具有活性离子释放功能和纳米结构的有机/无机复合心肌补片材料及其制备方法与流程

本发明涉及生物医用材料领域，具体涉及一种具有活性离子释放功能和纳米结构的有机/无机复合心肌补片材料及其制备方法，可应用于心肌组织工程和心肌梗死后组织修复中。

背景技术：

心肌梗死已经成为当前人类健康的最大威胁之一，具有很高的发病率与死亡率。据统计，美国每年约有80万人发生心肌梗死(am.j.cardiol.2012,109,187.)，而目前我国每年死于心肌梗死及其并发症的人数也已超过100万。缺血性心肌梗死大多数是由于冠状动脉发生血栓，造成了管腔的急性闭塞，使血液供应减少或中断，从而导致心肌缺血性坏死(circulation.2000,101,2981.)。临床上针对缺血性心脏疾病的疗法，首先从发病初期的血管组织入手，采取药物治疗或血管支架的方法以期疏通血管，恢复血流供应；若病情发展到中后期则需采取介入治疗、心脏移植等。但以上方法仅能在一定程度上缓解患者症状，且心脏移植受到了供体器官来源匮乏的限制。因此，探索有效的新方法来修复受损心血管和心肌组织以重建心脏功能已成为亟待解决的难题，且具有十分重要的研究意义。近年来，组织工程技术的发展为心肌梗死的治疗带来了新的机遇。心脏组织工程以构建具有初步心脏功能的替代性组织为目标，展现了广阔的应用前景。

作为组织工程三大要素之一，支架的组成和结构设计具有非常重要的作用。良好的心肌组织工程支架不仅可以提供一定的力学支撑，同时还应该对成血管和心肌分化具有生物诱导活性。大量研究表明，采用生长因子和蛋白与支架材料复合，可促进血管的生成(tissueengineeringparta.2014,20,1896.)和心肌细胞的成熟(tissueengineeringparta.2015,21,1654.)，如血管内皮生长因子(vegf)、碱性成纤维生长因子(bfgf)、粘附肽(rgd、yigsr)的应用，但由于存在着半衰期短、剂量的控制及活性保持难，以及难以与材料复合加工等缺点而发展受到限制。近年来，有文献报道一些硅酸盐无机生物材料如硅酸钙(cs)等，可以通过释放的活性离子促进体外血管内皮细胞的增殖和成血管基因的表达以及体内血管的新生(j.mater.chem.b.2015,3,8856；j.mater.chem.b.2017,5,3315.)。而且，cs等硅酸盐生物材料具有良好的生物相容性和可降解性，易于加工处理，成本低廉，因此可能替代生长因子而发挥促成血管的作用。同时cs等含钙元素的生物陶瓷可在某些条件下溶出钙离子，可能有助于提高心肌细胞内的钙水平，从而上调n-钙粘着蛋白的表达，影响细胞间的力学传导(biomaterials.2012,33,8943.)。但是目前，考察硅酸盐无机生物材料溶出的活性离子对心肌细胞影响的研究仍未见报道。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有活性离子释放功能和纳米结构的有机/无机复合心肌补片材料及其制备方法。

一方面，本发明提供一种有机/无机复合心肌补片材料，其包括：生物相容性高分子材料、以及分布于所述生物相容性高分子材料中的硅酸盐无机材料，所述有机/无机复合纤维膜具有定向的微纳米纤维结构。

本发明首次将硅酸盐活性元素应用于心肌组织工程与心肌修复领域，构建的组织工程支架(心肌补片材料)包含了活性元素组成(可释放活性离子)与定向微纳米结构双重设计，两者可协同促进心肌成熟和血管新生。本发明采用的硅酸盐无机生物材料，弥补了生长因子、蛋白等易失活、难以复合加工等不足，可保持纤维膜的生物诱导活性。

较佳地，所述硅酸盐无机材料选自硅酸钙、镁黄长石、硅酸盐生物玻璃中的至少一种；所述硅酸盐无机材料的形貌为纳米颗粒、纳米球、纳米线中的至少一种。

较佳地，所述生物相容性高分子材料选自壳聚糖、胶原蛋白、聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的至少一种。

