一种应激活性组织工程支架材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种应激活性组织工程支架材料及其制备方法，属于生物医用材料领域。

背景技术：

组织工程是近三十年来发展起来的新兴交叉学科领域，其中最基本的思路是在体外分离、培养细胞接种到具有一定空间结构的支架上，通过细胞之间的相互黏附、生长增殖、分泌细胞外基质，从而形成具有一定结构和功能的组织和器官，这一定空间结构的支架统称为组织工程支架，如皮肤、骨、软骨、肌腱、韧带等。作为组织工程支架需要满足四个条件，适合细胞黏附生长的生物相容性材料、提供细胞生长的孔隙结构、与新生组织相适应的降解特性、满足组织工程支架的结构与力学性能。从支架材料在组织修复或重建的过程目前任局限在占位性替代修复或占位性重建为主，为组织生长提供了物理空间与基质环境、不能像活体组织一样随生理负荷、电磁作用或生化刺激而做出相应反应，即不具备生物反应性，而生物反应对新组织的生长速度、生物活性的建立及与基体组织的愈合等具有重要意义。因此，开发具有仿生生理负荷响应、电磁效应的生物反应性材料成为目前人体组织修复材料的主要发展趋势。

人体中许多组织是天然的压电体，如：皮肤、骨、软骨、肌腱、韧带等，压电效应源于组织中的胶原成分，通过完成机械能和电能的相互转换，可维持组织的正常生理活动和新陈代谢，有利于组织的塑形、改建和功能维持，组织因压电效应产生的极化电荷可促进组织生长和愈合。这种压电效应从生物学角度来说就是生物的应激活性。由于人体组织的压电即应激活性特性在组织重建以及修复过程中的关键作用，必将为组织工程支架材料的设计与构建提供了一种新的思路。

聚偏氟乙烯是具有最好压电特性的高分子材料之一，同时具备良好的柔韧性、可加工性以及生物相容性，将具有压电特性的聚偏氟乙烯复合于现有组织工程材料中成为赋予组织工程支架材料压电性能的有效方法。但聚偏氟乙烯依据其加工条件及处理的过程的不同可获得α,β，γ,δ，ε五种晶相，五种晶相之间也可以在不同加工条件及处理的过程种相互转化，不同的晶相具有不同的特性，只有β晶相具有压电特性，而聚偏氟乙烯只有在高压电场极化或机械牵伸的条件下才可以获得。寻找一种即能获得β晶相的聚偏氟乙烯，又能使β晶相的聚偏氟乙烯均匀分散于组织工程支架材料中获得一种具有应激活性组织工程支架材料及其制备方法，成为本发明的出发点。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明的目的是要解决现有组织工程支架材料存在的缺陷，提供一种具有应激活性的组织工程支架材料及其制备方法。实现本发明的技术方案是：

一种应激活性组织工程支架材料，所述应激活性组织工程支架材料是由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体，经酯化处理得到的海绵体结构的应激活性组织工程支架材料，其中丝素蛋白与聚乙烯醇质量比为1/9～1/1，聚偏氟乙烯纳米纤维与聚乙烯醇的质量比为1/99～5/95。

所述的聚偏氟乙烯纳米纤维为直径50nm-1000nm，长度为5000nm-100000nm。

所述的丝素蛋白为蚕丝脱胶后粉碎得到的直径小于500nm的粉体状丝素蛋白，或蚕丝脱胶后，经过溶解，透析，冷冻干燥得到的丝素蛋白。

一种应激活性组织工程支架材料的制备方法，包括聚偏氟乙烯纳米纤维膜的制备、丝素蛋白溶液或丝素蛋白粉体分散液及聚乙烯醇溶液的配制，其特征在于，所述制备方法按以下步骤进行：

a.取直径为50nm-1000nm的聚偏氟乙烯纳米纤维膜切割、粉碎在水中超声分散后得到的直径50nm-1000nm，长度为5000nm-100000nm的质量浓度为5wt％～20wt％聚偏氟乙烯纳米纤维分散液。

