一种表面具有各向异性纳米拓扑结构的组织工程移植物构建方法技术

一种表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程移植物构建方法，通过静电纺丝技术与微纳加工

【技术实现步骤摘要】
一种表面具有各向异性纳米拓扑结构的组织工程移植物构建方法


[0001]本专利技术属于组织工程和再生医学可植入人体中的医用生物材料与制备领域，具体涉及一种用于可修复组织损伤的表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程支架或者内壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑几何结构的组织工程导管的制备方法。
技术背景
[0002]肌肉萎缩[1]、神经退行性[2]以及心血管疾病[3]等组织器官损伤问题严重威胁着人类的健康。因此，有效的组织器官损伤修复和再生是临床上亟待解决的问题。近年来，组织工程技术在组织损伤修复中发挥着越来越大的作用。将组织工程移植物植入体内，可以修复损伤或取代功能衰竭的组织器官。组织工程技术主要包括三个关键因素：生物材料、种子细胞和生长因子。其中生物材料作为种子细胞和生长因子的载体，是组成组织损伤修复微环境的主要结构。与其他的组织工程材料一样，组织工程移植物将生物材料、种子细胞、生长因子结合起来为组织再生提供良好的微环境。合格的组织工程移植物应模拟天然细胞外基质，促进损伤部位的愈合。然而目前临床上所应用的组织工程移植物促进细胞或组织生长的能力有限，难以调控细胞或组织的取向性生长及长距离缺损组织再生的问题。因此，需要对移植物进一步进行改性以提高其促进组织再生的能力。
[0003]越来越多的研究发现，除了材料自身及其化学成分会调控细胞生长和组织再生外，材料表面物理形貌特征(如拓扑结构等)也会对细胞和组织再生起到调控作用。移植物表面拓扑化可以提供有利于细胞生长的地形以促进细胞粘附、增殖、定向分化和迁移。天然的生理组织如肌肉等具有几何特征在空间上规律性排布的拓扑结构，其空间大小、阵列排布与其生理功能密切相关。Park等人制备了微拓扑结构来研究细胞的生物学行为，发现细胞可以感知微尺度曲率，从而抑制其细胞粘附和增殖[4]。特定的微拓扑结构限制了组织内细胞的生长和铺展的形状及面积，而组织内拓扑结构尺寸的区别，可能是调控细胞生物学行为的关键因素之一。Gu等人利用一种纳米纤维支架材料模拟天然细胞外基质，纳米纤维的表面粗糙性也提高了软骨细胞的附着和增殖，促进软骨再生[5]。细胞极化对细胞行为和组织功能具有重要的影响。Liu等人制备的微米/纳米级基底凹槽阵列通过空间约束和粘附诱导，引导细胞极化，其中微米级拓扑结构仅激活伪足的形成而使细胞极化，而纳米级凹槽则通过激活RhoA/ROCK途径以增强基于肌球蛋白的细胞内力从而抑制了染色质凝聚，促进了干细胞的成骨分化[6]。上述研究表明，纳米级拓扑结构信号能够更好的调控细胞的生物学行为和命运，从而促进组织再生。
[0004]各种物理化学加工方法例如微模塑、3D打印等能够制备支架材料表面的微米拓扑结构，而纳米拓扑结构则难以通过上述方式制备。通过将压印技术和软光刻技术相结合形成的纳米光刻压印技术可以制备出纳米尺寸图案，然而高昂的成本和对操作环境的严格要求限制了其发展和应用。静电纺丝出的纳米纤维因为能够模拟组织的细胞外基质微环境而引起广泛的关注，然而传统静电纺丝方法制备的纳米纤维支架存在着其孔隙率通常比天然
的细胞外基质小的问题。并且常规静电纺丝制备出的纳米纤维为二维组织工程支架，需要通过人工卷曲成三维纳米组织工程导管。这种制备方法可重复性差，过程较为繁琐，且接合处会对导管内表面结构造成一定破坏，极大的限制了该技术在大规模制备纳米纤维微图案方面的应用。
[0005]为解决上述问题，本专利技术采用静电纺丝技术和微纳加工
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模塑法相结合，首先制备出了具有各向异性高度取向长距离连续纳米结构的模具，然后利用模具制备出一种有利于细胞粘附和取向生长的具有各向异性长距离连续纳米结构的组织工程移植物。该移植物制备方法简单，容易实现，纳米拓扑结构制备重复性好，尺寸可控，并且该种移植物可以更好的促进长距离缺损组织再生。所制备的弹性印章可重复利用，且成本低廉，适合大规模批量生产和制造。
[0006][1]N.R.W.Martin,K.Aguilar
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Agon,G.P.Robinson,D.J.Player,M.C.Turner,S.D.Myers,M.P.Lewis,Hypoxia Impairs Muscle Function and Reduces Myotube Size in Tissue Engineered Skeletal Muscle,J Cell Biochem 118(9)(2017)2599
‑
2605.
[0007][2]W.H.Chooi,S.Y.Chew,Modulation of cell
‑
cell interactions for neural tissue engineering:Potential therapeutic applications of cell adhesion molecules in nerve regeneration,Biomaterials 197(2019)327
‑
344.
[0008][3]J.V.Serbo,S.Gerecht,Vascular tissue engineering:biodegradable scaffold platforms to promote angiogenesis,Stem Cell Res Ther 4(2013).
[0009][4]J.Y.Park,D.H.Lee,E.J.Lee,S.H.Lee,Study of cellular behaviors on concave and convex microstructures fabricated from elastic PDMS membranes,Lab on a Chip 9(14)(2009)2043
‑
2049.
[0010][5]G.Cheng,J.H.Dai,J.W.Dai,H.Wang,S.Chen,Y.H.Liu,X.Y.Liu,X.R.Li,X.Zhou,H.B.Deng,Z.Li,Extracellular matrix imitation utilizing nanofibers
‑
embedded biomimetic scaffolds for facilitating cartilage regeneration,Chem Eng J 410(2021).
[0011][6]W.Liu,Q.Sun,Z.L.Zheng,Y.T.Gao,G.Y.Zhu,Q.Wei,J.Z.Xu,Z.M.Li,C.S.Zhao,Topographic Cues Guiding Cell Polarization via Distinct Cellular Mechanosensing Pathways,Small 18(2)(2022).