较佳地，所述硅酸盐无机材料与所述生物相容性高分子材料的质量比为0.1％～5.0％。

较佳地，所述微纳米纤维的直径为200nm～10μm。

另一方面，本发明提供一种有机/无机复合心肌补片材料的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将硅酸盐无机材料均匀分散于生物相容性高分子溶液中，得到可纺溶液；

(2)将所得的可纺溶液通过静电纺丝制备成有机/无机复合心肌补片材料。

根据本发明，利用静电纺丝技术，将硅酸盐活性元素组成与定向的微纳米结构有机结合，可以通过改变初始的硅酸盐复合浓度精确调控离子释放浓度，调整静电纺丝参数来控制材料的微纳米结构。而且，硅酸盐无机生物材料可在电纺的溶液中稳定存在并保持纤维膜的生物诱导活性。

较佳地，静电纺丝参数包括：直流电压为11～16kv，溶液推进速度为1.5～2.5ml/h，接收滚筒的转速为2000～2800rpm，接收滚筒与针头的距离为8～12cm。

又一方面，本发明提供上述有机/无机复合心肌补片材料在制备心肌组织工程和心肌梗死后组织修复材料中的应用。

附图说明

图1为采用本发明提供的方法，未复合与复合硅酸钙的壳聚糖电纺丝中ca(a、d)、si(b、e)、p(c、f)离子的释放曲线：7天内离子的浓度变化(a、b、c)；离子的累积释放量(d、e、f)；blank为dmem/f12常规培养基组；

图2为采用本发明提供的方法，壳聚糖天然高分子及其与硅酸钙复合的电纺丝纤维的照片；左图为低放大倍数，右图为高大倍数；

图3为采用本发明提供的方法，nrcm在壳聚糖天然高分子及其与硅酸钙复合的电纺丝纤维膜表面培养7天后的形貌(a)、细胞活力(b)和心肌成熟基因的表达(c)。a图中绿色为α-actinin，红色为cx43，蓝色为细胞核，标尺为10μm；

图4为采用本发明提供的方法，huvec在壳聚糖天然高分子及其与硅酸钙复合的电纺丝纤维膜表面培养7天后的sem形貌图(a)和成血管基因的表达(b)。a图中白色标尺为50μm；

图5为采用本发明提供的方法，经心肌补片修复4周后的大鼠心脏功能图。a为左心室超声心动图，其中，“sham”表示假手术组，即未造成心梗模型的大鼠组，mi表示经左冠状动脉前降支结扎术后未经修复组，cms表示纯心肌细胞注射修复组，b为左室短轴缩短率(fs)、射血分数(ef)、左心室舒张末内径(lvidd)、左心室收缩末内径(lvids)等参数指标；

图6为采用本发明提供的方法，经心肌补片修复4周后的大鼠心肌组织结构masson三色染色图(a)与左心室缺损面积、自由壁厚度定量结果(b)。标尺为200μm；

图7为采用本发明提供的方法，经心肌补片修复4周后的大鼠心肌组织α-actinin的免疫荧光染色图。各组分别为sham(a),mi(b),cts(c),cs-cts(d),cms+cts(e),cms+cs-cts(f)。标尺为50μm；

图8为采用本发明提供的方法，经心肌补片修复4周后的大鼠心肌组织cd31的免疫荧光染色图(a-e)与血管统计图(f)。各组分别为mi(a),cts(b),cs-cts(c),cms+cts(d),cms+cs-cts(e)。标尺为100μm。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明一实施方式提供一种有机/无机复合纤维膜。该有机/无机复合纤维膜可作为心肌补片材料。该有机/无机复合纤维膜包括：生物相容性高分子材料、以及分布于所述生物相容性高分子材料中的硅酸盐无机材料。而且，该有机/无机复合纤维膜具有定向的微纳米纤维结构(参见图2)。即，该纤维膜可由具有大致相同取向的纤维构成。

