一种导电多孔三维组织工程支架材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了属于组织工程生物材料制备技术领域的一种导电多孔组织工程支架材料及其制备方法。该支架材料以多孔丝素蛋白支架为基质，同时在其孔内聚合形成导电聚合物聚吡咯，赋予其导电特质。与普通二维聚吡咯复合膜相比，该导电多孔三维支架更接近体内的立体生理环境，使细胞形态、分化、细胞与基质间的相互作用以及细胞与细胞间的相互作用更加接近体内生理条件下的细胞行为。该材料良好的生物相容性、优异的导电特性以及可控的力学性能、高孔隙率等优点能够支持多种细胞的粘附与生长，有利用细胞间电信号的传导，在组织工程，尤其是心肌组织工程的临床转化中具有潜在的应用前景。

A conductive porous three-dimensional tissue engineering scaffold material and its preparation method

The invention discloses a conductive porous tissue engineering scaffold material and a preparation method belonging to the field of tissue engineering biological material preparation technology. The scaffold material is based on porous silk fibroin scaffold, and at the same time, the conductive polymer polypyrrole is formed by polymerization in the pore, which endows it with conductive properties. Compared with the conventional two-dimensional polypyrrole composite membrane, the conductive porous three-dimensional scaffold is closer to the three-dimensional physiological environment in vivo, making cell morphology, differentiation, cell-matrix interaction and cell-cell interaction closer to the cell behavior in vivo under physiological conditions. The material has good biocompatibility, excellent electrical conductivity, controllable mechanical properties, high porosity and other advantages, which can support the adhesion and growth of various cells. It has potential application prospects in tissue engineering, especially in the clinical transformation of myocardial tissue engineering.

【技术实现步骤摘要】
一种导电多孔三维组织工程支架材料及其制备方法
本专利技术属于组织工程生物材料制备
，具体涉及一种导电多孔组织工程支架材料及其制备方法。
技术介绍