技术实现思路

[0012]本专利技术所要解决的技术问题：根据现有研究，人工组织工程移植物表面的纳米拓扑结构对于细胞的粘附、生长、迁移具有重要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程移植物构建方法，其特征是，通过静电纺丝技术与微纳加工
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模塑法相结合来制备；1)采用静电纺丝技术将天然或合成生物材料溶液平行电纺到可旋转的圆筒状金属箔片上，在圆筒状金属箔片上获得有取向性平行排列的单层纳米级纤维薄膜；2)将圆筒状金属箔片摊开直接作为二维平面模具或金属箔片卷曲成纳米纤维在内壁的管状结构作为模具，将PDMS聚二甲基硅氧烷浇筑到二维平面模具上或导管模具内，采用微模塑技术待聚二甲基硅氧烷固化成型后剥离金属箔片；3)将固化成型后的PDMS表面的纳米纤维溶解掉，获得表面或外壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑图形的PDMS平面或圆柱状轴心弹性印章即平面PDMS模具；4)表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的二维组织工程支架的制备：将平面PDMS模具有拓扑结构的一面朝上，然后将配置好的生物材料溶液浇铸到模具表面，进一步采用冷冻干燥、溶剂挥发或水凝胶技术使生物材料溶液成型，然后将模具剥离后制备获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的二维组织工程支架；5)内壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程导管的制备：以圆柱状弹性印章为模具轴心，在外加同心圆形外套管，封闭其中一端，在模具轴心和外套管之间加入生物材料溶液，进一步采用冷冻干燥、溶剂挥发或水凝胶技术使生物材料溶液成型，然后将模具剥离后制备获得内壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程导管。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)所使用的天然或合成生物材料为壳聚糖、丝素蛋白、胶原、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸
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乙醇酸)天然或合成高分子材料中的一种或几种混合，且材料不与PDMS溶液互溶；所述电纺的接收端为滚筒装置，电压参数范围为10
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30kV，电纺时间为1
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60min，滚筒转速为500
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6000rpm，电纺推进速度为0.05
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1mL/h；所制备纤维直径为20
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800nm，长度为1
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100mm，且纳米纤维为单层平行分布。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中所用金属箔片是钛箔、铝箔、锡箔或不锈钢箔片，箔片厚度为20
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500μm，箔片表面光滑，粗糙度1
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5nm。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中二维金属箔片上的纳米纤维朝上分布放置，卷成管状的金属箔...

【专利技术属性】
技术研发人员：李贵才，郑田田，吴林良，王晓路，孙韶兰，管文超，黄然，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：