专利名称：一种纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的制备与应用的制作方法
技术领域：
本发明属于组织工程领域，涉及一种胶原基质，特别涉及一种纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的制备与应用。
背景技术：
胶原(collagen)是细胞外基质的主要成分，也是人体中含量最丰富的一种结构蛋白，约占机体总蛋白的25% 35%，主要存在于结缔组织中。因为含有高含量的胶原蛋白，结缔组织具有一定的结构与机械力学性质，如张力强度、拉力、弹力等以达到支撑、保护的功倉泛。胶原具有良好的生物相容性、营养性、修复性、保湿性、配伍性和亲和性，所以被广泛应用于生物医学材料、化妆品、食品及保健品等功能性产品。胶原蛋白具有美容(防皱、保 湿、美白、减肥、丰胸)、预防骨质疏松、改善关节健康、改善血液循环、健胃、提高人体免疫力等功效。皮肤是人体最大的器官，约占人体重量的16%，由表及里可依次分为表皮层、真皮层以及皮下组织三个部分。真皮层是一种致密的结缔组织，厚约O. 6 3_，主要是由胶原、弹性蛋白、以及蛋白多糖等物质构成。真皮层对皮肤的弹性和机械完整性具有重要作用。由于各种各样的损伤造成的皮肤真皮层的缺损，使得组织中的胶原也大量流失，因此以胶原为原料制备各种伤口敷料和组织工程皮肤引起了人们的极大关注。已经商品化的人工皮肤Integra、Apligraft等都含有胶原成分。基础研究表明为创面提供合适的湿润环境有利于伤口的愈合。研究还表明人工皮肤具有类似天然皮肤的机械性能，可以促进伤口的愈合。因此新型基质应该具有和人体皮肤类似的机械性能，同时又可以保持创面的湿润。纯胶原基质具有生物相容性好、易加工、可塑形并能促进细胞吸附、增殖等优点，但也存在力学性能差，含水时难以塑形，无法支撑组织重建等不足。基础研究表明胶原基质为创面提供合适的湿润环境有利于伤口的愈合。研究还表明胶原基质具有类似天然皮肤的机械性能，可以促进伤口的愈合。因此新型基质应该具有和人体皮肤类似的机械性能，同时又可以保持创面的湿润。纯胶原基质制备的组织工程皮肤具有生物相容性好、易加工、可塑形并能促进细胞吸附、增殖等优点，但也存在力学性能差，含水时难以塑形，无法支撑组织重建等不足。日常生活中胶原的老化是皮肤出现皱纹的主要原因，胶原的补充对改善老化皮肤机能方面有着不可替代的作用。目前，补充胶原的方式主要有口服、透皮和注射三种，其中口服主要通过食品途径摄入以保健品为主，在美容上面膜是透皮使用，注射主要用于高端美容。面膜以涂覆和贴敷为主，其中涂覆的胶原持续时间短，贴敷使用的主要有纯胶原膜和复合胶原膜。由于纯胶原膜成本较高，因此寻找性能优异成本低的复合胶原膜显得尤为重要。近年来，用具有再生能力的材料增强复合物的机械强度引起了人们的极大关注，特别是纳米微晶纤维素(cellulose nanocrystals, CNCs),因为具有可再生性、生物降解性和显著的机械性能而成为研究的热点。CNCs —般是由天然纤维素通过化学、生物、物理等方法制备的。CNCs既具有纤维素的基本结构与性能又具有纳米微粒的一些特性，同时又具有很多优异的性能如生物可降解性、高结晶度、高强度、高亲水性、高模量、超精细结构、无毒性等，在生物医用领域具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的制备方法。将胶原与纳米微晶纤维素两种天然有机高分子材料进行复合，不仅能增强材料的强度和生物活性，还可以充分发挥生物纳米效应，有效地弥补纯胶原在应用上的局限性。本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法制备得到的纳米微晶纤维素增强胶原复合基质。本发明的再一目的在于提供上述纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的应用。 本发明的目的通过下述技术方案实现一种纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的制备方法，包括如下步骤(I)以纤维素为原料通过硫酸水解法制备纳米微晶纤维素。(2)配制质量浓度为1% 10%的纳米微晶纤维素溶液和质量浓度为1% 10%的胶原溶液。