[发明专利]生物大分子的水凝胶生物支架及其制备方法

说明书

技术领域

本申请涉及一种生物大分子的水凝胶生物支架及其制备方法，更具体地，涉及一种海藻酸盐水凝胶生物支架及其制备方法。 

背景技术

生物支架的制备是组织工程学研究的重要内容之一，理想的生物支架应具备以下特性：1.具有良好的生物相容性，能促进细胞的黏附并为细胞在其表面增殖提供适宜的微环境，在体外培养时无细胞毒性，植入体内时不会引起机体炎症和排斥反应；2.具有三维立体结构，内部互相贯通形成开放孔道结构，为细胞提供足够的黏附空间，并利于营养物质和代谢产物的传输；3.具有生物可降解性，与细胞的增殖速度相匹配，且降解产物对细胞繁殖无害，容易被机体代谢或吸收；4.可塑性强，方便构建与需要再生、修复的组织器官相同的外形；5.具有与被移植组织器官相适应的力学性能；6.方便消毒杀菌处理，且不影响材料的性质。 

作为生物材料应用的形式之一，水凝胶可定义为在水中溶胀并保持大量水分，可降解或不可降解的聚合物。由于水凝胶网络中充斥有大量的水分，使得整个材料具备了一种流体的性质，这与充盈有大量水分的机体组织极其相似，利于营养物质的传输和细胞代谢产物的排出，柔软湿润的表面以及组织亲和力大大减少了材料对周围组织的刺激性，使得水凝胶具有良好的生物相容性。水凝胶因其流动性很容易充满整个不规则的缺损部位，手术创伤非常微小且易于操作，最适合用于构建力学强度较低的软组织器官。用于制备水凝胶的材料有海藻酸盐，透明质酸，聚乙烯醇等。 

海藻酸盐是一种生物相容性优良的高亲水性天然多糖生物大分子，从海带、马尾藻等海藻类植物中提取得到，由古罗糖醛酸和甘露糖醛酸的分子链段组成，其中含有大量的羧基和羟基，相对分子量在32000～250000 之间，在接近温和的体内环境下，可作为组织细胞的培养基质及生物活性成份的控释载体。海藻酸钠在水中有很好的溶解性，将钠盐转化为钙盐时，可形成交联的水凝胶网络结构，既有弹性又有强度，可制备高含水的膜和颗粒。在组织再生研究中，海藻酸盐最终可被降解吸收，生成小分子多糖降解产物，无毒性。与其他聚合物相比，海藻酸盐价格低、来源丰富、易塑形、具有更好的亲水性，更适于细胞的贴壁生长和营养物质的渗透。 

作为适于细胞生长繁殖的生物支架，光有材料本身是不够的，组织工程的关键技术之一在于将生物材料制成具有特定形状和孔道结构的三维支架。研究表明，支架中孔的形状、大小和孔隙率直接影响细胞的迁移、分化和增殖，对新生组织的功能也有重要影响，而这些因素与采用的制备方法息息相关。通常用于构建生物支架的方法有溶液浇铸法、颗粒析出法，相分离法、气体发泡法、冷冻干燥法、快速成型法、电纺丝法以及多种方法的联合应用等。这些方法存在诸如有机试剂残留，过程复杂，成本过高等不足之处，限制了实际应用。 

图1示出了现有技术中压降/颗粒析出法及其制备的生物支架。具体制备过程(见图A)如下： 

将聚碳酸氨酯(PCU)溶解于二甲基甲酰胺(DMF)中，调控到适当的粘度，形成聚合物溶液。将造孔剂氯化铵(NH₄Cl)颗粒(图B)或石蜡球(图C)填充于玻璃柱状模具中，如图A所示将聚合物溶液从玻璃柱状模具上端导入，通过供气管和真空泵形成的压降组装聚合物溶液和造孔剂，当聚合物溶液到达玻璃柱状模具下端不锈钢筛网时停止组装。去除玻璃柱状模具，蒸发溶剂，并在水中析出氯化铵颗粒或在正己烷中析出石蜡球，即制得柱状(图D，E，H为微观结构)或管状生物支架(图F，G，I为微观结构)。Stéphanie Grenier，Martin Sandig，Kibret Mequanint.Polyurethane biomaterials for fabricating 3D porous scaffolds and supporting vascular cells.Journal of Biomedical Materials Research Part A，2007，82A，802-809。 

压降/颗粒析出法利用有机溶剂蒸发快速成型的原理在有机溶液中制备了非水溶性聚合物生物支架，并通过造孔剂溶解析出的方法在生物支架中原位形成多孔结构。但是，压降/颗粒析出法的缺点很明显： 

1.成本高，通过压降/颗粒析出法制备生物支架，必须使用空气压缩机，真空泵等特殊设备；氯化铵颗粒和石蜡球必须满足一定的尺寸要求，需要特殊设备制备氯化铵颗粒和石蜡球，并进行粒径筛选。 

2.过程复杂，通过压降/颗粒析出法制备生物支架，需要配制适当粘度的聚合物溶液，需要制备一定尺寸的造孔剂，需要调节空气压和真空泵获得适当的压降等繁琐步骤。