纤维化胶原蛋白海绵的制备及其自组装工艺_赵颖

实验将胶原蛋白体外自组装成胶原纤维，并以自组装 转化率为指标对组装工艺进行了优化，通过冷冻干燥技术 制备了纤维化胶原蛋白海绵，并对组装前后胶原蛋白海绵 的微观结构及物理化学性质进行了比较。
摘要 背景：传统的胶原蛋白海绵支架降解速度过快，机械强度低，在应用过程中容易塌陷，很难维持其固有形态， 不能满足长期执行细胞支架功能的需要，常见的交联方式又存在细胞毒性或胶原蛋白变性等缺陷。 目的：设计一种新的交联工艺，并对工艺条件进行优化，制备出力学性能和耐降解性能良好的胶原蛋白海绵 支架材料。 方法：通过体外自组装技术对胶原蛋白进行改性处理，制备具有丝状结构的胶原蛋白纤维，采用单因素分析 考察初始胶原蛋白质量浓度、磷酸盐终浓度及 pH 值对胶原蛋白自组装转化率的影响；根据单因素实验结果， 采用正交实验得到最佳胶原蛋白自组装工艺条件。将最佳工艺条件制备的胶原蛋白溶液与未进行改性处理的 胶原蛋白溶液冷冻干燥得到胶原蛋白海绵，并进行表征。 结果与结论：胶原蛋白体外自组装的最佳工艺为：初始胶原蛋白质量浓度为 2 g/L，pH=8，磷酸盐终浓度为 15 mmol/L，此时自组装转化率最大。扫描电镜显示改性处理胶原蛋白海绵具有纤维丝构成的网状结构，其溶 胀率、保水率、机械强度均高于未改性处理胶原蛋白海绵(P < 0.05)，克服了未改性处理胶原蛋白海绵降解过 快的缺陷。
中国组织工程研究 第 19 卷 第 30 期 2015–07–16 出版 Chinese Journal of Tissue Engineering Research July 16, 2015 Vol.19, No.30
纤维化胶原蛋白海绵的制备及其自组装工艺

赵 颖1，陆金婷2，邓 超2，任伟业2，陈敬华1(1江南大学药学院，江苏省无锡市 214122；2无锡贝迪生物工程有限公司，江苏省无锡 市 214092)
文章亮点： 1 传统的胶原蛋白海绵支架降解速度过快，机械强度低，在应用过程中容易塌陷，很难维持其固有形态，不 能满足长期执行细胞支架功能的需要。目前为了提高胶原蛋白材料的耐降解性能和机械强度，在不引入其他 材料的基础上，通常对其进行物理或化学交联，但物理交联往往交联度低并伴随着胶原蛋白变性等副反应， 化学交联又存在化学试剂残留、毒副反应等缺陷。 2 实验针对目前胶原蛋白交联工艺的技术缺陷，提出一种新的交联改性方法-离子键交联改性法，通过体外自 组装技术制备纤维化胶原，并对自组装工艺条件进行了优化研究，将改性后的胶原制备成胶原蛋白支架材料， 赋予材料良好的力学性能及耐降解性能。 关键词： 生物材料；材料相容性；胶原蛋白海绵；支架材料；自组装；纤维化；单因素分析；工艺优化；机械强度； 耐降解性能 主题词： 胶原；交联试剂 基金资助： 教育部博士点基金(20110093110008)；江苏省产学研联合创新资金-前瞻性联合研究项目(BY2014023-17)
目前为了提高胶原蛋白材料的耐降解性能和机械强 度，在不引入其他材料的基础上，通常对其进行物理或化 学交联，但物理交联往往交联度低并伴随着胶原蛋白变性 等副反应，化学交联又存在化学试剂残留、毒副反应等缺 陷[13-15]。因此，需采用合适的方法对胶原蛋白进行改性， 既能有效提高材料的力学性能、延缓其降解速率，又能保 持其优良的组织和细胞亲和特性。

