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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Continuous complementary double gradient nanofiber biomimetic scaffold, preparation method and application thereof

【技术实现步骤摘要】
连续互补双梯度纳米纤维仿生支架、其制备方法及应用
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术至少具有以下优点：(1)本专利技术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)本专利技术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专利技术结构特征和技术要点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。图1为本专利技术实施例中连续互补双梯度纳米纤维仿生支架的照片。图2为本专利技术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分别为本专利技术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，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。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。本专利技术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，且不限于此本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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/n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。/n

【技术特征摘要】
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；优选的，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200nm～5μm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5～20mm；
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。


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8～12kV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0.1～0.2mL/h；和/或，所述环形电极的直径为2～4cm；和/或，所述喷嘴与接收装置之间的距离为10～15cm；和/或，静电纺丝接收时间为2～10min。


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；优选的，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴建武，庄燕，李晓然，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32