[发明专利]一种刚度可控的三维多孔凝胶支架材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种刚度可控的三维多孔凝胶支架材料及其制备方法和应用，该支架材料采用碳酸钙/葡萄糖酸内酯作为复合离子交联体系制备海藻酸盐水凝胶，再通过丝素蛋白/胶原的复合，并将其包封在凝胶里，使凝胶内部的孔隙和孔径减小，相互贯通的多孔结构增多，不仅增加了丝素蛋白/胶原在水凝胶上的固着力，而且多孔结构更有利于细胞的粘附和生长。本发明提供的三维组织工程支架材料，具备良好的生物相容性，有利于细胞的粘附和加快组织再生的进程，有利于骨间充质干细胞的分化，进而促进新生骨的形成。本发明制备方法简单且成本较低，易于操作和控制，在骨组织工程领域具有十分广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及组织工程材料技术领域，特别的涉及一种刚度可控的三维多孔凝胶支架材料及其制备方法和应用。

背景技术

组织工程，是一门以细胞生物学和材料科学相结合，进行体外或体内建构组织或器官的新兴学科，其核心在于建立细胞与生物材料的三维空间复合体，用以对病损组织进行形态、结构和功能三个方面的重建，并达到永久性替代。再生组织工程是指将分离的自体高浓度干细胞，经体外培养扩增后种植于某种细胞支架或细胞外基质上，然后将这种细胞杂化材料植入组织缺损部位，在生物材料逐步降解的同时，种植的干细胞不断分化增殖，从而达到修复组织缺损的目的。为了获得功能性良好的再生组织，适宜的支架材料成为促使受损组织再生的关键之一。

以往的研究都着重于探索支架材料的化学组分对细胞的影响，但近年来，Engler等人(Engler AJ, Sen S, Sweeney HL, Discher DE. Matrix elasticity directs stemcell lineage specification. Cell. 2006; 126(4): 677-89.)研究发现，除了可溶性诱导因子的添加，间充质干细胞在不同基质刚度的凝胶基底上也可以朝着特定谱系分化，这表明支架的力学特性同样可以单独调控干细胞分化谱系。基质刚度的变化会对细胞产生影响，外界信号通过细胞表面的感受器传入胞内力学转导通路，调控靶基因，影响细胞的增殖、迁移、分化等功能。但目前基质力学特性对间充质干细胞分化的研究多数在二维条件下以及使用的是合成的化学试剂，并且缺少天然适合细胞生长的细胞外基质组分。有文献报道利用聚酰亚胺制备不同槽/脊结构的表面，骨髓间充质干细胞可以在该表面结构上朝着成骨细胞分化(Abagnale G, Steger M, Nguyen VH, Hersch N, Sechi A, Joussen S,et al. Surface topography enhances differentiation of mesenchymal stem cellstowards osteogenic and adipogenic lineages. Biomaterials. 2015; 61: 316-26.)，聚丙烯酰胺(Xue R, Li JY, Yeh Y, Yang L, Chien S. Effects of matrix elasticityand cell density on human mesenchymal stem cells differentiation. J OrthopRes. 2013; 31(9): 1360-5.)、纳米硅酸盐(Kerativitayanan P, Gaharwar AK.Elastomeric and mechanically stiff nanocomposites from poly (glycerolsebacate) and bioactive nanosilicates. Acta Biomater. 2015; 26: 34-44.)也在二维条件下证实了不同刚度支架材料对干细胞的诱导分化影响。在骨组织工程支架材料领域，已有文献报道骨髓间充质干细胞分别在20 kPa、40 kPa、80 kPa和190 kPa的不同刚度梯度的聚乙烯醇/透明质酸中被诱导分化为神经细胞、肌细胞、软骨细胞和成骨细胞(OhSH, An DB, Kim TH, Lee JH. Wide-range stiffness gradient PVA/HA hydrogel toinvestigate stem cell differentiation behavior. Acta Biomater. 2016; 35: 23-31.)。由于细胞在二维平面上难以形成三维组织样立体结构，以及二维基质微环境难以反映细胞在体内发生活化、分化等行为所处的真实三维基质力学微环境。因此，构建一种具有不同基质刚度的三维多孔凝胶支架材料就显得尤为重要。