(3)将上述纳米微晶纤维素溶液和胶原溶液配制成纳米微晶纤维素与胶原质量比^ 1:10的纳米微晶纤维素/胶原混合溶液，将纳米微晶纤维素/胶原混合溶液倒入模具中，成型后即得到纳米微晶纤维素增强胶原复合基质。步骤(I)中所述的纤维素为植物纤维素或微生物纤维素。步骤(I)中所述的硫酸水解法的条件优选为将5 15g纤维素加入到90 150mL浓硫酸中进行反应，然后加入去离子水终止反应，冷却后超声分散，再透析至pH稳定(PH7. O左右)，干燥后即得到纳米微晶纤维素。所述的硫酸优选为质量浓度为35% 64%的硫酸；所述的反应优选为45 50°C恒温水浴下机械搅拌反应4 6h ;所述的去离子水的量优选为800 IOOOmL ;所述的超声分散的条件优选为25 35kHz超声分散30min ;所述的透析优选为使用去离子水透析；所述的干燥优选为冷冻干燥，其条件优选为在-10 _20°C下冷冻过夜，然后放入冻干机中冻干12 24小时。步骤(2)中所述的纳米微晶纤维素溶液和胶原溶液均优选使用乙酸溶液为溶剂进行配制；所述的乙酸溶液的质量浓度优选为O. 3% 1%。步骤(2)中所述的纳米微晶纤维素溶液的质量浓度优选为1% 3%。步骤(2)中所述的胶原溶液的质量浓度优选为1% 3%。步骤(3)中所述的混匀优选为通过机械搅拌I 3h混匀。步骤(3)中所述的模具的材质优选为玻璃、不锈钢、耐溶剂塑料或聚四氟乙烯。步骤(3)中所述的成型的方法优选为溶剂蒸发法或冷冻干燥法；所述的溶剂蒸发法优选为使用30 40°C的烘箱进行蒸发，所述的冷冻干燥法的条件优选为在-10 -20°C下冷冻过夜，然后放入冻干机中冻干12 24小时。一种纳米微晶纤维素增强胶原复合基质通过上述制备方法制备得到。
上述纳米微晶纤维素增强胶原复合基质能够更好地促进伤口的愈合，可应用于伤口敷料、组织诱导再生膜、软组织补片、组织工程皮肤及面膜等领域。本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果(I)本发明所制备的纳米微晶纤维素增强胶原复合基质，其突出特点是采用纳米微晶纤维素增强胶原基质，制备复合基质，通过改变纳米微晶纤维素的质量百分比和成型方法，可以得到具有特定机械强度、宏观结构(三维支架、膜)和微结构(孔径、孔隙率等)的复合基质；(2)溶胀性能测试表明纳米微晶纤维素增强胶原复合基质具有优异的液体吸收能力，吸水率高达500% ;机械性能测试表明该复合基质的机械强度与纯胶原支架相比有显著 的提高(30%);细胞实验结果表明该复合基质能够有效地促进成纤维细胞的粘附和增殖，具有良好的细胞相容性。(3)本发明制备工艺简单，材料来源广泛，生产效率高，适合于不同需求的纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的工业生产。
图I是5wt%CNCs增强胶原复合膜的宏观形貌图。图2是5wt%CNCs增强胶原复合膜的扫描电镜图,a为表面的扫描电镜图，b为断面形貌的扫描电镜图。图3是10wt%CNCs增强胶原复合支架的宏观形貌图。图4是10wt%CNCs增强胶原复合支架的扫描电镜图，a为表面的扫描电镜图，b为断面形貌的扫描电镜图。图5是不同百分比CNCs增强胶原复合膜溶胀性能曲线图。图6是不同百分比CNCs增强胶原复合膜的应力-应变图。图7是成纤维细胞(3T3)在5wt%CNCs增强胶原复合膜上培养3天的后的SEM图。图8是不用材质模具制备的复合膜扫描电镜图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例I将15g棉花纤维素加入到150mL 64%w/w的浓硫酸中，在45°C的恒温水浴中，机械搅拌反应6小时，加入800mL去离子水终止反应，冷却后超声(35kHz)分散30min，去离子水透析3天后，在_20°C下冷冻过夜，然后放入冻干机中冻干12小时即制得纳米微晶纤维素(cellulose nanocrystals, CNCs)。使用质量浓度为O. 3%的醋酸溶液为溶剂配制质量浓度均为1%的CNCs溶液和胶原溶液；取O. 5g上述CNCs溶液滴入到9. 5g上述胶原溶液中，机械搅拌2小时得到CNCs溶液含量为5%w/w的CNCs/胶原混合溶液，然后将混合液倒入聚四氟乙烯模具中，放入35°C的烘箱，溶剂蒸发成型后即制得5wt%CNCs增强胶原复合膜。该CNCs增强胶原复合膜的宏观形貌图如图I所示，其表面及断面形貌的扫描电镜图如图2所
