[发明专利]多孔性和抗张强度提高的胶原蛋白基质及其利用机械刺激系统的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用机械刺激系统制备多孔性和抗张强度提高的胶原蛋白 基质的方法。具体来说，在向胶原蛋白凝胶底部周期性非连续地施加物理力 量的条件下，刺激含有细胞的凝胶。将物理力量横向施加于胶原蛋白凝胶的 底部，由此诱导细胞和胶原蛋白基质同时接受不同类型的力量。该诱导向细 胞发出复杂信号，因此调控胶原蛋白的产生和消化，以产生多孔性和抗张强 度提高的胶原蛋白基质。改善的胶原蛋白基质可用于制备人工器官，也可作 为真皮填充物或真皮替代物。

背景技术

生物材料如胶原蛋白，越来越多地用于药用领域，并且应用于损伤的结 缔组织的重建和基因治疗。胶原蛋白基质(collagen matrix)适合各类细胞的生 长，并以基质、凝胶或膜等形式广泛用于制备重建的组织。但是，通过凝胶 化的胶原蛋白溶液制备的胶原蛋白基质很脆弱，而不适合人工器官的培养， 如人工皮肤、软骨和骨骼等。为了解决上述问题，现已开发了多种多样的技 术，如包括尼龙等聚合体的使用、胶原蛋白网丝的使用、以及胶原蛋白和壳 聚糖(chitosan)混合使用等，但获得的产品并不能令人满意。因此，急需制备 更紧凑的胶原蛋白基质的方法，并且此方法对组织工程改造也非常重要。

生物体可以呼吸和运动、并不断和外部环境相互作用。但是在试验条件 下，细胞在调控的条件下培养于反应器中，而无任何外部刺激。换句话说， 培养的条件如空气、温度、湿度等通常不同于细胞的天然条件，因此，在培 养系统中，开始使用物理刺激，以提供更与体内类似的环境。

据报道，不同的机械刺激激发不同的细胞应答。在骨细胞中，剪应力 (Shear stress)刺激通过骨细胞连接蛋白(connexin)的移动，而诱发前列腺素E2 (ProstaGlandin E2，PGE2)的游离(Cherian PP et al，Mol Biol Cell，16(7)：3100-6， 2005)；软骨组织培养时，周期性压迫能显著增加胶原蛋白合成(Waldman SD et al，Tissue Eng.Sep-Oct；10(9-10)：1323-31，2004)等等。根据上述研究结果， 拉长的机械刺激(Wang JG，et al，Ann Biomed Eng，33(3)：337-42，2005； Katsumi A et al，J Biol Chem，280(17)：16546-9，2005)或者提高培养液内压力 (hydrostatic fluid pressure)等方法(Mizuno et al，J Cell Physiol，193(3)：319-7， 2002)已用于骨和软骨的培养。

但是，机械刺激影响真皮成纤维细胞的作用机制尚未阐明清楚。文献报 道，机械刺激可调节成纤维细胞细胞外基质基因的表达。尽管不了解机械刺 激的机制，但推断，肌肉的收缩力或重力通过细胞外基质传递至细胞骨架 (cytoskeleton)，而后变为细胞内信号(Sarasa-Renedo A，et al.，Scand J Med Sci Spots，Aug；15(4)：223-230，2005)。

发明内容

发明简述

在本发明中，发明人试图建立一种方法，在该方法中，发明人可培养具 有优良多孔性和抗张强度(tensile strength)的胶原蛋白基质。对于组织改造技 术，急需具有优良多孔性和抗张强度的胶原蛋白基质。在本发明中，发明人 对胶原蛋白基质的培养使用横向脉冲负载(transverse impulse loading)，并且 发现横向脉冲负载可显著提高胶原蛋白的合成和胶原蛋白基质的改造。因 此，横向脉冲负载可产生具有优良多孔性和抗张强度的胶原蛋白。

在一个实施方案中，本发明提供了制备含有哺乳动物细胞的胶原蛋白 基质的方法，包括如下步骤：

a)将哺乳动物细胞和含有一种材料的溶液混合，制备含有哺乳动物细胞 的凝胶，所述材料选自下组：胶原蛋白、纤维蛋白和其混合物；和