其中，硅酸盐无机材料可含有钙、镁、锶、铜等阳离子，例如可选自硅酸钙、镁黄长石、硅酸锶、铜硅钙石等一系列生物陶瓷及硅酸盐生物玻璃中的至少一种。硅酸盐无机材料作为活性离子的释放源，可以释放出活性离子，例如可以是钙、镁、锶、铜等阳离子，也可以是硅等阴离子。

硅酸盐无机材料可具有纳米尺寸，其微观形貌可为纳米颗粒、纳米球、纳米线中的至少一种。纳米颗粒、纳米球的粒径可为50～300nm。纳米线的直径可为5～40nm，长度可为1～10μm。在该尺寸范围内，硅酸盐无机材料既可以保持较高的比表面积，使其与基体相的作用面积更大，有利于外部载荷的有效传递，同时也有效包裹于高分子纤维内部，达到活性离子缓释的效果。

生物相容性高分子材料作为硅酸盐无机材料的载体和主体材料。生物相容性高分子材料可选自天然高分子如壳聚糖、胶原蛋白等，以及人工合成高分子材料，如聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物等。

在有机/无机复合纤维膜中，硅酸盐无机材料与生物相容性高分子材料的质量比可为0.1％～5.0％(优选为小于5.0％)，在该范围内，具有较好的活性离子释放性能，且释放的离子浓度在促成血管与促心肌成熟的有效范围内。更优选地，硅酸盐无机材料与生物相容性高分子材料的质量比为0.1％～1％。通过调节硅酸盐无机材料与生物相容性高分子材料的质量比，可以调控有机/无机复合纤维膜的离子释放浓度，例如使释放出的活性离子的浓度范围为20μm～3mm。

有机/无机复合纤维膜中，纤维的直径可为200nm～10μm，优选为500nm～5μm。

本实施方式的有机/无机复合纤维膜结合了活性元素组成与定向微纳米结构双重设计，两者可协同促进心肌成熟和血管新生，在心肌组织工程和心肌梗死组织的修复中具有广阔的应用前景。

本发明一实施方式中，利用静电纺丝技术构建定向的微纳米结构，制备出具有生物诱导活性的有机/无机复合纤维膜。其可作为心肌创伤修复材料。

首先，将硅酸盐无机材料均匀分散于生物相容性高分子溶液中，得到可纺溶液。

硅酸盐无机材料可购自商用或自行制备。其制备方法不限，例如，可以采用共沉淀或溶胶凝胶法制备硅酸盐生物陶瓷粉体或生物玻璃，或采用水热法合成硅酸盐纳米线材料。

以硅酸钙(cs)纳米线的合成为例，将含有钙盐和硅酸盐的水溶液在180～220℃水热反应18～30小时，得到硅酸钙纳米线。所得的硅酸钙纳米线的化学组成可为ca6(si6o17)(oh)2。其中，钙盐可选自ca(no3)2、cacl2等。硅酸盐可选自na2sio3、k2sio3、(nh4)2sio3等。水溶液中，钙盐的浓度可为0.2m～0.6m。硅酸盐的浓度可为0.2m～0.6m。钙盐和硅酸盐的比例可为化学计量比。另外，在水热反应之前，可将含有钙盐和硅酸盐的水溶液在室温搅拌6～24小时。水热反应后，可固液分离(例如真空抽滤)，洗涤(例如水洗、醇洗)。为防止cs纳米线的团聚，可将所得样品适度干燥至保留部分乙醇，然后密封保存，待用。

生物相容性高分子溶液中的溶液介质可以是极性溶液，例如六氟异丙醇、乙酸、乙醇等。为使硅酸盐无机材料均匀分散，可进行超声。可纺溶液中，硅酸盐无机材料的浓度可为10μm～15mm。硅酸盐无机材料与生物相容性高分子的比例可为0.1％～5.0％。通过调节硅酸盐无机材料的复合浓度，可以调控活性离子的释放浓度。

然后，将可纺溶液通过静电纺丝制备成具有定向结构的有机/无机复合纤维膜。

静电纺丝参数可包括：直流电压为11～16kv，溶液推进速度1.0～5.0ml/h，接收滚筒的转速为2000～2800rpm，接收滚筒与针头的距离为8～12cm，注射器针头直径可为0.2～1.0mm。在该参数下可以获得良好的定向结构。通过调控静电纺丝的具体参数可以控制所得材料的微纳米结构。纺丝完毕后，将纤维膜从滚筒上取下，置于真空干燥箱中一定时间以使溶剂完全挥发。

