一种组织工程水凝胶支架及其制备方法和应用技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种组织工程水凝胶支架及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及组织工程
，特别涉及一种组织工程水凝胶支架及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]针对以上现有技术中的问题，本专利技术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。
[0006]为实现上述目的，本专利技术具体通过以下技术方案实现：
[0007]本专利技术第一方面提供了一种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。
[0008]进一步地，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5：1。
[0009]进一步地，所述组织工程水凝胶支架的横截面每平方毫米含有3
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12个所述胶原蛋白微球，且所述胶原蛋白微球直径为150
‑
350μm。
[0010]进一步地，所述胶原蛋白微球内部含有细胞悬液，所述细胞悬液的细胞浓度为4
×
105‑8×
105个/mL。
[0011]更进一步地，所述细胞悬液中所述内皮细胞和所述骨髓间充质干细胞的浓度比为1：1
‑
5。优选为1：3。
[0012]进一步地，所述胶原蛋白为Ⅰ型胶原蛋白。
[0013]进一步地，所述甲基丙烯酰化明胶交联网络为甲基丙烯酰化明胶光交联网络。
[0014]更进一步地，所述甲基丙烯酰化明胶光交联网络由甲基丙烯酰化明胶在光引发剂的作用下交联聚合而成。
[0015]本专利技术第二方面提供了如上所述的组织工程水凝胶支架的制备方法，包括以下步骤：
[0016]S1、将含有骨髓间充质干细胞和内皮细胞的细胞悬液加入到胶原蛋白溶液中，得到微球前体溶液，通过微流控技术，采用油包水结构制备胶原蛋白液滴，将所述胶原蛋白液滴固化之后除去油相，制得胶原蛋白微球；
[0017]S2、将所述胶原蛋白微球置于杂交生长培养基中培养，得到细胞活性良好的胶原蛋白微球溶液；
[0018]S3、将甲基丙烯酰基明胶溶液和纤维蛋白溶液混合，所述甲基丙烯酰化明胶和所述纤维蛋白的质量比为3
‑
8：1，再加入引发剂，得到水凝胶前聚体溶液；
[0019]S4、将所述胶原蛋白微球溶液和所述水凝胶前聚体溶液混合，得到生物墨水，将所述生物墨水置于低温下使其从液态变为凝胶态；
[0020]S5、通过3D打印技术将所述生物墨水打印成型，固化得到组织工程水凝胶支架。
[0021]进一步地，步骤S1中，所述微球前体溶液中细胞浓度为4
×
105‑8×
105个/mL，且所述内皮细胞和所述骨髓间充质干细胞的浓度比为1：1
‑
5，所述胶原蛋白浓度为8
‑
11mg/mL。
[0022]进一步地，步骤S1中，通过微流控技术，采用油包水结构制备胶原蛋白液滴时，以
所述微球前体溶液为分散相，无菌矿物油为连续相，所述分散相的泵入流速为5
‑
30μL/min，所述连续相的泵入流速为50
‑
300μL/min，制备得到的所述胶原蛋白微球直径为150
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350μm。
[0023]进一步地，步骤S2中，所述杂交生长培养基包括以下组分：DMEM高糖培养基、10％胎牛血清和1％双抗，所述双抗包括青霉素和链霉素。
[0024]进一步地，步骤S4中，将所述胶原蛋白微球溶液和所述水凝胶前聚体溶液按体积比4：1混合，得到所述生物墨水，将所述生物墨水置于10
‑
18℃下预冷15
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种组织工程水凝胶支架，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的组织工程水凝胶支架，其特征在于，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5：1。3.根据权利要求1所述的组织工程水凝胶支架，其特征在于，所述组织工程水凝胶支架的横截面每平方毫米含有3
‑
12个所述胶原蛋白微球，且所述胶原蛋白微球直径为150
‑
350μm。4.根据权利要求1所述的组织工程水凝胶支架，其特征在于，所述胶原蛋白微球内部含有细胞悬液，所述细胞悬液的细胞浓度为4
×
105‑8×
105个/mL。5.根据权利要求4所述的组织工程水凝胶支架，其特征在于，所述细胞悬液中所述内皮细胞和所述骨髓间充质干细胞的浓度比为1：1
‑
5。6.根据权利要求1所述的组织工程水凝胶支架，其特征在于，所述胶原蛋白为Ⅰ型胶原蛋白；所述甲基丙烯酰化明胶交联网络为甲基丙烯酰化明胶光交联网络，由甲基丙烯酰化明胶在光引发剂的作用下交联聚合而成。7.一种组织工程水凝胶支架的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1
‑
6任一项所述的组织工程水凝胶支架，包括以下步骤：S1、将含有骨髓间充质干细胞和内皮细胞的细胞悬液加入到胶原蛋白溶液中，得到微球前体溶液，通过微流控技术，采用油包水结构制备胶原蛋白液滴，将所述胶原蛋白液滴固化之后除去油相，制得胶原蛋白微球；S2、将所述胶原蛋白微球置于杂交生长培养基中培养，得到细胞活性良好的胶原蛋白微球溶液；S3、将甲基丙烯酰基明胶溶液和纤维蛋白溶液混合，所述甲基丙烯酰化明胶和所述纤维蛋白的质量比为3
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8：1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海光，胡鑫立，胡庆夕，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：