可降解复合纳米纤维三维材料及其在组织修复中的用途
技术领域
本发明属于可降解材料技术领域，具体涉及一种可降解复合纳米纤维三维材料及其在组织修复中的用途。
背景技术
组织、器官的丧失以及功能障碍是人类健康所面临的主要危害之一，也是人类疾病和死亡的最主要原因。多年来，人们为提高器官移植技术做出了巨大的努力，但器官和组织短缺仍然是最主要的问题。这也就促进了更多可用于替代天然器官和组织的人工修复材料的研究工作。组织工程(Tissue Engineering)的概念由美国国家科学基金会于1987年最早正式提出，其定义是用生命科学和工程学的原理及技术，构建、培育活组织，研制生物替代物，以修复或重建组织器官的结构，维持或改善组织器官功能的一门新兴的边缘学科。其基本方法是将体外培养的高浓度组织细胞(即种子细胞)，种植于一种生物相容性良好，具有三维空间结构，并可逐渐在生物体内降解吸收的生物材料上，使细胞能按预制形态的三维支架生长，以达到修复缺损和重建功能的目的。发展至今，人类建造的工程化组织已包括有：结构类，如人造皮肤、硬骨、软骨等；代谢类，如人造肝、脾、肾等；细胞类，即离体培养的体细胞等。
细胞外基质(extracellular matrix，ECM)是由细胞分泌至细胞外的大分子(主要为胶原蛋白及多糖类物质)所构成的错综复杂的网络，起到支持并连接组织结构、调节组织发生和细胞生理活动的作用。不同组织的细胞外基质，其与细胞表面接触的结构具有多样性。例如：角膜的细胞外基质为透明柔软的片层，肌腱的则坚韧如绳索。有研究表明，体内的细胞外基质可通过细胞传导系统影响组织细胞的形状、代谢、迁移、增殖和分化。因此可以认为同类型的不同细胞在作为生物网络支架的细胞外基质上黏附、增殖、分化，需要其特定的表面形貌。这种材料的表面形貌对细胞的定植和形态有着重要的影响。同理，基于细胞外基质的原理而制作的组织工程修复材料也应该具备同样的特性。
目前，合成高分子则存在亲水性差，不利于细胞粘附的问题。寻找新的适宜的纳米纤维材料对推动神经组织工程的发展和应用非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以用于组织修复材料中稳定、多孔、生物相容性好、溶失率低的复合纳米纤维三维材料。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：
一种可降解复合纳米纤维三维材料的制备方法，包括：将丝素蛋白纳米纤维溶液、京尼平苷酸接枝多巴胺、明胶混合后，冷冻3-12h，真空干燥得到复合纳米纤维三维材料。京尼平苷酸中含有多元环结构，同多巴胺接枝后，拥有强的亲附性能，并且因其分子中的多元羟基使复合纳米纤维三维材料多种组分之间相互作用力强，紧紧结合在一起，对血液等含水组分具有高的亲和性，但因材料间的相互作用，并不会大量溶解导致材料解体，只会在生物酶的作用下慢慢降解。丝素蛋白纳米纤维溶液、京尼平苷酸接枝多巴胺、明胶在制备复合纳米纤维三维材料时，形成多孔结构。含有多个羟基的京尼平苷酸接枝物均匀分散在复合纳米纤维三维材料中，使得孔壁表面上多含有大量亲水基团，有利于细胞在材料上的粘附；并且京尼平苷酸因多环具有刚性效果，使得复合纳米纤维三维材料能够保持原有的整体形貌和多孔的微观结构，具有良好的稳定性。
优选地，京尼平苷酸接枝多巴胺的制备：将京尼平苷酸溶解于水中，调pH至5.0-6.5，加入催化剂1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，溶解后加入盐酸多巴胺，氮气氛围下，5-35℃的温度下反应12-36h，透析除去催化剂及未反应单体后，冷冻干燥得到多巴胺接枝物。
更优选地，京尼平苷酸的添加量为水溶液的1-5wt％，例如，1.15、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5wt％。
更优选地，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐的添加量为水溶液的0.5-6wt％，例如，0.55、0.95、1.55、1.95、2.5、3、3.5、4、5、5.95wt％。
更优选地，N-羟基琥珀酰亚胺的添加量为水溶液的1.5-8wt％，例如，1.7、2.2、2.7、3.5、4、5、6、7、7.5wt％。
更优选地，盐酸多巴胺的添加量为水溶液的1-4wt％，例如，1.5、2、2.5、3、3.5、3.9wt％。
优选地，丝素蛋白纳米纤维溶液的制备：在沸腾的水中加入碳酸氢钠，溶解后加入蚕丝，搅拌10-60min后，洗涤烘干得到脱胶蚕丝；将脱胶蚕丝加入溴化锂溶液中，于40-80℃的温度下溶解2-6h，装入透析袋(截留分子量3500)，去离子水透析48-96h后除去溴化锂，透析后的溶液经6000-12000r/min转速下离心10-30min，重复2-3次除去杂质得到丝素蛋白溶液，丝素蛋白溶液20-30℃干燥成膜，加水溶解制备得到3-15wt％的丝素蛋白纳米纤维溶液。
更优选地，碳酸氢钠的添加量为水溶液的0.05-0.5wt％，例如，0.1、0.15、0.2、0.25、0.35、0.45、0.49wt％。
更优选地，蚕丝的添加量为水溶液的0.05-2wt％，例如，0.08、0.15、0.3、0.5、1.3、1.8、1.9wt％。
更优选地，脱胶蚕丝的添加量为溴化锂溶液的10-30wt％，例如，10.5、11、12、15、20、25、26、27、29wt％.