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实施例2将市售细菌纤维素用清水多次冲洗，除去膜表面培养基及杂质，再将膜浸泡于O. 5mol/L的NaOH溶液，90°C煮20min或以上，冷却，放置在去离子水中反复浸泡至中性，冷冻干燥后得到细菌纤维素固体。取5g干燥的细菌纤维素，加入到IOOmL质量百分比35%的硫酸中，50 V恒温水浴反应4小时，加入800mL去离子水终止反应，冷却后超声(35kHz)分散30min，去离子水透析3天，干燥后即得到纳米微晶纤维素(cellulosenanocrystals, CNCs)。使用质量浓度为1%的醋酸溶液为溶剂配制质量浓度均为3%的CNCs溶液和胶原溶液；取Ig上述CNCs溶液滴入到9g上述胶原溶液中，机械搅拌2小时得到CNCs溶液含量为10%w/w的CNCs/胶原混合溶液，然后把混合液加入到不锈钢模具中，-10°C冷冻过夜，然后放入冻干机中冻干36h，得到10wt%CNCs增强胶原复合支架。该CNCs增强胶原复合支架的宏观形貌图如图3所不,其表面及断面形貌的扫描电镜图如图4所不。实施例3
采取实施例I中硫酸降解棉花纤维素的方法制得纳米微晶纤维素(cellulosenanocrystals, CNCs)。用质量浓度为O. 5%的醋酸溶液为溶剂配制质量浓度均为2%的CNCs溶液和胶原溶液；分别取不同体积的上述CNCs溶液滴入到上述胶原溶液中，机械搅拌2小时得到CNCs溶液含量分别为1 丨％、3被％、5被％、7被％和10wt%的CNCs/胶原混合溶液，然后将混合液倒入聚四氟乙烯模具中，放入40°C的烘箱，溶剂蒸发成型后即制得lwt%、3wt%、5被％、7被％和10wt%CNCs增强胶原复合膜。采用称重法测定复合膜的溶胀率，结果如图5所示。采用力学强度试验机(Instr0n5543)，每组5个平行样，测定复合膜的应力-应变曲线，结果如图6所示。将上述一系列CNCs增强胶原复合膜采用75%乙醇消毒，放在超净台上晾干，然后放入24孔板中加入ImL培养基过夜，第二天将培养基吸去，每孔加入5 X IO4成纤维细胞(3T3)，加入培养基培养1、3、5、7天后考察3T3细胞在不同膜上的粘附和增殖行为，结果表明CNCs增强的胶原复合膜能够有效地促进成纤维细胞的粘附和增殖，具有良好的细胞相容性。图7是3T3成纤维细胞在5wt%CNCs增强胶原复合膜表面培养3天的后的SEM图。实施例4采取实施例I中硫酸降解棉花纤维素的方法制得纳米微晶纤维素(cellulosenanocrystals, CNCs)。用质量浓度为0. 3%的醋酸溶液为溶剂配制质量浓度均为1%的CNCs溶液和胶原溶液；取0. 3mL上述CNCs溶液滴入到9. 7mL上述胶原溶液中，机械搅拌2小时，得到CNCs溶液含量为3%的CNCs/胶原混合溶液，然后将混合液倒入不同材质的模具中，放入30°C的烘箱，溶剂蒸发成型后即制得3wt%CNCs增强胶原复合膜。通过电镜观察(图8表示不同材质模具制备的复合膜扫描电镜图，a聚四氟乙烯模具、b玻璃模具、c不锈钢模具)，可以看到与玻璃模具和聚四氟乙烯模具相比，不锈钢模具制备的胶原复合膜孔较大；用聚四氟乙烯模具制得的复合膜表面较为平整光滑。实施例5将市售细菌纤维素用清水多次冲洗，除去膜表面培养基及杂质，再将膜浸泡于0. 5mol/L的NaOH溶液，90°C煮20min或以上，冷却，放置在去离子水中反复浸泡至中性，冷冻干燥后得到细菌纤维素固体。取5g干燥的细菌纤维素，加入到IOOmL质量百分比35%的硫酸中，50 V恒温水浴反应4小时，加入800mL去离子水终止反应，冷却后超声(35kHz)分散30min，去离子水透析3天，干燥后即得到纳米微晶纤维素(cellulosenanocrystals, CNCs)。使用质量浓度为1%的醋酸溶液为溶剂配制质量浓度均为3%的CNCs溶液和胶原溶液；取0. 5g上述CNCs溶液滴入到9. 5g上述胶原溶液中，机械搅拌2小时得到CNCs溶液含量为5wt%的CNCs/胶原混合溶液，然后把混合液加入到不锈钢模具中，_20°C冷冻过夜，然后放入冻干机中冻干36h，得到5wt%CNCs增强胶原复合支架。将上述复合支架采用75%乙醇消毒，放在超净台上晾干，备用。将该复合支架植入大鼠背部创面模型，体内实验结果显示复合支架可以促进创面愈合。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的制备方法，其特征在于包括如下步骤 (1)以纤维素为原料通过硫酸水解法制备纳米微晶纤维素； (2)配制质量浓度为1% 10%的纳米微晶纤维素溶液和质量浓度为1% 10%的胶原溶液； (3)将上述纳米微晶纤维素溶液和胶原溶液配制成纳米微晶纤维素与胶原 质量比^ 1:10的纳米微晶纤维素/胶原混合溶液，将纳米微晶纤维素/胶原混合溶液倒入模具中，成型后即得到纳米微晶纤维素增强胶原复合基质。