本发明中的有机/无机复合心肌补片能够利用有效浓度的活性离子和定向微纳米结构，协同促进心肌细胞的成熟和成血管活性。本发明中的制备方法具有容易调控复合材料中离子的释放行为和微纳米结构、制备工艺简单易行、成本低廉且便于推广等优点。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1：

(1)硅酸钙(cs)水合物纳米线的合成

采用水热法合成cs水合物纳米线，化学组成为ca6(si6o17)(oh)2，具体步骤：首先分别配制0.4m的ca(no3)2和na2sio3水溶液，待完全溶解后将等体积的na2sio3溶液缓慢滴加到ca(no3)2溶液中，室温下搅拌1h使完全反应。然后将溶液转移至水热釜的聚四氟乙烯内衬中，置于烘箱内200℃下水热反应24h。将反应后的溶液进行真空抽滤，再将所得粉体分别水洗、醇洗三次。为防止cs纳米线的团聚，将所得样品适度干燥至保留部分乙醇，然后密封保存，待用。称取少量含有乙醇的cs纳米线样品，真空干燥至乙醇完全挥发，对完全干燥的cs纳米线进行称重，经计算可知待用的含少量乙醇的样品中cs的比例。cs纳米线的直径为15～25nm，长度为3～7μm。

(2)cs/壳聚糖静电纺丝复合纤维的制备

将不同质量的cs纳米线超声分散到9ml六氟异丙醇与1ml乙酸的混合溶液中，之后加入0.13g壳聚糖粉体，搅拌过夜得到均一可纺溶液。然后将溶液转移到装有21g金属针头的注射器中，针头与13kv的直流电压相连。利用流量泵控制溶液推进速度为2ml/h。使用直径为8cm的滚筒作为收集装置，该滚筒与针头的距离为10cm，非定向与定向结构的纺丝纤维的转轴转速分别设定为200和2500rpm。待纺丝完毕后，将纤维膜从滚筒上取下，置于37℃真空干燥箱中6h以使溶剂完全挥发。非定向与定向的纺丝纤维分别定义为random(仅含有壳聚糖，未复合cs纳米线)和cts(仅含有壳聚糖，未复合cs纳米线)，cs浓度分别为0.1％、1％、5％的复合定向纤维膜分别定义为cs01、cs1、cs5。

性能评价

(1)微观形貌

采用sem观察电纺丝纤维膜的微观结构，sem加速电压为10kev。得到的sem图像中随机取6个视野，每个视野中纤维数目大于25根，采用imagej软件(nih)分析纺丝纤维的直径和与转轴转动方向的夹角。

图2为实施例1所得材料的sem照片，如图2所示，random组的纤维取向不定，而cts组复合与未复合cs的纤维都显示出良好的取向度。各组纤维的直径均为690～870nm。

(2)离子释放

首先将各组纤维膜打孔成为1cm直径的圆形，置于48孔板中，紫外照射30min以杀菌。样品浸没在300μldmem/f12培养基(gibco)中，在37℃、5％co2的培养箱中释放1、3、5、7天，取样并采用电感耦合等离子体发射光谱法(icp-oes)测量ca、si、p离子的浓度，隔天换液。

图1为实施例1所得材料的离子释放曲线，如图1所示，当cs掺杂量为0.1％和1.0％时，纤维膜中ca、si离子7天内可稳定释放，si离子在第一天达到最大释放量，离子浓度分别为0.36ppm(cs01)和0.97ppm(cs1)。而后离子释放量降低，速率较为平稳，7天内累计释放量为0.63ppm(cs01)和1.48ppm(cs1)。相比而言，7天内各组纤维膜中ca离子的释放量较为平均，释放量随cs复合量的增大而增大，cs01组释放的浓度为1.94～5.92ppm，cs1中为6.19～11.78ppm，7天的累计释放量分别为16.71ppm(cs01)和36.01ppm(cs1)。此外，cs掺杂量为5％的纤维膜释放的ca离子在7天内急剧减少，同时原本培养基中p离子浓度也降低为负值，可知该掺杂浓度下纤维膜发生了矿化。