b.取配置好的聚偏氟乙烯纳米纤维分散液、丝素蛋白溶液或丝素蛋白粉体分散液与聚乙烯醇溶液相混合得到均匀稳定的混合悬浮液，其中聚偏氟乙烯与聚乙烯醇的质量比为1/99～5/95，丝素蛋白与聚乙烯醇的质量比为5/95～50/50，聚偏氟乙烯、丝素蛋白与聚乙烯醇的总溶质质量浓度为5wt％～20wt％。

c.将步骤b制备的均匀稳定的混合悬浮液于浇铸模具中，冷冻凝固，脱模，冷冻干燥，得到由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体。

d.聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体气相酯化处理

将步骤c得到的由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体于80℃，饱和顺丁烯二酸酐蒸汽、体积百分比1％-5％为HCl蒸汽的密封气氛中酯化交联2-4小时后，取出海绵体于120℃烘箱中热处理15-30min，获得由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体结构的应激活性组织工程支架材料。

由于采用以上技术方案，本发明应激活性组织工程支架材料在植入人体后能将人体运动对组织工程支架材料产生的压缩、牵伸等物理刺激由压电效应转换为极化电荷，极化电荷将促进组织生长及与基体组织之间的愈合，实现利用物理刺激来促进组织的重建、加速康复过程。聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇的均匀多孔海绵体具有良好的生物相容性及均匀的孔隙结构为组织细胞的黏附生长提供了良好的基质条件。本发明应激活性组织工程材料是以水为溶剂的聚偏氟乙烯纳米纤维分散液、丝素蛋白溶液或丝素蛋白粉体分散液及聚乙烯醇溶液混合，消除现有部分组织工程材料制备过程中需要有机溶剂来溶解，由于有机溶剂无法完全除去，残存的有机溶剂对细胞培养、繁殖是有较强的毒性，造成细胞培养、繁殖的后期死亡严重。不需要有机溶剂的组织工程材料的制备进一步提高了组织工程材料的生物相容性。本发明应激活性组织工程材料以聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白及聚乙烯醇为材料，其中聚偏氟乙烯纳米纤维具有良好的压电效应及生物相容性，聚乙烯醇是一种生物相容性好的合成材料，天然材料丝素蛋白进一步提高、并保证了组织工程支架材料的生物相容性，特别是丝素粉体保留了天然生物材料细胞发育的基质条件，三种材料的复合及工艺的控制使其成为具有应激活性的组织工程支架材料。

本发明的组织工程支架的制备方法，由于是以聚偏氟乙烯纳米纤维分散液、丝素蛋白溶液或丝素蛋白粉体分散液与聚乙烯醇溶液混合，经浇铸模具、冷冻凝固、脱模、冷冻干燥得到的均匀多孔海绵体状材料，可以方便的通过改变混合物中浓度来调节组织工程材料中孔隙的大小。所得的多孔海绵体再经过顺丁烯二酸酐的气相酯化处理，使应激活性组织工程材料中的丝素蛋白或丝素蛋白粉体复合聚乙烯醇不溶入水，随气相酯化处理时间的延长不仅可以使丝素蛋白或丝素蛋白粉体复合聚乙烯醇不溶入水保持稳定的孔隙结构，可进一步调控丝素蛋白或丝素蛋白粉体复合聚乙烯醇的降解速度。本发明的应激活性组织工程支架材料制备方法简单、操作方便、成本低廉，对制备过程具有良好的可控性，本应激活性组织工程支架材料可以适用于加工多种组织及多种形状的组织工程支架。

附图说明

图1为组织工程支架材料表面形貌电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

见附图。

一种应激活性组织工程支架材料，所述组织工程支架材料是由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体，经酯化处理得到的海绵体结构的应激活性组织工程支架材料，其中丝素蛋白与聚乙烯醇质量比为1/9～1/1，聚偏氟乙烯纳米纤维与聚乙烯醇的质量比为1/99～5/95。

