一种各向异性纳米纤维复合天然多糖水凝胶及其制备方法与应用

本发明属于生物医学工程，具体涉及一种各向异性纳米纤维复合天然多糖水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术：

1、钙化性心脏瓣膜病(cavd)是常见的危害人类身心健康的严重疾病，目前尚无预防和治疗cavd的方法，当患者发展到以小叶钙化和严重狭窄为特征的cavd末期时，唯一的选择就是瓣膜置换。机械瓣和生物瓣是目前临床常用的两种选择，性能各有优劣，但它们的共同缺陷是无法随机体发育而生长，对心脏尚未发育成熟的婴幼儿患者尤其不适用。组织工程心脏瓣膜(tehv)是将自体的种子细胞种植于可降解的生物材料上，随着种子细胞的不断增殖、细胞外基质(ecm)的分泌和生物材料的逐渐降解和吸收，最终形成具有正常结构和功能的心脏瓣膜，具有非常重要的临床应用前景。

2、构建tehv的关键是种子细胞赖以生存的支架，天然多糖水凝胶可达到与软组织接近的力学性能及良好的生物相容性，近年来被广泛用于制备支架，但在力学性能和降解速率等方面还需加强，此外，水凝胶聚合物网络通常是各向同性的，而许多生物系统具有明确的分层结构，这些结构在宏观尺度上具有各向异性，如心瓣膜、皮肤和关节软骨。在心瓣膜中，各向异性在实现心脏收缩和舒张等功能上发挥着至关重要的作用，并且各向异性结构对细胞的增殖、迁移和分化有很大的影响。

3、明胶等天然多糖基的水凝胶材料，其在生物相容性、可降解性、细胞材料界面、三维立体多孔结构和可塑性等方面都有利于种子细胞的接种和生长，是理想的组织工程基质材料。有研究证实，成纤维细胞、软骨细胞和成骨细胞均可在明胶基水凝胶中成活并形成细胞外基质，但其力学强度有待提高。大量研究表明天然多糖是一种理想的组织工程水凝胶生物材料，但它并不表现出对瓣膜生物力学至关重要的非线性力学特性，且可能增强msc成骨分化和ecm钙化等cavd的特性。因此，明胶等天然多糖水凝胶需要进一步改性或与其他材料进行复合，以降低潜在的钙化或小叶回缩的风险。另外，水凝胶支架能够为细胞的增殖与分化提供更接近于天然软骨细胞外基质的微环境，是软组织修复的一种理想材料。传统的水凝胶支架制作技术无法实现个体化和复杂的几何形状，软组织工程涉及支架、细胞诱导和生成因子刺激以及合适的生物力学环境等多重因素，对力学强度、降解性能、支架几何形状等具有很高的要求。3d生物打印作为组织工程学一项新兴技术已在可移植组织的再生领域取得了显著成果。目前面临的主要挑战是，如何既保持细胞高活性又能制作出高韧性的水凝胶生物支架，以满足临床应用要求。水凝胶应用于3d生物打印时，需要考虑生物相容性，也要考虑在打印过程中的交联凝结，因此限制了其选择范围。找到合适的可打印水凝胶作为细胞载体形成3d生物打印"墨水"是解决目前3d生物打印的关键环节。

技术实现思路

1、本发明第一方面的目的，在于提供一种各向异性纳米纤维复合多糖水凝胶。

2、本发明第二方面的目的，在于提供第一方面的各向异性纳米纤维复合多糖水凝胶的制备方法。

3、本发明第三方面的目的，在于提供第一方面的各向异性纳米纤维复合多糖水凝胶在制备生物医学材料中的应用。

4、本发明第四方面的目的，在于提供一种生物医学材料。

5、为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

6、本发明的第一个方面，提供一种各向异性纳米纤维复合多糖水凝胶，包含s1和s2：

7、s1：各向异性纳米纤维层，所述各向异性纳米纤维的制备原料包含：改性多糖和合成高分子；

8、s2：改性多糖层；或

9、包含功能性物质的改性多糖层；

10、所述改性多糖包含甲基丙烯酰基改性的多糖、甲基丙烯酰氧丙基改性的多糖中的至少一种；

11、所述合成高分子包含聚己内酯、聚乳酸、聚乙二醇、聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯、聚乙丙交酯中的至少一种；

12、所述功能性物质包含细胞生长因子、干细胞中的至少一种。

13、优选地，所述s1和s2交替层叠。

14、优选地，所述s1的层数为n，所述s2的层数为n+1或n-1；进一步优选地，所述s1的层数为n，所述s2的层数为n+1。

15、优选地，所述n为2、3、4、5、或6；进一步优选地，所述n为2、3、4、或5。

16、优选地，所述改性多糖包含甲基丙烯酰基改性的多糖。

17、优选地，所述甲基丙烯酰基改性的多糖的制备方法如下：将多糖与含甲基丙烯酰基团的单体混合，反应，得到甲基丙烯酰基改性的多糖。

18、优选地，所述多糖包含明胶、透明质酸、海藻酸钠、卡拉胶、葡聚糖中的至少一种；进一步优选地，所述多糖包含明胶、透明质酸、海藻酸钠中的至少一种；更进一步优选地，所述多糖包含明胶、透明质酸、海藻酸钠中的一种或两种；更进一步为明胶、透明质酸、海藻酸钠、明胶和海藻酸钠的混合物、或明胶和透明质酸的混合物。