组织工程是指在支架材料上种植种子细胞，使之在生长因子的作用下再生活的组织或器官，用于修复或替代受损伤的组织或器官。在这个过程中，支架材料相当于人工细胞外基质，帮助细胞增殖和分化。理想的组织工程支架材料应具备良好的生物相容性，有利于细胞粘附的三维多孔结构，适宜的机械性能，以及优异的导电性以传导细胞间的电信号。组织工程支架材料按照来源可以分为：(1)天然高分子材料，指由动植物组织中提取的高分子可降解材料，如胶原、壳聚糖、透明质酸等。这类材料的特点是降解产物易被机体吸收，但强度和加工性能较差，降解速度无法调节。(2)天然无机材料，如珊瑚、珊瑚羟基磷灰石等。它们都具有多孔结构，有较好的孔隙率，但没有导电性，尤其不利于心肌组织这种强烈依赖材料导电性的组织再生。(3)合成高分子材料，常用的可降解合成高分子材料有聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯等。这类材料在组织工程中应用最广泛，但与组织相匹配的机械性能仍有待提高。(4)合成无机材料，常用的主要有磷酸钙水泥、磷酸三钙等。在众多组织工程支架材料中，蚕丝中富含的丝素蛋白以其特殊的生物学特性和良好的人体亲和性越来越受到人们的关注。丝素蛋白具有良好的生物相容性，对机体无毒性，无致敏和刺激作用，又可部分生物降解，其降解产物本身不仅对组织无毒副作用，还对如皮肤、牙周组织等有营养与修复的作用。目前，丝蛋白多孔材料的制备与应用已是近年来材料学家研究的热点。目前，盐析法仍然是制备丝蛋白多孔支架的最主要的方法之一，然而，传统的盐析法制备的丝蛋白多孔支架存在缺乏导电性的问题，严重阻碍细胞间电信号的传导，不利于细胞间的交流，进而不利于形成一体化的工程化组织。因此，开发新的基于丝素蛋白的导电多孔组织工程支架材料，实现细胞间的电交流，显然具有积极的现实意义。申请号为201110054237.4的专利公开了一种聚吡咯包覆胶原-丝素蛋白平行丝导电复合膜的制备方法，但是这种二维聚吡咯复合膜远差于三维支架接近体内的立体生理环境，使细胞形态、分化、细胞与基质间的相互作用以及细胞与细胞间的相互作用无法在接近体内生理条件下进行。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的在于在传统盐析丝素蛋白支架的基础上，通过引入导电聚合物聚吡咯，克服了现有技术所得丝素蛋白多孔支架材料不导电的问题，本专利技术提出了一种三维支架材料，同时克服了二维聚吡咯复合膜无法提供接近体内生理条件的问题。本专利技术提出了一种工程化组织构建用多孔导电三维支架材料。该支架材料是以丝素蛋白多孔支架为基材，在孔壁上聚合形成聚吡咯，该支架中的丝素蛋白和聚吡咯质量比为1:(0.033-0.333)。本专利技术还提出了上述导电多孔支架材料的制备方法，先在丝素蛋白多孔材料加入单宁酸、吡咯混合溶液，浸润冷却后再注射六水合三氯化铁水溶液，使其发生聚合。上述制备方法按照以下步骤进行：(1)制备丝素蛋白溶液，该丝素蛋白溶液具有第一浓度；(2)对步骤(1)所述丝素蛋白溶液进行浓缩处理，使该丝素蛋白溶液具有第二浓度，所述第二浓度大于第一浓度；(3)调整步骤(2)浓缩后的丝素蛋白溶液的质量分数，使所述丝素蛋白溶液的质量分数达到6％-10％；(4)利用盐析法，以氯化钠为成孔剂将步骤(3)得到的丝素蛋白溶液制成支架并静置，然后去除所述支架中的氯化钠，得到海绵组织；(5)将步骤(4)所述海绵组织干燥处理，获得干态的丝素蛋白多孔材料；(6)配置单宁酸水溶液，摩尔浓度为7mM；(7)向步骤(6)所述单宁酸水溶液中加入吡咯单体，吡咯单体与单宁酸的摩尔比为13-133；(8)配置六水合三氯化铁水溶液，摩尔浓度范围为0.2714M-2.714M，于4℃条件下保存；(9)向干燥所得的丝素蛋白多孔材料放入步骤(7)所得的溶液，超声1-10min使溶液完全浸润丝素蛋白支架，放入冰箱降温至4℃；(10)将步骤(8)所得的溶液注射入步骤(9)所得的丝素蛋白支架，支架孔壁上形成聚吡咯导电聚合物，随后将支架材料放入去离子水中浸泡三天，去除过量的杂质和离子，即可制备得到丝素蛋白-聚吡咯导电多孔支架材料。上述制得的丝素蛋白/聚吡咯导电多孔支架的电导率为2-12×10-2S·cm-1，支架材料的孔径为280-320μm，可以作为多种组织的支架材料，可以支持细胞的粘附和生长，有利于细胞间电信号的传导，并能促进心肌成纤维细胞的增殖。与现有技术相比，本专利技术具有如下优异效果：本专利技术公开的支架材料以多孔丝素蛋白支架为基质，同时在其孔内聚合形成导电聚合物聚吡咯，赋予其导电特质。与普通二维聚吡咯复合膜相比，该导电多孔三维支架更接近体内的立体生理环境，使细胞形态、分化、细胞与基质间的相互作用以及细胞与细胞间的相互作用更加接近体内生理条件下的细胞行为；比普通的三维支架具有更好的导电性，克服了三维细胞培养过程中电信号传导受阻的普遍问题。