一种磁响应的人工骨膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种磁响应的人工骨膜及其制备方法和应用，包括在所述人工骨膜长度方向上两端的磁驱动层和置于所述磁驱动层之间的拉伸层；磁驱动层由负载有磁性纳米颗粒的甲基丙烯酸明胶光交联形成的水凝胶构成；拉伸层由甲基丙烯酸脱细胞骨膜基质与甲基丙烯酸明胶复合后光交联形成的水凝胶构成。本发明专利技术的人工骨膜接近天然骨膜生物微环境和特异性结构，不仅有着天然的骨相似的三维网络结构，有利于细胞的粘附和生长；而且具有磁响应能力，通过外加磁场让人工骨膜产生应变，模拟天然骨膜的弹性，并且具有骨传导和骨诱导作用，有利于修复受损组织，促进骨的再生。本发明专利技术的人工骨膜可通过外部的机械刺激实现了对骨的修复及再生，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种磁响应的人工骨膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及组织工程材料
，特别的涉及一种磁响应的人工骨膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]骨缺损是骨科临床的常见疾病，可由创伤、感染及肿瘤等多种因素引起，尽管人类骨骼系统具有自我更新的能力，但不愈合骨折仍然是一个重大的临床挑战。目前，临床常用的治疗方法是骨移植，即利用骨支架填充骨缺损，并诱导骨再生。骨是仅次于血液的第二种最常见的移植组织。美国每年进行100多万例骨移植，预计到2026年这一数字将增加到150万例。而我国骨科植入医疗器械市场仍有空缺，市场规模逐年上涨。但骨支架植入后，其修复过程基本是一种被动的连接和填充过程，缺少对缺损环境的主动感知。部分支架虽辅以外源性细胞因子，能够起到一定的促进血管新生及骨再生的作用，但仍旧难以模拟体内骨重建过程，因而没有获得令人满意的治疗效果。
[0003]过去人们过于关注骨缺损本身，而忽视了骨膜的重要性。骨膜是被包裹在除关节以外几乎所有皮质骨外面的高度血管化的的致密结缔组织膜。天然骨膜由两部分构成，外层是富含丰富血管神经和胶原蛋白的纤维层；内层是富含成骨细胞具有促骨生长作用的形成层。此外，骨膜能够感受骨上的力学变化，并随着应力的改变发生相应的变化。施加在骨膜上的机械应力最终将转化为细胞反应，细胞可以通过整合素、钙粘蛋白和生长因子受体等感知外部机械刺激，并且成骨细胞沿着张力分解的方向重新排列，在机械刺激的作用下，骨膜还可以诱导BMP信号通路和各种细胞因子的基因表达变化，共同促进成骨细胞的分化和成骨。有研究表明骨损伤后，骨膜的力学性质发生变化，骨膜面积收缩约50％。在损伤后24到48小时内可以检测到骨膜反应，骨膜内的细胞迅速增殖并分泌细胞因子和招募宿主细胞并刺激血管生成和骨生成。然而，目前的人工骨膜没有考虑这种外部的机械刺激对骨的修复及再生的影响。磁响应生物材料是一种有潜力的材料，可以在移植后远程非侵入性促动，可以在体外和体内实现细胞刺激，进而控制细胞生物学行为，如体外血管生成等。整合素附着的磁性颗粒和内化颗粒的操作已被证明可诱导人成骨细胞和间充质干细胞中的细胞内钙信号传导。
[0004]脱细胞骨膜基质(decellularized periosteum matrix,dPEM)及脱细胞骨膜基质凝胶也是一种有潜力的材料。它去除了免疫原性，并且保留了ECM的空间结构和大量的细胞外信号分子。但是脱细胞骨膜支架由于其密集的胶原纤维网络而具有较低的细胞通透性。而脱细胞骨膜基质凝胶则改善了这一缺点，因为水凝胶具有高含水量，因此它们常作为细胞递送和包封的载体。脱细胞骨膜基质凝胶不仅具有天然ECM的生物化学线索和特异性结构及微环境，还表现出高度可调的机械性能，生物活性和生物降解性。脱细胞骨膜基质凝胶中的特定成分可以通过促进M1型巨噬细胞向M2型转化来减少炎症并加速组织修复。然而单纯的脱细胞基质凝胶力学性能较弱，限制了其在骨修复中的使用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的上述不足，本专利技术的目的在于提供了一种磁响应人工骨膜及其制备方法和应用，通过外加磁场远程非侵入性在体外或体内对人工骨膜施加机械应力，实现对人工骨膜上的细胞刺激，模拟天然骨膜的力学环境，解决目前人工骨膜成骨能力不足等问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种磁响应的人工骨膜，包括设置在所述人工骨膜长度方向两端的磁驱动层和置于所述磁驱动层之间的拉伸层；若磁驱动层和拉伸层在长度方向呈层状结构分布，一方面，受力和拉伸不均匀，另一方面，由于磁驱动层过长，不能为整个磁驱动层提供均匀的磁场；所述磁驱动层由负载磁性纳米颗粒的甲基丙烯酸明胶溶液光交联形成的水凝胶构成；所述拉伸层由甲基丙烯酸脱细胞骨膜基质溶液与甲基丙烯酸明胶溶液复合后光交联形成的水凝胶构成。这样，用甲基丙烯酸酐修饰明胶，可以将丙烯酸酯基团接枝到明胶中的胶原蛋白上，使其在具有不饱和键。合成的甲基丙烯酰基明胶(GelMA)可以在光引发剂存在下进行光交联，在紫外光照射下形成三维结构。鉴于dPEM含有较多的胶原，使用能够与胶原上的羟基反应的甲基丙烯酸酐将甲基丙烯酸酯基团接枝到dPEM上形成dPEMMA。所得的dPEMMA通过光交联后的水凝胶与dPEM凝胶相比具有更好的力学强度、快速凝胶化等特点，并且也有报道称，高密度的甲基丙烯酸基可以对并入的细胞具有保护作用。将dPEMMA与GelMA混合能调整其力学性能，具有更好的成形性。