19、优选地，所述多糖与含甲基丙烯酰基团的单体的质量体积比(g:ml)为(0.5～15):7.5；进一步为(1～10)：7.5。

20、优选地，所述含甲基丙烯酰基团的单体包含甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸缩水甘油酯中的至少一种；进一步包含甲基丙烯酸酐。

21、优选地，所述多糖为多糖溶液。

22、优选地，所述多糖溶液的ph为7.5～10；进一步为8～9。

23、优选地，所述多糖溶液的浓度按质量体积比(w/v，g/ml)计为0.5～30％；进一步优选地，所述多糖溶液的浓度按质量体积比(w/v)计为1～10％。

24、优选地，所述多糖为明胶时，所述多糖溶液的浓度按质量体积比(w/v，g/ml)计为5～30％；进一步优选地，所述多糖溶液的浓度按质量体积比(w/v)计为5～20％。

25、优选地，所述明胶的数均分子量为30000d～100000d；进一步为30000d～80000d。

26、优选地，所述多糖为透明质酸或海藻酸钠时，所述多糖溶液的浓度按质量体积比(w/v，g/ml)计为0.5～2％；进一步优选地，所述多糖溶液的浓度按质量体积比(w/v)计为1～2％。

27、优选地，所述透明质酸的数均分子量为1 000 000d～1 800 000d；进一步为1 200000～1 800 000d。

28、优选地，所述海藻酸钠的数均分子量为30000d～100000d；进一步为60000d～100000d。

29、优选地，所述反应的条件为：ph＝7.5～10，35～45℃下反应4～8h；进一步为：ph＝8～9，35～40℃下反应6～8h。

30、优选地，所述反应后还包括透析、干燥的步骤。

31、优选地，所述透析中截留分子量为3000～4000d；进一步为3000～3500d；更进一步为3500d。

32、优选地，所述功能性物质包含干细胞；进一步包含间充质干细胞。

33、优选地，所述间充质干细胞在所述改性多糖中的密度为105～108细胞/ml改性多糖；更进一步为106～107细胞/ml改性多糖。

34、优选地，所述改性多糖包含甲基丙烯酰基团改性的明胶、甲基丙烯酰基团改性的透明质酸、甲基丙烯酰基团改性的海藻酸钠中的至少一种；进一步优选地，所述改性多糖包含甲基丙烯酰基团改性的明胶、甲基丙烯酰基团改性的透明质酸、甲基丙烯酰基团改性的海藻酸钠、甲基丙烯酰基团改性的明胶和甲基丙烯酰基团改性的透明质酸的混合物、或甲基丙烯酰基团改性的明胶和甲基丙烯酰基团改性的海藻酸钠的混合物。

35、优选地，所述甲基丙烯酰基团改性的明胶和甲基丙烯酰基团改性的透明质酸的混合物中甲基丙烯酰基团改性的明胶和甲基丙烯酰基团改性的透明质酸的质量比为10～40：1；进一步为30～40：1。

36、优选地，所述甲基丙烯酰基团改性的明胶和甲基丙烯酰基团改性的海藻酸钠的混合物中甲基丙烯酰基团改性的明胶和甲基丙烯酰基团改性的海藻酸钠的质量比为10～40：1；进一步为10～20：1。

37、优选地，所述各向异性纳米纤维的取向度为0.112～0.125；进一步为0.113～0.118。

38、优选地，所述各向异性纳米纤维的厚度为0.1～1.3mm；进一步为0.2～1.0mm；更进一步为0.2～0.5mm。

39、优选地，所述改性多糖层的厚度为3～6mm；进一步为4～5mm。

40、优选地，所述合成高分子包含聚己内酯、聚乳酸、聚乙二醇、聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯中的至少一种；进一步包含聚己内酯、聚乳酸、聚乙二醇中的至少一种；更进一步包含聚己内酯、聚乳酸或聚乙二醇。