0 引言 Introduction
支架材料作为细胞赖以生长、增殖的空间环境，在人 工组织的构建中起关键作用。按不同材料来源，支架材料 可分为合成高分子材料和天然高分子材料[1]。天然高分子 材料因具有抗原性低、不引起炎症反应和免疫排斥反应、 可生物降解等优点而受到广泛关注[2]。其中，胶原蛋白是 迄今为止最理想的细胞生长基质，具有良好的生物可降解 性、生物相容性，并且胶原蛋白具有特异性的分子识别信 号，可促进细胞黏附和增殖，诱导细胞分化，被视为最有 前途的生物材料，应用广泛[3-8]。理想的组织工程支架材料 需要合适的降解速率和一定的力学性能，但传统的胶原蛋 白海绵支架降解速度过快，机械强度低，在应用过程中容 易塌陷，很难维持其固有形态，不能满足长期执行细胞支 架功能的需要，极大限制了其应用[9-12]。
胶原蛋白分子在体内可组装成有序的纤维结构，赋予 了胶原蛋白更高的耐降解性能和机械强度[16-22]，这种胶原 分子的自组装同样可以在体外得到模拟[23-27]。据此，实验 针对已有的技术缺陷，提供了一种新的交联改性方法—— 离子键交联改性法，既避免了细胞毒性反应又能保持胶原 的生物学性能。由改性后的胶原制备得到的支架材料同样 应当具备良好的力学性能和耐降解性能。
Subject headings: Collagen; Cross-Linking Reagents Funding: the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China, No. 20110093110008; Jiangsu Production-Learning-Research Joint Innovation Fund, No. BY2014023-17
Zhao Ying1, Lu Jin-ting2, Deng Chao2, Ren Wei-ye2, Chen Jing-hua1 (1School of Pharmaceutical Science, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu Province, China; 2Beidi Biological Engineering Co., Ltd., Wuxi 214092, Jiangsu Province, China)
Zhao Y, Lu JT, Deng C, Ren WY, Chen JH. Preparation and self-assembly process of fibrillar collagen sponges. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2015;19(30):4820-4826.
赵颖，女，1989 年生，山 东省枣庄市人，江南大学 药学院在读硕士，主要从 事生物医用材料研究。
通讯作者：陈敬华，博士， 教授，博士生导师，江南 大学药学院，江苏省无锡 市 214122
中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:2095-4344 (2015)30-04820-07 稿件接受：2015-05-16
Zhao Ying, Studying for master’s degree, School of Pharmaceutical Science, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu Province, China
Corresponding author: Chen Jing-hua, M.D., Professor, Doctoral supervisor, School of Pharmaceutical Science, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu Province, China
Abstract BACKGROUND: An ideal scaffold material needs appropriate degradation rate and certain mechanical properties, but the traditional collagen sponge scaffold has rapid degradation velocity and low mechanical strength, which is easy to collapse and difficult to maintain its natural form. Traditional cross-linking methods also have the problems of cytotoxicity or collagen denaturation, severely limiting the application of collagen. OBJECTIVE: To design a new cross-linking method for collagen and to optimize the self-assembly process so as to develop a collagen sponge scaffold with good mechanical properties and resistance to degradation. METHODS: Collagens were modified by self-assembly technology to prepare collagen fibrils which were then freeze-dried into fibrillar collagen sponges. Meanwhile, we optimized the conditions of self-assembly by using orthogonal experiment based on univariate analysis of the effect of initial collagen mass concentration, final phosphate concentration and pH value on the conversion yield of collagen self-assembly.
Accepted: 2015-05-16
4820
P.O. Box 10002, Shenyang 110180
赵颖，等. 纤维化胶原蛋白海绵的制备及其自组装工艺
RESULTS AND CONCLUSION: We optimized the conditions of self-assembly revealed that the optimum conditions to prepare collagen fibrils were determined as pH=8.0, initial collagen concentration=2 mg/mL, and final concentration of phosphate=15 mmol/L. The results of scanning electron microscope showed that fibrillar collagen sponges were characterized by refined porous structure which was connected by collagen fibrils. In addition, the fibrillar collagen sponges showed better equilibrium-swelling ratio, water retaining property and mechanical strength compared with unmodified collagen spondages (P < 0.05), to solve the problems in rapid degradation.