用于细胞培养和组织再生的支架

本发明涉及用于组织工程应用如细胞培养，组织再生和伤口修复的生物材料及其制备方法。本发明提供了在组织工程中使用的模拟天然细胞外基质的支架以及制备和使用所述具有纤维和孔隙率的支架的方法，所述支架优选地用于细胞生长。特别地，这些方法通过调节在大分子溶液中的冰结晶，使用一种简易的策略来创建具有共同有序排列的纳米纤维和任选的大通道的分层3d架构。本发明还提供了支架在促进细胞生长中的用途以及用作生物医学植入物的用途。

背景技术：

0、发明背景

1、生物材料已经在组织工程中引起了极大的兴趣。理想的生物材料应提供仿生三维(3d)环境和支持，并能够通过与细胞相互作用并在空间和时间上介导复杂的多细胞相互作用来指导细胞行为和功能。为了最佳地调节细胞命运和活性，正在不断开发生物材料以模仿天然细胞外基质(ecm)的结构特征和功能。天然的ecm以具有直径范围在50到500nm之间的复杂纳米纤维的3d多孔结构而存在。ecm的主要成分是胶原蛋白，其具有各种结构排列，例如胶原蛋白纤维在不同组织中的定位。在特定的组织中，细胞对ecm的特征进行充分地响应，以维持其独特的行为和功能。

2、在具有各向异性结构特征的许多组织(例如硬脑膜、腱、韧带、鼓膜和肌肉组织)中，细胞和ecm纤维高度有序。这些独特的有序排列支持组织和器官的特定生理功能。例如，硬脑膜和鼓膜组织的径向有序排列的纳米纤维基质分别运输血液和传导声音。在骨骼肌、腱和韧带组织中，纵向有序排列的纤维束可支持运动和机械负载。使用不同的技术(例如静电纺丝和旋转喷射纺丝)，已在二维(2d)材料中生产了具有有序排列的纳米纤维的结构。但是，这些2d有序排列的矩阵不能模拟天然各向异性组织的3d特性，因而不能为3d空间中的细胞和组织提供支持。另外，二维有序排列的材料的缺点是，由于制造过程中的机械拉伸而导致它们具有非常小的孔径和低孔隙率。

3、很难获得基于有序排列纤维的3d支架，特别是基于有序排列纤维的具有相互联系的大孔隙的3d支架。此外，使用当前可用的技术(例如，具有朝向短轴的纤维有序排列的管，或具有朝向中心的纤维有序排列的球体)在空间上获得期望的纤维有序排列是具有挑战性的。当前，基于有序排列的纤维的结构的主要形式是二维膜和具有非常薄的壁(二维)的管，所述管由沿着管的长轴有序排列的纳米纤维组成。另外，具有随机纤维取向的预先存在的3d支架不具有足够的互连性和孔径。

4、再生各向异性组织的理想材料应具有3d仿生结构，所述3d仿生结构具有有序排列的纳米纤维和相互联系的大孔隙，以指导细胞生长，促进营养/氧气/废物的运输/交换和细胞间通讯。尽管人们对模仿ecm的天然结构特征和功能的兴趣日益浓厚，但具有高度有序排列的纳米纤维和大孔隙的支架的制备一直具有挑战性。

5、当前，伤口或受损组织的标准处理方法是使用自体移植。然而，其通常受到感染的高风险和供体部位不足的限制。此外，自体移植可导致供体部位的继发性伤口，并且可在施用部位和供体部位引起严重的疤痕。

6、因此，期望开发一种具有有序排列纤维和充分互连性以及孔尺寸的支架来作为适用于组织工程的材料，以及一种制备和使用所述支架以促进块体3d支架中的细胞生长和组织形成的方法。

7、仅出于为本发明提供上下文的目的，在本说明书中包括了对文档、动作、材料、设备、物品等的讨论。尽管它们在本申请的每项权利要求的优先权日之前就在存在，但这并不表示或代表这些问题中的任何一个或全部构成了现有技术基础的一部分，或者是与本发明有关的领域中的公知常识。

8、在本说明书(包括权利要求书)中使用术语“包括”及其复数形式和时态变位时，其应解释为明确规定存在所述特征、整数、步骤或组分，但并不排除存在一种或多种其他的特征、整数、步骤或组分或它们的组合。

技术实现思路

1、概述天然细胞外基质(ecm)的结构特征和功能的愿望推动了组织工程支架的不断发展。然而，创建具有有序排列的纳米纤维和相互联系的大孔隙的3d架构来模仿各向异性组织的ecm仍然具有挑战性。

2、因此，在本发明的一个方面，提供了一种制备支架的方法，所述方法包括以下步骤：提供包含纤维形成分子的溶液；使溶液经过冷却介质以在冷却介质与溶液之间的界面处建立温差；由于温差而冷却溶液，以引起溶液中的溶剂结晶以及纤维的有序排列，从而形成支架。

3、有利地是，在某些具体实施方式中，本发明的具有有序排列纤维的支架可以促进细胞的粘附、增殖和分化中的至少一种，因为该支架模仿天然的细胞外基质的结构。

4、因此，在另一个具体实施方式中，本发明进一步包括使支架经过溶液，随后进行额外的冷却步骤以在支架中引起溶剂结晶和通道。在某些具体实施方式中，通道与有序排列的纤维基本上是共同有序排列的。