所述的聚偏氟乙烯纳米纤维为直径50nm-1000nm，长度为5000nm-100000nm。

所述的丝素蛋白为蚕丝脱胶后粉碎得到的直径小于500nm的粉体状丝素蛋白，或蚕丝脱胶后，经过溶解，透析，冷冻干燥得到的丝素蛋白。

一种应激活性组织工程支架材料的制备方法，包括聚偏氟乙烯纳米纤维膜的制备、丝素蛋白溶液或丝素蛋白粉体分散液及聚乙烯醇溶液的配制，其特征在于，所述制备方法按以下步骤进行：

a.取直径为50nm-1000nm的聚偏氟乙烯纳米纤维膜切割、粉碎在水中超声分散后得到的直径50nm-1000nm，长度为5000nm-100000nm的质量浓度为5wt％～20wt％聚偏氟乙烯纳米纤维分散液。

b.取配置好的聚偏氟乙烯纳米纤维分散液、丝素蛋白溶液或丝素蛋白粉体分散液与聚乙烯醇溶液相混合得到均匀稳定的混合悬浮液，其中聚偏氟乙烯与聚乙烯醇的质量比为1/99～5/95，丝素蛋白与聚乙烯醇的质量比为5/95～50/50，聚偏氟乙烯、丝素蛋白与聚乙烯醇的总溶质质量浓度为5wt％～20wt％。

c.将步骤b制备的均匀稳定的混合悬浮液于浇铸模具中，冷冻凝固，脱模，冷冻干燥，得到由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体。

d.聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体气相酯化处理

将步骤c得到的由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体于80℃，饱和顺丁烯二酸酐蒸汽、体积百分比1％-5％为HCl蒸汽的密封气氛中酯化交联2-4小时后，取出海绵体于120℃烘箱中热处理15-30min，获得由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体结构的应激活性组织工程支架材料。

如上所述的制备步骤b中丝素蛋白溶液或丝素蛋白粉体分散液，是蚕丝脱胶后，经过溶解，透析，冷冻干燥得到的丝素蛋白分散入水中，磁搅拌直至完全溶解得到稳定的丝素蛋白溶液，或蚕丝脱胶后粉碎得到的直径小于500nm的粉体状丝素蛋白分散于水中，超声分散得到丝素粉体的分散液，丝素蛋白溶液的质量浓度为5wt％～20wt％；分散液的丝素蛋白粉体的质量浓度为5wt％～20wt％；配制聚乙烯醇(PVA)溶液时以水为溶剂，并在80℃下磁搅拌。

丝素蛋白粉体可以为桑蚕丝或榨蚕丝脱胶后，通过机械粉碎的方法制备得到，丝素蛋白粉体的微结构与基质特征没有改变；丝素蛋白可以为桑蚕丝或榨蚕丝脱胶后，经过溶解，透析，冷冻干燥得到。

下面结合实施例对本发明作进一步的阐述：

实施例一

a.取直径为50nm的聚偏氟乙烯纳米纤维膜切割、粉碎在水中超声分散后得到的直径50nm，长度为5000nm-100000nm的质量浓度为5wt％聚偏氟乙烯纳米纤维分散液；

b.将质量浓度为5wt％的聚偏氟乙烯纳米纤维分散液，质量浓度为5wt％的丝素蛋白水溶液及质量浓度为5wt％的聚乙烯醇水溶液相混合得到均匀稳定的混合悬浮液，其中聚偏氟乙烯与聚乙烯醇的质量比为1/99，丝素蛋白与聚乙烯醇的质量比为5/95，聚偏氟乙烯、丝素蛋白与聚乙烯醇的总溶质质量浓度为5wt％。

c.将步骤b制备的均匀稳定的混合悬浮液于浇铸模具中，冷冻凝固，脱模，冷冻干燥，得到由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体。

d.聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体气相酯化处理

将步骤c得到的由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体于80℃，饱和顺丁烯二酸酐蒸汽、体积百分比1％为HCl蒸汽的密封气氛中酯化交联2小时后，取出海绵体于120℃烘箱中热处理15min，获得由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体结构的应激活性组织工程支架材料。