更优选地，溴化锂的浓度为8-10M。
优选地，复合纳米纤维三维材料的制备：将丝素蛋白纳米纤维溶液、多巴胺接枝物、明胶于25-35℃的温度下混合均匀，将混合液于-25～-15℃的温度下冷冻6-24小时，真空干燥24-96h后得到可降解复合纳米纤维三维材料。
更优选地，多巴胺接枝物的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的3-12wt％，例如，3.5、5、6、7、8、9、11、11.5wt％。
更优选地，明胶的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的3-10wt％，例如，3.5、4、4.5、5.5、6、8、9.5、9.8wt％。
优选地，复合纳米纤维三维材料还可按以下条件制备：将丝素蛋白纳米纤维溶液、多巴胺接枝物、明胶、虾青素、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷于25-35℃的温度下混合均匀，将混合液于-25～-15℃的温度下冷冻6-24小时，真空干燥24-96h后得到可降解复合纳米纤维三维材料；虾青素中含有长链、六元环及分子中含有羟基及羰基，矢车菊素-3-O-葡萄糖苷中含有支链、羟基和醚基，虾青素和矢车菊素-3-O-葡萄糖苷分子中部分含有极性，在复合纳米纤维三维材料中以氢键、范德华力相连接，提高分子间作用力，虾青素和矢车菊素-3-O-葡萄糖苷的链及相应的极性部分提高了复合纳米纤维三维材料的力学性能。同时因为虾青素和矢车菊素-3-O-葡萄糖苷的存在提供了一定的消炎效果，不引起生物有机体的免疫排斥效果。
更优选地，多巴胺接枝物的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的3-12wt％，例如，3.5、4、6、8、10、11.3、11.8wt％。
更优选地，明胶的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的3-10wt％，例如，3.5、4、5、6.5、7、8.5、9.5wt％。
更优选地，虾青素的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的1-10wt％，例如，2、3.5、4、5.5、6、7、8、9.5wt％。
更优选地，矢车菊素-3-O-葡萄糖苷的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的1-6wt％，例如，1.5、2、3、4、5、5.5wt％。
本发明由于在制备复合纳米纤维三维材料过程中采用了多巴胺接枝物、虾青素、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷，因而具有如下有益效果：复合纳米纤维三维材料上接种的细胞增殖效果由DNA总量表征，三维材料表面细胞DNA的总量至少提高了42.86％，复合纳米纤维三维材料的溶失率最高只有11％，复合纳米纤维三维材料的拉伸强度至少提高了20％。因此，本发明是一种可以用于组织修复材料中稳定、多孔、生物相容性好、溶失率低的的复合纳米纤维三维材料。
附图说明
图1为多巴胺盐酸盐和多巴胺接枝物红外图；
图2为复合纳米纤维三维材料电镜图；
图3为复合纳米纤维三维材料表面DNA含量图；
图4为复合纳米纤维三维材料溶失率图；
图5为复合纳米纤维三维材料拉伸强度图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：
实施例1：
一种可降解复合纳米纤维三维材料的制备方法，
(1)多巴胺接枝物制备：将京尼平苷酸溶解于水中，调pH至5.5，加入催化剂1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，溶解后加入盐酸多巴胺，氮气氛围下，25℃的温度下反应24h，透析除去催化剂及未反应单体后，冷冻干燥得到多巴胺接枝物；京尼平苷酸的添加量为水溶液的3wt％，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐的添加量为水溶液的3wt％，N-羟基琥珀酰亚胺的添加量为水溶液的4wt％，盐酸多巴胺的添加量为水溶液的2wt％。