[0007]作为优选的，所述人工骨膜在长度方向呈矩形状或哑铃型。这样，具有圆弧过渡和较大圆角半径的哑铃型在进行拉伸时候，可以降低应力集中，可以使应力均匀的分布在材料上，受力更均匀，有利于后续细胞均匀受力。
[0008]作为优选的，所述磁驱动层的长度为0.1～1mm；所述拉伸层的长度为0.1～1mm；所述人工骨膜的厚度为0.1～1mm。
[0009]作为优选的，所述磁性纳米颗粒为四氧化三铁纳米颗粒，所述四氧化三铁纳米颗粒的粒径为10nm～50nm。
[0010]本专利技术的另一个目的还在于，提供了一种上述磁响应的人工骨膜的制备方法，包括以下步骤：
[0011]1)将磁性纳米颗粒分散在含有甲基丙烯酸明胶的PBS溶液中，再加入光引发剂，得到磁驱动层前体溶液；
[0012]2)将含有甲基丙烯酸脱细胞骨膜基质的PBS溶液与甲基丙烯酸明胶溶液混合均匀，再加入光引发剂，得到拉伸层前体溶液；
[0013]3)将步骤1)得到的磁驱动层前体溶液滴入自制模具中，然后在所述模具上方盖上玻璃片，再在拉伸层上方盖上掩膜板，紫外光照射成胶，去除残余溶液，即得到粘附有磁驱动层的玻璃片；
[0014]4)将步骤2)得到的拉伸层前体溶液滴入步骤3)中自制模具中，然后盖上粘附有磁驱动层的玻璃片，使磁驱动层置于模具的两端，紫外光照射成胶，即得到所述的磁响应的人工骨膜。
[0015]作为优选的，步骤1)中所述甲基丙烯酸明胶、磁性纳米颗粒和光引发剂质量比为10～20:1～5:0.05～1；步骤2)中所述甲基丙烯酸明胶、甲基丙烯酸脱细胞骨膜基质和光引
发剂质量比为10～20:1～5:0.05～1。
[0016]作为优选的，所述的光引发剂为Irgacure 2925或LAP；所述紫外光的波长为250～370nm，紫外光的灯功率为10～50W，紫外光的照射时间1～15min。
[0017]作为优选的，所述甲基丙烯酸脱细胞骨膜基质采用以下步骤制得：将脱细胞后的骨膜粉碎后，加入冰醋酸溶解的胃蛋白酶溶液，持续搅拌直至溶解，调节pH到8～9，逐滴加入甲基丙烯酸酐并在冰浴条件下磁力搅拌4～8小时，透析冷冻干燥后即得到甲基丙烯酸脱细胞骨膜基质。
[0018]作为优选的，所述脱细胞后的骨膜与甲基丙烯酸酐的质量体积比为1g：2～8mL。
[0019]本专利技术的另一个目的还在于，提供了上述磁响应的人工骨膜或上述方法制备的磁响应的人工骨膜在制备骨组织再生修复材料中的应用。
[0020]相比现有技术，本专利技术具有如下有益本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁响应的人工骨膜，其特征在于，包括设置在所述人工骨膜长度方向上两端的磁驱动层和置于所述磁驱动层之间的拉伸层；所述磁驱动层由负载有磁性纳米颗粒的甲基丙烯酸明胶溶液光交联形成的水凝胶构成；所述拉伸层由甲基丙烯酸脱细胞骨膜基质溶液与甲基丙烯酸明胶溶液复合后光交联形成的水凝胶构成。2.根据权利要求1所述磁响应的人工骨膜，其特征在于，所述人工骨膜在长度方向呈矩形状或哑铃型。3.根据权利要求1所述磁响应的人工骨膜，其特征在于，所述磁驱动层的长度为0.1～1mm；所述拉伸层的长度为0.1～1mm；所述人工骨膜的厚度为0.1～1mm。4.根据权利要求1所述磁响应的人工骨膜，其特征在于，所述磁性纳米颗粒为四氧化三铁纳米颗粒，所述四氧化三铁纳米颗粒的粒径为10nm～50nm。5.一种如权利要求1～4任一项所述磁响应的人工骨膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将磁性纳米颗粒分散在含有甲基丙烯酸明胶的PBS溶液中，再加入光引发剂，得到磁驱动层前体溶液；2)将含有甲基丙烯酸脱细胞骨膜基质的PBS溶液与甲基丙烯酸明胶溶液混合均匀，再加入光引发剂，得到拉伸层前体溶液；3)将步骤1)得到的磁驱动层前体溶液滴入自制模具中，然后在所述模具上方盖上玻璃片，再在拉伸层上方盖上掩膜板，紫外光照射成胶后，去除残余溶液，即得到粘附有磁驱动层的玻璃片；4)将步骤2)得到的拉伸层前体溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国宝，董刚立，夏斌，陈忠敏，王富平，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：