实施例二

a.取直径为500nm的聚偏氟乙烯纳米纤维膜切割、粉碎在水中超声分散后得到的直径500nm，长度为50000nm的质量浓度为10wt％聚偏氟乙烯纳米纤维分散液。

b.将质量浓度为10wt％的聚偏氟乙烯纳米纤维分散液，质量浓度为10wt％的丝素蛋白水溶液及质量浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液相混合得到均匀稳定的混合悬浮液，其中聚偏氟乙烯与聚乙烯醇的质量比为3/97，丝素蛋白与聚乙烯醇的质量比为20/80，聚偏氟乙烯、丝素蛋白与聚乙烯醇的总溶质质量浓度为10wt％。

c.将步骤b制备的均匀稳定的混合悬浮液于浇铸模具中，冷冻凝固，脱模，冷冻干燥，得到由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体。

d.聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体气相酯化处理

将步骤c得到的由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体于80℃，饱和顺丁烯二酸酐蒸汽、体积百分比3％为HCl蒸汽的密封气氛中酯化交联3小时后，取出海绵体于120℃烘箱中热处理20min，获得由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体结构的应激活性组织工程支架材料。

实施例三

a.取直径为1000nm的聚偏氟乙烯纳米纤维膜切割、粉碎在水中超声分散后得到的直径1000nm，长度为100000nm的质量浓度为20wt％聚偏氟乙烯纳米纤维分散液。

b.将质量浓度为20wt％的聚偏氟乙烯纳米纤维分散液，质量浓度为15wt％的丝素蛋白粉体分散液及质量浓度为20wt％的聚乙烯醇水溶液相混合得到均匀稳定的混合悬浮液，其中聚偏氟乙烯与聚乙烯醇的质量比为5/95，丝素蛋白与聚乙烯醇的质量比为50/50，聚偏氟乙烯、丝素蛋白与聚乙烯醇的总溶质质量浓度为20wt％。

c.将步骤b制备的均匀稳定的混合悬浮液于浇铸模具中，冷冻凝固，脱模，冷冻干燥，得到由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体。

d.聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体气相酯化处理

将步骤c得到的由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体于80℃，饱和顺丁烯二酸酐蒸汽、体积百分比5％为HCl蒸汽的密封气氛中酯化交联4小时后，取出海绵体于120℃烘箱中热处理30min，获得由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体结构的应激活性组织工程支架材料。

实施例四

a.取直径为800nm的聚偏氟乙烯纳米纤维膜切割、粉碎在水中超声分散后得到的直径800nm，长度为80000nm的质量浓度为15wt％聚偏氟乙烯纳米纤维分散液。

b.将质量浓度为15wt％的聚偏氟乙烯纳米纤维分散液，质量浓度为20wt％的丝素蛋白粉体分散液及质量浓度为5wt％的聚乙烯醇水溶液相混合得到均匀稳定的混合悬浮液，其中聚偏氟乙烯与聚乙烯醇的质量比为5/95，丝素蛋白与聚乙烯醇的质量比为1/1，聚偏氟乙烯、丝素蛋白与聚乙烯醇的总溶质质量浓度为5wt％。

c.将步骤b制备的均匀稳定的混合悬浮液于浇铸模具中，冷冻凝固，脱模，冷冻干燥，得到由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体。

d.聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体气相酯化处理

将步骤c得到的由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体于80℃，饱和顺丁烯二酸酐蒸汽、体积百分比4％为HCl蒸汽的密封气氛中酯化交联3小时后，取出海绵体于120℃烘箱中热处理25min，获得由聚偏氟乙烯纳米纤维、丝素蛋白与聚乙烯醇组成的海绵体结构的应激活性组织工程支架材料。