支架的制备方法，包括：
1)将生物活性玻璃纳米颗粒与丝纤维蛋白溶液混合并进行超声振荡，在进行预冻后通过冷冻干燥得到生物活性玻璃纳米颗粒强化的丝素蛋白多孔支架；
2)将胶原蛋白溶液滴到步骤1)制备得到的生物活性玻璃纳米颗粒强化的丝素蛋白多孔支架上进行自组装，得到微纳米等级结构仿生支架。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述丝素蛋白溶液按照以下方法制备得到：
将生丝在碱性水溶液中煮沸、清洗，得到脱去丝胶的丝纤维；
将脱去丝胶的丝纤维溶解于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亮，顾勇，唐锦程，毛剑楠，吴亮，崔文国，
申请(专利权)人：苏州大学附属第一医院，
类型：发明
国别省市：江苏;32