5、在某些具体实施方式中，在支架中形成的通道可以促进细胞粘附(捕获)和增殖中的至少一种。在本发明的支架中形成的通道可以促进用于组织再生的三维细胞生长或细胞培养。

6、因此，另一方面，本发明提供了一种多孔的仿生支架，其包括大致有序排列纤维的基质。在另一方面，本发明提供了一种多孔的仿生支架，其包括大致有序排列纤维的三维基质。在另一方面，本发明提供了一种包含纤维基质的多孔仿生支架。在一些具体实施方式中，纤维是有序排列的。在一些具体实施方式中，纤维是径向有序排列的、线性有序排列的或纵向有序排列的纤维。在一些实施例中，纤维是单向有序排列的。

7、本发明的支架可以用于细胞培养和组织工程应用。在某些具体实施方式中，本发明提供的支架包括对遭受组织损伤且需要组织修复和/或再生的哺乳动物的治疗方法，其包括将本发明的支架施用至损伤部位。

8、在一些具体实施方式中，发明人发现在某些情况下支架在生物系统中是稳定的，因此可以用于细胞培养、药物输送、受损组织的愈合或治疗。

技术特征：

1.一种多孔三维仿生支架，包括：

2.根据权利要求1所述的多孔三维仿生支架，其特征在于，所述多孔三维仿生支架包括沿所述纳米纤维壁的纳米纤维分散的纳米颗粒。

3.根据权利要求1所述的多孔三维仿生支架，其特征在于，所述通道的壁由沿所述通道的方向有序排列的纳米颗粒和纳米纤维组成。

4.根据权利要求1所述的多孔三维仿生支架，其特征在于，所述有序排列的纳米纤维的长度至少为50纳米。

5.根据权利要求1所述的多孔三维仿生支架，其特征在于，所述有序排列的纳米纤维是径向有序排列的纤维、线性有序排列的纤维或纵向有序排列的纤维。

6.根据权利要求1所述的多孔三维仿生支架，其特征在于，所述有序排列的纳米纤维由选自如下的至少一种天然聚合物形成：丝素蛋白、海藻酸盐、牛血清白蛋白、胶原蛋白、壳聚糖、明胶、丝胶蛋白、透明质酸和淀粉。

7.根据权利要求1所述的多孔三维仿生支架，其特征在于，所述纳米颗粒由选自如下的至少一种天然聚合物形成：丝素蛋白、海藻酸盐、牛血清白蛋白、胶原蛋白、壳聚糖、明胶、丝胶蛋白、透明质酸和淀粉。

8.根据权利要求1所述的多孔三维仿生支架，其特征在于，所述有序排列的纳米纤维由选自如下的至少一种合成聚合物形成：乙烯基聚合物、聚(环氧乙烷)、聚甲醛、聚乙醛、聚(3-丙酸酯)、聚(10-癸酸酯)、聚(对苯二甲酸乙二酯)、聚己内酰胺、聚(11-十一烷酰胺)、聚(六亚甲基癸二酰胺)、聚(对苯二甲酸间苯二酯)、聚(四亚甲基-间苯磺酰胺)及其共聚物。

9.根据权利要求1所述的多孔三维仿生支架，其特征在于，所述多孔三维仿生支架还包括至少一种选自如下的添加剂：药物、生长因子、聚合物、表面活性剂、化学品、颗粒、致孔剂及其组合。

10.根据权利要求l所述的多孔三维仿生支架，其特征在于，所述多孔三维仿生支架还包括至少一种佐剂，如表面活性剂、防腐剂、润湿剂、乳化剂和分散剂。

11.根据权利要求1所述的多孔三维仿生支架，其特征在于，所述有序排列的纳米纤维是交联的，例如用交联剂交联的。

12.根据权利要求14所述的多孔三维仿生支架，其特征在于，所述支架还包括选自如下的添加剂：药物、生长因子、聚合物、表面活性剂、化学品、颗粒、致孔剂及其组合。

13.一种生物医学植入物，包括根据权利要求1到12中任一项所述的多孔三维仿生支架。

14.根据权利要求1到12中任一项所述的多孔三维仿生支架在捕获和培养细胞以促进细胞生长中的用途。

15.包括根据权利要求1到12中任一项所述的多孔三维仿生支架的生物医学植入物作为用于细胞培养、组织修复和/或组织工程的细胞载体的模板的用途。

16.根据权利要求1到12中任一项所述的多孔三维仿生支架或根据权利要求13所述的生物医学植入物在治疗受损组织以及用于治疗患有组织损伤并需要组织恢复和/或再生的哺乳动物中的用途。

技术总结
一种多孔三维仿生支架，包括形成用于细胞生长的通道的纳米纤维壁，其中所述通道的直径为100微米至1000微米。所述纳米纤维壁包括：大致有序排列的直径为20纳米至5000纳米的纳米纤维的基质，以及直径为20纳米至1500纳米的孔。所述孔以所述纳米纤维采用的方位有序排列。

技术研发人员：范林鹏,J·L·李,X·G·王
受保护的技术使用者：迪肯大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13