此外，本专利技术制备的支架材料通过两步聚合的方式制备，该制备方法免除了有机溶剂的参与，具有良好的生物相容性。制备得到的多孔支架具有合适的孔隙率，孔径在300μm左右，为细胞的生长与粘附提供足够的空间。聚吡咯的引入明显增强了支架的导电特性，有利于心肌成纤维细胞的生长增殖，电刺激可以促进这种效果。该材料良好的生物相容性、优异的导电特性以及可控的力学性能、高孔隙率等优点能够支持多种细胞的粘附与生长，有利用细胞间电信号的传导，在组织工程，尤其是心肌组织工程的临床转化中具有潜在的应用前景。附图说明图1为不同丝素蛋白/聚吡咯比例的多孔支架的扫描电镜照片图；丝素蛋白/聚吡咯比例为(a)1:0，(b)1:0.033，(c)1:0.067，(d)1:0.1，(e)1:0.117and(f)1:0134。图2为将心肌成纤维细胞种植到聚吡咯含量为100，200，300，350，400mmol的多孔支架材料中3天后进行细胞活死染色的结果图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作详细描述，但本专利技术的实施不仅限于此。实施所用的主要原料丝素蛋白溶液、单宁酸、吡咯、六水合三氯化铁等均为化学纯。实施例1丝素蛋白/聚吡咯比例为1:0.067的导电多孔支架制备导电多孔支架制备的操作步骤如下：(1)向12孔板中加入质量分数为8％丝素蛋白溶液，每个孔板加入2mL；(2)氯化钠颗粒过筛得到400μm盐颗粒，将盐加入到步骤(1)的孔板中，每个孔加入3g；(3)静置24h，将步骤(2)的孔板浸入去离子水中，去除支架中的氯化钠，得到海绵组织，将所述海绵组织放入-40℃冰箱过夜；(4)将步骤(3)冷冻的海绵组织放入四环冻干机，-60℃冻干24小时；(5)称取7.2mg单宁酸，溶于600μL去离子水，向所得单宁酸水溶液中加入8.4μL吡咯，4℃下400r/min，搅拌30min；(6)称取88mg六水合三氯化铁，溶于600μL去离子水，放入4摄氏度保存；(7)向干燥所得的丝素蛋白多孔材料放入步骤(5)所得的溶液，超声5min使溶液完全浸润丝素蛋白支架，放入冰箱降温至4摄氏度；(8)将步骤(6)所得的溶液注射入步骤(7)所得的丝素蛋白支架，支架孔壁上在2秒内形成黑色的聚吡咯导电聚合物，随后将支架材料放入去离子水中浸泡本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种导电多孔三维组织工程支架材料，其特征在于，所述支架材料是以丝素蛋白多孔支架为基材，在孔壁上聚合形成聚吡咯，所述丝素蛋白和聚吡咯的质量比为1:(0.033‑0.333)。

【技术特征摘要】
1.一种导电多孔三维组织工程支架材料，其特征在于，所述支架材料是以丝素蛋白多孔支架为基材，在孔壁上聚合形成聚吡咯，所述丝素蛋白和聚吡咯的质量比为1:(0.033-0.333)。2.根据权利要求1所述导电多孔三维组织工程支架材料，其特征在于，所述支架材料的电导率为2-12×10-2S·cm-1。3.根据权利要求1所述导电多孔三维组织工程支架材料，其特征在于，所述支架材料的孔径为280-320μm。4.权利要求1所述导电多孔三维组织工程支架材料的制备方法，其特征在于，先在丝素蛋白多孔材料加入单宁酸、吡咯混合溶液，浸润冷却后再注射六水合三氯化铁水溶液，使其发生聚合。5.根据权利要求4所述导电多孔三维组织工程支架材料的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：(1)制备丝素蛋白溶液，该丝素蛋白溶液具有第一浓度；(2)对步骤(1)所述丝素蛋白溶液进行浓缩处理，使该丝素蛋白溶液具有第二浓度，所述第二浓度大于第一浓度；(3)调整步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王常勇，周瑾，殷琦，刘伟，朱惠敏，王春兰，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院军事医学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11