41、优选地，所述聚己内酯的数均分子量为40000d～100000d；进一步为60000～65000d。

42、优选地，所述聚乳酸的数均分子量为10000d～100000d；进一步为40000d～60000d。

43、优选地，所述聚乙二醇的数均分子量为1000d～20000d；进一步为6000d～8000d。

44、优选地，所述改性多糖和合成高分子的质量比为(0.5～5)：(5～9.5)；进一步为(1～3)：(7～9)。

45、优选地，所述各向异性纳米纤维的制备方法如下：将改性多糖和合成高分子混合，得到混合物；以混合物为溶质配制纺丝溶液；然后进行静电纺丝，得到各向异性纳米纤维。

46、优选地，所述纺丝溶液的溶剂为六氟异丙醇和乙酸的混合物。

47、优选地，所述六氟异丙醇和乙酸的质量比为(8～10)：1；进一步为9：1。

48、优选地，所述乙酸的浓度为80～95v/v％；进一步为90％。

49、优选地，所述静电纺丝采用滚筒接收方法，即以滚筒接收器为接收装置。

50、优选地，所述纺丝溶液中混合物的浓度为0.5～15wt％；进一步为1～10％。

51、优选地，所述静电纺丝的步骤如下：将纺丝溶液置于注射装置中，以0.1～2ml/h的推进速度进行推动，注射装置的针头与接收装置的距离为10～20cm，接收装置的转速为500～3500rpm，纺丝电压为10～30kv。

52、优选地，所述推进速度为0.4～1ml/h。

53、优选地，所述注射装置的针头的内径为0.3～1.0mm；进一步为0.5～1.0mm。

54、优选地，注射装置的针头与接收装置的距离为12～15cm。

55、优选地。所述针头接正极，接收装置接负极。

56、优选地，所述接收装置包覆有锡箔纸。

57、优选地，所述接收装置的转速为1000～3000rpm。

58、优选地，所述纺丝电压为20～22.5kv。

59、本发明的第二个方面，提供本发明第一个方面的各向异性纳米纤维复合多糖水凝胶的制备方法，所述制备方法为s11或s12：

60、s11：将改性多糖与光引发剂混合，得到混合物a；将混合物a与各向异性纳米纤维层叠，光固化，得到包含s1各向异性纳米纤维层和s2改性多糖层的各向异性纳米纤维复合多糖水凝胶；

61、s12：将功能性物质、光引发剂与改性多糖混合，得到混合物b；将混合物b与各向异性纳米纤维层叠，光固化，得到包含s1各向异性纳米纤维层和s2包含功能性物质的改性多糖层的各向异性纳米纤维复合多糖水凝胶。

62、优选地，所述制备方法为s11或s12：

63、s11：将改性多糖与光引发剂混合，得到混合物a；将混合物a与各向异性纳米纤维交替层叠，光固化，得到各向异性纳米纤维复合多糖水凝胶；

64、s12：将功能性物质、光引发剂与改性多糖混合，得到混合物b；将混合物b与各向异性纳米纤维交替层叠，光固化，得到各向异性纳米纤维复合多糖水凝胶。

65、优选地，s11中所述改性多糖的浓度按质量体积比计为0.5～18％；进一步为1～15.05％。

66、优选地，s11中所述改性多糖的溶剂为水。

67、优选地，所述光引发剂包含irgacure系列光引发剂。

68、优选地，所述光引发剂在所述混合物a或混合物b中的终浓度按质量体积比计为0.01～0.1％；进一步为0.03～0.06％；进一步为0.03～0.05％。

69、优选地，s12中所述改性多糖的浓度按质量体积比计为8～16％；进一步为10～15.05％。

70、优选地，s12中所述改性多糖的溶剂为培养基；进一步为dmem-f12培养基。

71、优选地，s12中所述功能性物质为干细胞时，所述功能性物质与所述改性多糖和所述光引发剂的混合物的比例为105～108细胞/ml混合物；更进一步为106～107细胞/ml混合物。

72、优选地，所述光固化的方法为s111和/或s112：

73、s111：在紫外光下进行光固化；

74、s112：通过3d打印机实现。

75、优选地，所述s111为：360～370nm紫外光下光固化1～10min；进一步为：365nm紫外光下光固化5min。

76、优选地，所述3d打印机为采用立体光固化成型法(sla)工作原理的3d打印机，优选为型号为3d systems prox 800的3d打印机。

77、本发明的第三个方面，提供第一个方面的各向异性纳米纤维复合多糖水凝胶在制备生物医学材料中的应用。

78、优选地，所述生物医学材料用于组织修复；进一步优选地，所述生物医学材料用于软组织修复；更进一步优选地，所述生物医学材料用于心脏瓣膜组织修复。

79、本发明的第四个方面，提供一种生物医学材料，包含本发明第一个方面的各向异性纳米纤维复合多糖水凝胶。

80、优选地，所述生物医学材料用于组织修复；进一步优选地，所述生物医学材料用于软组织修复；更进一步优选地，所述生物医学材料用于心脏瓣膜组织修复。

81、本发明的有益效果是：

82、本发明提供了一种各向异性纳米纤维复合多糖水凝胶，包含s1和s2：s1：各向异性纳米纤维层，所述各向异性纳米纤维的制备原料包含：改性多糖和合成高分子；s2：改性多糖层；或包含功能性物质的改性多糖层；通过改性多糖使水凝胶具备光固化能力和可打印性；通过各向异性纳米纤维使水凝胶具有较好的力学性能，同时，抑制细胞的成骨分化；该水凝胶可用于制备具有组织(比如血管叉、心脏瓣膜等)修复功能的生物医学材料。