(3)细胞相容性

采用新生大鼠心肌细胞(nrcm)与人脐静脉内皮细胞(huvec)考察纺丝纤维膜的微观结构和释放的活性离子对细胞的粘附形态和增殖的影响。为观察细胞的粘附形态，将cm和huvec的细胞浓液以10⁴个/cm²种植于直径为1cm的纤维膜表面。经过7天的培养，通过sem或免疫荧光染色分别观察纤维膜表面细胞的形态。细胞增殖实验中，2×10⁴个nrcm或8000个huvec种植于纤维膜，采用cck-8测试培养1、3、7天后的细胞活力。

(4)rna的提取和定量逆转录聚合酶链反应(qrt-pcr)

将nrcm和huvec分别以6×10⁵和3×10⁵细胞/孔的密度种植于6孔板直径的样品表面，分别培养7天和3天。采用trizol和氯仿提取huvec中的rna，采用revertraace-akit合成cdna。然后通过qrt-pcr测试vegf、kdr和gapdh的表达量，其反应体系中包含1μl稀释10倍的cdna、9μlsybr-green和9μl的正向和反向引物。于qrt-pcr仪器中运行。热循环程序为95℃：1min，1个循环(激活聚合酶)；95℃：15s，60℃：15s，72℃：45s，40个循环(扩增)。溶解曲线分析证实没有引物二聚体/非特异性pcr产物。检测基因有成血管基因(vegf，kdr，enos)与心肌成熟相关基因(心肌肌钙蛋白ctnt，α-、β-肌球蛋白重链、cacna1a、cx43)。

图3中的(a)、(b)、图4中的(a)为实施例1所得材料的细胞相容性测试结果。图3中的(c)为心肌成熟基因的表达结果，图4中的(b)为成血管基因的表达的结果。如图3所示，cs的活性成分和纤维膜的定向微纳米结构协同促进了心肌细胞的增殖与心肌成熟基因的表达，心肌细胞在cs复合的定向纤维膜上具有铺展的形态和间隙蛋白的表达。如图4所示，类似地，cs的活性成分和纤维膜的定向微纳米结构也协同促进了huvec的成血管基因的表达，细胞在定向的纤维膜上相互融合形成片层。

(5)心肌补片用于大鼠心梗后的心肌组织修复—动物实验

大鼠急性心肌梗塞模型通过左前降枝急性冠状动脉血栓手术建立。采用纯心肌补片及其与nrcm共培养7天后的移植体进行修复。4周后采用超声心动描记术考察心脏功能，采用masson三色染色考察心肌组织结构，采用免疫荧光染色考察心肌形貌和心肌血管化程度。

图5-8示出实施例1所得材料的动物实验结果，如图5-8所示，cs释放的活性离子和纤维膜定向的微纳米结构协同促进了心梗部位心脏功能的恢复(图5)以及组织的再生与血管化(图6-8)，说明该具有活性离子释放功能和纳米结构的有机/无机复合心肌补片材料具有促心肌成熟和促成血管的诱导活性，对于心梗部位的组织具有很好的修复效果。

实施例2：

(1)硅酸钙(cs)水合物纳米线的合成

采用水热法合成cs水合物纳米线，分别配制0.4m的ca(no3)2和na2sio3水溶液，将等体积的na2sio3溶液缓慢滴加到ca(no3)2溶液中，室温下搅拌1h使完全反应。然后将溶液转移至水热釜的聚四氟乙烯内衬中，置于烘箱内200℃下水热反应24h。将反应后的溶液进行真空抽滤，再将所得粉体分别水洗、醇洗三次。将所得样品适度干燥至保留部分乙醇，然后密封保存，待用。称取少量含有乙醇的cs纳米线样品，真空干燥至乙醇完全挥发，对完全干燥的cs纳米线进行称重，经计算可知待用的含少量乙醇的样品中cs的比例。

