取向胶原基植入体气流辅助制造的基础研究

胶原材料的取向制造一直是生物材料研究的重点方向。本课题组在前期研究中发现，均向气流作用下胶原可呈现取向排列并能保持其横纹结构及所负载生长因子的活性，还可使两种不同结构的胶原基材料紧密复合。研究结果表明,气流辅助可能成为制造取向胶原基植入体的新方法，但其具体制造机制及相关影响因素还需进行深入研究。项目针对前期研究发现的现象，开展气流辅助胶原取向制造机制及相关基础的研究。通过搭建温度和气流强度可控装置，考察气流强度、方向、时间、温度、组分浓度和用量以及使用的基底材料表面性状、表面积大小对胶原取向、植入体结构的影响；揭示气流辅助下胶原基植入体取向制造的机制，并考察取向分布对植入体理化、力学及亲疏水等性能的影响；探明植入体取向排列与理化等性能的关系；结合体外细胞培养，阐明植入体取向与其生物学性能的相关性。为取向制造胶原等天然高分子材料植入体的研究提供科学依据和新思路。

本项目围绕胶原材料的取向制造开展研究，按照研究计划，搭建了搭建温度和气流强度可控装置，考察了气流辅助制造取向胶原基材料的相关影响因素，并研究了胶原基材料的理化和生物学性能。研究工作基本完成了项目计划内容，并做了适度的扩展。研究结果表明,气流辅助可成为制造取向胶原基植入体的新方法。研究发现，气流强度、方向、温度、组分浓度和离子强度以及使用的基底材料表面性状等是胶原基取向植入体的制造过程中的重要影响因素。其中最重要的发现是胶原分子在风力辅助条件下的一种新的胶原分子组装形成胶原纤维的机制：胶原纤维形成的过程起始于胶原聚集体颗粒，在合适的离子强度条件下，通过颗粒间盐桥以及胶原分子间的特异作用，胶原颗粒紧密结合、有序排列进而形成了胶原纤维。这是取向胶原植入体制造过程中的关键。同时发现适宜的风速或者温度条件下才可以获得较好取向结构的胶原基材料；也发现取向分布的胶原纤维几乎都与所给风力的风向成垂直关系。这一发现与已有的微流体技术的胶原取向形成机理不同。我们认为，在风力作用下，由于溶液受到风的作用形成了毛细风浪（wind wave），胶原纤维以细长颗粒的方式进行往复震动并由于其质点分布而进行了纤维的重排列，胶原纤维在此过程中形成了取向分布的特点。与微流体技术形成的取向胶原结构不同，本研究条件下，形成了胶原活性结构所需具有横纹结构的胶原纤维，而微流体条件下，所形成纤维不能有效形成横纹结构的纤维。为了应用取向结构的胶原基材料，选用具有局部取向的胶原材料与冷冻干燥所制备的胶原膜材料复合，获得一类具有时空控释生长因子的复合胶原材料基于具有取向结构特点的胶原材料，进行了相关理化和生物学研究。研究发现，生长因子从冻干疏松层一侧具有比具有局部取向的致密层一侧更快的释放速率；由于这种差异的释放效果，复合材料不同表面对种植的细胞具有不同的促进生长特点；当复合生长因子后，疏松层一侧具有最好的促进细胞增殖作用。由于复合材料结构与关节软骨的胶原纤维取向有一定的相似性，进一步用双层材料进行了兔全层软骨缺损的修复研究，研究发现，由于材料结构以及生长因子的协同作用，研究获得了较好的组织修复效果；并且发现这种作用是通过复合材料调控内源性生长因子的水平而实现的。目前，依据已有发现，总结和发表SCI论文2篇，国际会议论文2篇。同时，这些研究发现也为胶原基材料的研究和应用提供了新的出发点和思路。