(2)丝素蛋白纳米纤维溶液制备：在沸腾的水中加入碳酸氢钠，溶解后加入蚕丝，搅拌20min后，洗涤烘干得到脱胶蚕丝；将脱胶蚕丝加入溴化锂溶液中，于60℃的温度下溶解4h，装入透析袋(截留分子量3500)，去离子水透析48h后除去溴化锂，透析后的溶液经9000r/min转速下离心15min，重复2次除去杂质得到丝素蛋白溶液，丝素蛋白溶液25℃干燥成膜，加水溶解制备得到10wt％的丝素蛋白纳米纤维溶液；碳酸氢钠的添加量为水溶液的0.3wt％，蚕丝的添加量为水溶液的0.5wt％，脱胶蚕丝的添加量为溴化锂溶液的25wt％，溴化锂的浓度为9.3M。
(3)复合纳米纤维三维材料制备：将丝素蛋白纳米纤维溶液、多巴胺接枝物、明胶于30℃的温度下混合均匀，将混合液于-20℃的温度下冷冻12小时，真空干燥60h后得到可降解复合纳米纤维三维材料；多巴胺接枝物的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的5wt％，明胶的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的6wt％。
实施例2：
一种可降解复合纳米纤维三维材料的制备方法，
(1)多巴胺接枝物制备：将京尼平苷酸溶解于水中，调pH至5.5，加入催化剂1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，溶解后加入盐酸多巴胺，氮气氛围下，25℃的温度下反应24h，透析除去催化剂及未反应单体后，冷冻干燥得到多巴胺接枝物；京尼平苷酸的添加量为水溶液的3wt％，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐的添加量为水溶液的3wt％，N-羟基琥珀酰亚胺的添加量为水溶液的4wt％，盐酸多巴胺的添加量为水溶液的2wt％。
(2)丝素蛋白纳米纤维溶液制备：在沸腾的水中加入碳酸氢钠，溶解后加入蚕丝，搅拌20min后，洗涤烘干得到脱胶蚕丝；将脱胶蚕丝加入溴化锂溶液中，于60℃的温度下溶解4h，装入透析袋(截留分子量3500)，去离子水透析48h后除去溴化锂，透析后的溶液经9000r/min转速下离心15min，重复2次除去杂质得到丝素蛋白溶液，丝素蛋白溶液25℃干燥成膜，加水溶解制备得到10wt％的丝素蛋白纳米纤维溶液；碳酸氢钠的添加量为水溶液的0.3wt％，蚕丝的添加量为水溶液的0.5wt％，脱胶蚕丝的添加量为溴化锂溶液的25wt％，溴化锂的浓度为9.3M。
(3)复合纳米纤维三维材料制备：将丝素蛋白纳米纤维溶液、多巴胺接枝物、明胶于30℃的温度下混合均匀，将混合液于-20℃的温度下冷冻12小时，真空干燥60h后得到可降解复合纳米纤维三维材料；多巴胺接枝物的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的10wt％，明胶的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的6wt％。
实施例3：
一种可降解复合纳米纤维三维材料的制备方法，
(1)多巴胺接枝物制备：将京尼平苷酸溶解于水中，调pH至5.5，加入催化剂1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，溶解后加入盐酸多巴胺，氮气氛围下，25℃的温度下反应24h，透析除去催化剂及未反应单体后，冷冻干燥得到多巴胺接枝物；京尼平苷酸的添加量为水溶液的3wt％，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐的添加量为水溶液的3wt％，N-羟基琥珀酰亚胺的添加量为水溶液的4wt％，盐酸多巴胺的添加量为水溶液的2wt％。
(2)丝素蛋白纳米纤维溶液制备：在沸腾的水中加入碳酸氢钠，溶解后加入蚕丝，搅拌20min后，洗涤烘干得到脱胶蚕丝；将脱胶蚕丝加入溴化锂溶液中，于60℃的温度下溶解4h，装入透析袋(截留分子量3500)，去离子水透析48h后除去溴化锂，透析后的溶液经9000r/min转速下离心15min，重复2次除去杂质得到丝素蛋白溶液，丝素蛋白溶液25℃干燥成膜，加水溶解制备得到10wt％的丝素蛋白纳米纤维溶液；碳酸氢钠的添加量为水溶液的0.3wt％，蚕丝的添加量为水溶液的0.5wt％，脱胶蚕丝的添加量为溴化锂溶液的25wt％，溴化锂的浓度为9.3M。