2.根据权利要求I所述的纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的制备方法，其特征在于 步骤(I)中所述的纤维素为植物纤维素或微生物纤维素； 步骤(I)中所述的硫酸水解法的条件为将10 15g纤维素加入到100 150mL浓硫酸中进行反应，然后加入去离子水终止反应，冷却后超声分散，再透析至PH稳定，干燥后即得到纳米微晶纤维素。
3.根据权利要求2所述的纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的制备方法，其特征在于 所述的硫酸为质量浓度为35% 64%的硫酸；所述的反应为45 50°C恒温水浴下机械搅拌反应4 6h ;所述的去离子水的量为800 IOOOmL ;所述的超声分散的条件为25 35kHz超声分散30min ;所述的透析为使用去离子水透析；所述的干燥为冷冻干燥，其条件为在-10 _20°C下冷冻过夜，然后放入冻干机中冻干12 24小时。
4.根据权利要求I所述的纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的制备方法，其特征在于 步骤(2)中所述的纳米微晶纤维素溶液和胶原溶液均使用乙酸溶液为溶剂进行配制； 步骤(2)中所述的纳米微晶纤维素溶液的质量浓度为1% 3% ； 步骤(2)中所述的胶原溶液的质量浓度为1% 3%。
5.根据权利要求4所述的纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的制备方法，其特征在于 所述的乙酸溶液的质量浓度为O. 3% 1%。
6.根据权利要求I所述的纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的制备方法，其特征在于 步骤(3)中所述的混匀为通过机械搅拌I 3h混匀； 步骤(3)中所述的模具的材质为玻璃、不锈钢、耐溶剂塑料或聚四氟乙烯； 步骤(3)中所述的成型的方法为溶剂蒸发法或冷冻干燥法。
7.根据权利要求6所述的纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的制备方法，其特征在于 所述的溶剂蒸发法为使用30 40°C的烘箱进行蒸发； 所述的冷冻干燥法的条件为在-10 -20°C下冷冻过夜，然后放入冻干机中冻干12 24小时。
8.—种纳米微晶纤维素增强胶原复合基质，其特征在于由权利要求I 7任一项所述的制备方法制备得到。
9.权利要求8所述的纳米微晶纤维素增强胶原复合基质在伤口敷料、组织诱导再生膜、软组织补片、组织工程皮肤和/或面膜领域中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种纳米微晶纤维素增强胶原复合基质及其制备方法与应用，属于组织工程领域。制备方法包括以下步骤采取硫酸降解纤维素的方法制得纳米微晶纤维素取纤维素(CNCs)；配制CNCs溶液和胶原溶液，将两种进行物理混合；然后将混合液倒入模具中，成型后即得到CNCs增强胶原复合基质。本发明所获得的CNCs增强的胶原复合基质，克服了现有胶原材料机械强度差，亲水性差的问题，可应用于伤口敷料、组织诱导再生膜、软组织补片、组织工程皮肤和面膜等领域。本发明的制备过程工艺简单可行，重复性好，适合于不同需求的CNCs增强胶原复合基质的工业生产。
文档编号A61L27/60GK102886063SQ201210356539
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者张渊明, 郭瑞, 李卫昌 申请人:暨南大学