[发明专利]一种组织工程水凝胶支架及其制备方法和应用

说明书

本发明属于组织工程技术领域，尤其涉及一种组织工程水凝胶支架及其制备方法和应用。所述组织工程水凝胶支架包括含有骨髓间充质干细胞和内皮细胞的胶原蛋白微球和由甲基丙烯酰化明胶交联网络和纤维蛋白形成的水凝胶，所述胶原蛋白微球分散在所述水凝胶中，其中，所述甲基丙烯酰化明胶交联网络中甲基丙烯酰化明胶和所述纤维蛋白的质量比为3‑8：1。本发明的组织工程水凝胶支架力学性能好，结构稳定，适用于3D打印技术领域以制备复杂结构的组织功能支架，且能保证负载的种子细胞(BMSCs和HUVECs)成活率高，成活细胞活性好，具有良好的预血管化网络形成能力和成骨分化效果，骨修复性能优异，在临床上具有良好应用前景。

技术领域

本发明涉及组织工程技术领域，特别涉及一种组织工程水凝胶支架及其制备方法和应用。

背景技术

骨组织在人体中起着至关重要的作用，例如保护各种器官，维持造血，储存矿物质，以及提供使人能够活动的机械支持。严重的创伤、肿瘤切除、退行性骨关节炎、肥胖和衰老相关的疾病等均可造成骨缺损。近年来，骨缺损的发病率逐年增加，由于缺乏血管和神经，骨损伤一旦发生，其自我修复能力十分有限，这就需要外科骨移植来恢复其结构完整性和功能性。临床上自体骨移植和同种异体骨移植等手术方法是治疗严重骨缺损的主要方法，临床最常用有自体骨移植、同种异体骨移植等手术方法，然而经过大量的临床验证，前述方法存在诸多弊端，如：有限的可用性、供体部位的发病率和疼痛、高失败率和疾病传播的风险等等。

伴随着组织工程学科的发展，结合细胞、生物相容性支架和生长因子的组织工程策略构建的骨组织工程移植技术具有独特的优势，其原理是将生物相容性好、有骨传导能力并在体内可生物降解的支架与具有诱骨活性的自体治疗性细胞(如骨髓间充质干细胞)和/或细胞因子有机结合，构建有生命的骨组织工程移植物，植入缺损部位，其具有骨传导和诱导的双重特性，更加有利于修复缺损的骨组织，而且在迅速成骨的同时植入的支架材料逐渐降解，最终被人体代谢吸收。因此，基于骨组织工程移植技术的治疗策略方案为骨缺损的修复提供了全新的思路和方法。骨组织工程移植技术主要研究支架材料、种子细胞和细胞因子。其中，支架材料作为骨组织再生的框架，其特性直接影响种子细胞的生物学特性，影响细胞的生存、迁移、增殖和代谢功能，因此是骨组织工程中的关键要素之一。新型支架材料的设计与开发已经成为骨损伤修复的研究热点。常用的金属、陶瓷等骨损伤修复材料的力学性能与人体骨相差甚远，植入后容易造成应力屏蔽，导致周围骨组织松动，还容易产生排异反应。水凝胶是以水为分散介质，亲水性而又不溶于水的且能够吸收大量水分、具有交联结构的高分子聚合物材料，具有良好的水渗透性和生物相容性，在体内外可重现天然组织微环境，可以维持良好的细胞活力并促进细胞增殖、迁移与分化，作为移植物可以减少不良反应，因而在生物医学中受到越来越多的关注。

随着3D打印技术的快速发展，利用3D打印技术构建精准的三维立体结构的水凝胶支架更能模拟人体的骨组织结构，为水凝胶应用于骨组织工程移植物提供了强有力的支持。目前开发用于3D打印的水凝胶支架材料各有优缺点，如天然胶原和纤维蛋白水凝胶组织相容性较好，但机械性能差，抗压强度一般低于1.6MPa；可降解的聚乳酸等合成材料力学性能可控，但组织相容性差。此外，骨组织工程移植支架打印通常采用先打印后交联的方法，一方面，力学性能差将导致交联之前支架结构容易塌陷，降低支架的保真度，另一方面交联过程会影响负载在水凝胶支架中的种子细胞的活性，且因受到打印过程中的剪切力对细胞的损伤，负载在水凝胶支架中的种子细胞在交联之后的存活率一般为40％左右，大大降低了成骨效果和修复功能。因此，研发一种用于骨损伤修复的生物相容性好、力学性能优异、细胞存活率高的水凝胶支架材料具有重要意义。

发明内容

针对以上现有技术中的问题，本发明提供了一种组织工程水凝胶支架及其制备方法，并提供了该组织工程水凝胶支架在组织工程支架尤其是骨组织工程移植支架中领域的应用，以解决或至少缓解现有技术中的部分或全部技术问题。

为实现上述目的，本发明具体通过以下技术方案实现：