(3)复合纳米纤维三维材料制备：将丝素蛋白纳米纤维溶液、多巴胺接枝物、明胶、虾青素、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷于30℃的温度下混合均匀，将混合液于-20℃的温度下冷冻12小时，真空干燥60h后得到可降解复合纳米纤维三维材料；多巴胺接枝物的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的10wt％，明胶的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的6wt％，虾青素的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的3wt％，矢车菊素-3-O-葡萄糖苷的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的2wt％。
实施例4：
一种可降解复合纳米纤维三维材料的制备方法，
(1)多巴胺接枝物制备：将京尼平苷酸溶解于水中，调pH至5.5，加入催化剂1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，溶解后加入盐酸多巴胺，氮气氛围下，25℃的温度下反应24h，透析除去催化剂及未反应单体后，冷冻干燥得到多巴胺接枝物；京尼平苷酸的添加量为水溶液的3wt％，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐的添加量为水溶液的3wt％，N-羟基琥珀酰亚胺的添加量为水溶液的4wt％，盐酸多巴胺的添加量为水溶液的2wt％。
(2)丝素蛋白纳米纤维溶液制备：在沸腾的水中加入碳酸氢钠，溶解后加入蚕丝，搅拌20min后，洗涤烘干得到脱胶蚕丝；将脱胶蚕丝加入溴化锂溶液中，于60℃的温度下溶解4h，装入透析袋(截留分子量3500)，去离子水透析48h后除去溴化锂，透析后的溶液经9000r/min转速下离心15min，重复2次除去杂质得到丝素蛋白溶液，丝素蛋白溶液25℃干燥成膜，加水溶解制备得到10wt％的丝素蛋白纳米纤维溶液；碳酸氢钠的添加量为水溶液的0.3wt％，蚕丝的添加量为水溶液的0.5wt％，脱胶蚕丝的添加量为溴化锂溶液的25wt％，溴化锂的浓度为9.3M。
(3)复合纳米纤维三维材料制备：将丝素蛋白纳米纤维溶液、多巴胺接枝物、明胶、虾青素、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷于30℃的温度下混合均匀，将混合液于-20℃的温度下冷冻12小时，真空干燥60h后得到可降解复合纳米纤维三维材料；多巴胺接枝物的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的10wt％，明胶的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的6wt％，虾青素的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的8wt％，矢车菊素-3-O-葡萄糖苷的添加量为丝素蛋白纳米纤维溶液的4wt％。
对比例1：
本对比例与实施例2相比，不同之处仅在于，第(3)步中未加入多巴胺接枝物。
对比例2：
本对比例与实施例2相比，不同之处仅在于，第(3)步中将多巴胺接枝物替换为多巴胺盐酸盐。
对比例3：
本对比例与实施例4相比，不同之处仅在于，第(3)步未添加矢车菊素-3-O-葡萄糖苷。
对比例4：
本对比例与实施例4相比，不同之处仅在于，第(3)步未添加虾青素。
试验例1：
1.多巴胺盐酸盐及多巴胺接枝物红外检测
对多巴胺盐酸盐及多巴胺接枝物的检测采用KBr压片法制样，用傅里叶变换红外光谱仪进行检测。
红外检测结果如图1所示，其中a为多巴胺盐酸盐，b为多巴胺接枝物；与多巴胺盐酸盐红外相比，多巴胺接枝物中2930cm-1处为烷烃氢的吸收峰更强，1630cm-1处有强烈的羰基吸收峰，表明成功合成了多巴胺接枝物。
2.形态表征
扫描电子显微镜(SEM)(型号为DXS 100，中国制造)观察制备的复合纳米纤维三维材料，分析电镜照片并计算复合纳米纤维三维材料平均孔径和孔隙率。
复合纳米纤维三维材料的扫描电镜图如图2所示，形成三维材料表面拥有大大小小的孔隙，成功制备得到高孔隙率的三维材料。
