[发明专利]多孔生物材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用胶原制备而成的生物材料，特别涉及一种使用动物组织中的胶原制备而成的生物材料。

背景技术

胶原是构成动物机体的重要功能物质，广泛存在于动物骨、软骨、肌腱、皮肤以及其他结缔组织中，约占哺乳动物总蛋白的三分之一，是动物体中最丰富的蛋白资源。目前已确认的胶原有28种，包括从I型到X X Ⅷ型，其中I型胶原在动物体内含量最多并且其免疫原性比其他型胶原要低得多，因而被运用的也最为广泛。不同型的胶原由于分子中多肽链的初级结构不同，其生理特性也有差别。胶原基本结构为由三条肽链组成的三股螺旋绳状结构，肽链则由一系列氨基酸排列组成，其中氨基酸的排布序列影响胶原的生物性能。胶原纤维在自然组织中与相邻的蛋白、糖类或脂类形成三维结构以提供适合细胞生长的内环境，共同形成具有功能的组织。

近年来随着人们健康意识的提高和组织工程材料研究的迅猛发展，寻求到具有良好生物相容性和力学性能的医用修复材料已成为业内的迫切需求。大量研究表明胶原是一种具备诸多优点的天然聚合材料，具有其他合成材料无法比拟的生物相容性及特殊的力学性能。同种胶原(来源于人的胶原)在植入人体后无抗原性，可被人体组织接纳，与周围组织迅速整合为一体。然而，同种胶原来源非常有限，因此人们开始对异种胶原(猪或牛等其他动物来源的胶原)进行研究开发，发现异种胶原本身安全无毒，且来源广泛，还具有价格低廉及易加工成型等优点，也已获得大量临床应用的成功案例。异种胶原虽然抗原性较低但并非完全无抗原性，植入人体后在被吸收的过程中导致的炎性反应程度决定了它的转归(缓慢降解)和宿主的愈合时间。低度的炎性反应能促进血小板凝结，刺激、促进细胞生长及植入物的转归。天然胶原力学强度往往在植入体内后发生改变，在一些部位的转归速度通常也比受损部位愈合速度快，在新生组织能完全修复前，植入物完全降解会导致新生组织的再度受创，降低了治疗效果，达不到预期目标，理想的情况是转归速度与受损组织的愈合速度同步。因此，对胶原进行适当的交联，通过控制交联过程来控制交联程度，既可以进一步降低异种胶原的抗原性，同时也提高了其抗酶解特性和力学强度，从而使植入的胶原制品具有不同的植入寿命。此外，对胶原处理后制成的胶原制品的表面和内部结构的改变也会进一步影响与多种宿主细胞及组织的相互作用。目前胶原已被大量应用于制备胶原基医用材料及组织工程支架材料，如生物型心脏瓣膜、止血海绵、人工皮肤/敷料，手术缝合线，外科补片等。随着生物材料技术水平的不断提高，天然胶原将会得到更好地运用和开发，成为新一代的理想生物材料。

正因为许多研究和实践表明胶原是制备组织工程支架的理想材料，因此将胶原制成支架材料的技术工艺成为了组织工程领域的热门研究课题。通常的思路是先除去其中的非胶原成分和抗原物质进一步降低其免疫原性，再通过物理或化学方法提高其力学性能和化学稳定性，最后进行干燥。目前报道较多的制备工艺是将天然胶原材料制成胶原溶液后直接涂敷或注入模具，并在空气中自然干燥成膜或用烘箱加热烘干，这种工艺的优点是制备周期短，但制得的支架材料中一般没有孔隙存在，细胞很难向其内部生长；或者是将胶原溶液进行冷冻干燥，工艺较简单且可获得很高的孔隙率，通常采用此种工艺制备多孔支架的较多，但此种工艺耗时较长，能耗较大，且制成的材料力学性能不佳。

组织工程支架材料的特点之一是需要合适的孔径和相连的孔形态结构。材料表面结构和物理结构影响种子细胞粘附、生长和分化。其中孔径尺寸和互联互通是结构设计的关键因素。合适的孔径和相连的孔形态诱导并决定细胞的生长于分化，如直径在15-50μm的孔径诱导肌肉纤维细胞的生长，直径在20-80μm的孔径诱导上皮及内皮细胞的附着和爬行生长，直径在50-150μm的孔径诱导类骨质的生长，其中90-120μm孔径诱导软骨成长，直径在150-500μm的孔径诱导矿化骨形成。冻干过程中的预冻温度，溶液浓度，渗透压等极大地影响了制得的支架材料的孔径大小、孔隙率及三维网状结构。其中，支架孔径大小与冷冻时的预冻温度有密切关系，在一定范围内，温度降低越快，凝固时冰晶形核数越多，凝固时间越短，因此形成的冰晶颗粒越小，最后支架中的孔就越小。而支架孔径结构取决于材料溶液冷冻时的分相，溶液在凝固过程中会产生一定的温度梯度，导致冰晶的定向生长，产生一定的结晶取向，最终形成方向性的空隙。而且，胶原溶液的浓度越大，支架孔径越小越均匀，实际生产过程中可通过控制胶原溶液浓度来调节支架的孔径大小。然而目前鲜见关于溶液渗透压与支架材料的孔径关系的报道。此外，将天然胶原制成胶原溶液的过程中，容易引起胶原螺旋区结构的断裂，破坏了天然胶原的生物活性，且制成的支架材料往往不能满足生物力学性能的要求。