(2)cs/聚乙烯醇缩丁醛(pvb)电纺丝复合纤维膜的制备

将0.02g的cs纳米线超声分散到15ml乙醇中，之后加入0.9gpvb，搅拌12h后得到均一可纺溶液。电纺丝参数设置为：注射器针头直径为0.9mm，溶液推进速度为4.5ml/h，电压为11kv，接收滚轴转速设定为2400rpm，针头与滚筒的距离为10cm。待纺丝完毕后，将复合纤维膜从滚筒上取下并真空干燥6h后备用。

参照实施例1中的性能测试方法测试实施例2所得材料的性能，所得纳米纤维具有很高的定向度，纤维的直径均为700nm～2μm。纤维膜中ca、si离子7天内可稳定释放，si离子在第一天达到最大释放量0.6ppm，ca离子7天内的释放浓度较为平均，为3.1～8.8ppm。该浓度下的离子可以有效促进心肌细胞的增殖与心肌成熟基因的表达。

实施例3：

(1)二氧化硅(sio2)纳米微球的制备

通过溶胶-凝胶法制备sio2微球。配制2ml氨水、8ml去离子水和17.8ml无水乙醇的混合溶液，之后将2ml正硅酸乙酯与22.2ml无水乙醇的混合溶液慢慢滴加到其中。在磁力搅拌2h后，将0.1ml3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到溶液中继续搅拌18h。待反应完全后，将溶液离心，得到的sio2微球再分散到1m的盐酸中酸化24h，之后再将溶液离心，得到的表面改性后的二氧化硅微球用去离子水和乙醇分别洗涤三次。所得二氧化硅微球的粒径为130～170nm。

(2)sio2/聚己内酯(pcl)电纺丝复合纤维膜的制备

将0.003g的sio2微球超声分散到10ml六氟异丙醇中，之后加入0.48gpcl，搅拌12h后得到均一可纺溶液。电纺丝参数设置为：注射器针头直径为0.9mm，溶液推进速度为1.2ml/h，电压为11kv，接收滚轴转速设定为2500rpm，针头与滚筒的距离为12cm。待纺丝完毕后，将复合纤维膜从滚筒上取下并真空干燥6h后备用。

参照实施例1中的性能测试方法测试实施例3所得材料的性能，通过sem考察微观形貌，可见sio2纳米球均匀分布于高分子纤维中，复合纤维膜的直径为900nm～3μm。纤维膜中si离子在第一天达到最大释放量3.0ppm，7天内累计释放量为5.1ppm。该浓度下的si离子可以有效促进内皮细胞和心肌细胞的增殖与相关基因的表达。

实施例4：

(1)镁黄长石生物陶瓷粉体的制备

采用溶胶凝胶法合成镁黄长石(ca2mgsi2o7)。以正硅酸乙酯、四水合硝酸钙ca(no3)2·4h2o和六水合硝酸镁mg(no3)2·6h2o为原料，摩尔比为2:1，经溶胶、凝胶、陈化、干燥等过程，并在1300℃下煅烧得到纯的镁黄长石生物陶瓷粉体。镁黄长石生物陶瓷粉体的粒径为200～300nm。

(2)镁黄长石/聚乳酸(pla)电纺丝复合纤维膜的制备

将0.004g的镁黄长石粉体超声分散到7.5ml六氟异丙醇中，之后加入0.9gpla，搅拌12h后得到均一可纺溶液。电纺丝参数设置为：注射器针头直径为0.9mm，溶液推进速度为4.5ml/h，电压为12.5kv，接收滚轴转速设定为2600rpm，针头与滚筒的距离为10cm。待纺丝完毕后，将复合纤维膜从滚筒上取下并真空干燥6h后备用。

参照实施例1中的性能测试方法测试实施例4所得材料的性能，复合纤维膜的纳米纤维直径为1μm～5μm。纤维膜可缓慢释放ca、mg、si离子。mg与si离子在第一天达到最大释放量，分别为1.2ppm和2.6ppm。ca离子7天内的释放浓度较为平均，为14.8～29.4ppm。该浓度下的活性离子可协同有效促进内皮细胞的增殖与成血管基因的表达，以及心肌细胞的增殖与心肌成熟基因的表达。