试验例2：
1.细胞相容性检测
通过DNA数量表征细胞的增殖效果。
将分离的大鼠原代骨髓间充质干细胞，用低糖DMEM培养基在CO2培养箱中培养，当细胞长满培养皿80％时进行传代。细胞传至第五代时接种到(直径5mm、厚度2mm)无菌的各实施例和对比例得到的复合纳米纤维三维材料上，细胞的接种密度为0.5×105个/mL。将接种细胞后的材料在CO2培养箱内放置2小时使细胞充分粘附到材料上，然后加入低糖DMEM培养基放置于37℃培养，每隔两天进行细胞换液。
接种细胞的材料分别于培养9天后，各取出5个放入无菌1.5ml离心管内，存放于-80℃冰箱中冻存。待实验全部结束后，将冻存的材料用眼科剪剪碎，用Omega公司的TissueDNA试剂盒进行细胞DNA的提取。
提取后的细胞DNA采用Invitrogen公司的Quant-iTTM PicoGreen@DNA试剂盒进行DNA含量的测定。在含有DNA的每个离心管内加入1ml的稀释后的PicoGreen试剂，混匀后避光反应30分钟。将反应后的混合液加入酶标板中，每孔加入100ul，每个样品重复6个孔。然后用Bio-Tek酶标仪测定反应后的溶液在激发波长为480nm，荧光发射强度为520nm处的荧光强度，根据DNA含量标准曲线和测得的荧光强度计算得出每个样品的DNA浓度。
细胞相容性测试结果如图3所示，实施例2得到的复合纳米纤维三维材料上DNA含量最高，表明细胞相容性最好，对比例1得到的复合纳米纤维三维材料上DNA含量最少，效果最差，实施例2与对比例1相比，表明多巴胺接枝物的添加提高了复合纳米纤维三维材料的细胞相容性，实施例2与实施例1相比，表明多巴胺接枝的添加量的提高同样可以增加复合纳米纤维三维材料的细胞相容性；实施例2与对比例2相比，表明多巴胺接枝物的效果优于多巴胺盐酸盐对于复合纳米纤维三维材料细胞相容性的提升，对比例2与对比例1相比，表明多巴胺盐酸盐同样可以提高复合纳米纤维三维材料的细胞相容性。
2.复合纳米纤维三维材料的溶失率测试
将各实施例和对比例得到的复合纳米纤维三维材料切割成大小基本一致的块，逐一称重，得到重量。准备若干个50ml离心管，每个离心管中加入一个样品，在离心管上做上标记。随后将离心管中的支架样品浸泡在去离子水中，放置到37℃恒温振荡水槽中进行溶失率实验，在72小时每种样品各取出3份。将取出的样品存放于-20℃冰箱中，待实验结束后一起放入真空干燥机内干燥，称重计算重量损失百分率。
复合纳米纤维三维材料的溶失率测试结果如图4所示，对比例1的溶失率最高，实施例2的溶失率最低，实施例2与对比例1相比，表明多巴胺接枝物的添加降低了复合纳米纤维三维材料在水溶液中的溶失率，实施例2与实施例1相比，表明多巴胺接枝的添加量的提高同样可以降低复合纳米纤维三维材料在水溶液中的溶失率；实施例2与对比例2相比，表明多巴胺接枝物的效果优于多巴胺盐酸盐对于复合纳米纤维三维材料在水溶液中的溶失率的降低，对比例2与对比例1相比，表明多巴胺盐酸盐同样可以提高复合纳米纤维三维材料在水溶液中的溶失率。
3.复合纳米纤维三维材料拉伸性能测试
将各实施例和对比例得到的复合纳米纤维三维材料制成4mm的复合管状材料，将复合管状材料剪成长度为1cm的管状，然后浸泡在PBS缓冲液中，待平衡后，使用半圆柱状的夹头，将半圆柱状的夹头伸入管中，保持管的内壁和夹头恰好完全重合。设置预压张力为0.1N，稳定3min后，拉伸速度为50mm/min，直至拉断为止，每个样品重复测试三次，求平均值。
复合纳米纤维三维材料拉伸性能测试结果如图5所示，实施例4得到的复合纳米纤维三维材料的拉伸强度最优，实施例2得到的复合纳米纤维三维材料拉伸强度最差，实施例4与对比例3相比，表明虾青素和矢车菊素-3-O-葡萄糖苷的共同添加产生的效果优于虾青素单一组分的添加，实施例4与对比例4相比，表明虾青素和矢车菊素-3-O-葡萄糖苷的共同添加产生的效果优于矢车菊素-3-O-葡萄糖苷单一组分的添加，对比例3、对比例4与实施例2相比，表明虾青素或矢车菊素-3-O-葡萄糖苷单一组分的添加可以相应提高复合纳米纤维三维材料一定的拉伸强度，综上所述，虾青素和矢车菊素-3-O-葡萄糖苷的添加提高了复合纳米纤维三维材料的拉伸强度，并且在两种组分共同添加使用时效果更佳。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
