一种含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法

摘要

本发明公开了一种含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法，包括：(1)将可光固化生物水凝胶用含有光引发剂的PBS溶液溶解，制得两种浓度生物墨水；(2)收集细胞汇合度80％以上的间充质干细胞，处理后使用低浓度生物墨水重悬间充质干细胞，得到载细胞生物墨水；(3)将载细胞生物墨水和高浓度的生物墨水分别装入生物3D打印装置的两个喷头中；(4)设置打印参数，首先在匀速旋转的光轴上打印载细胞生物墨水，得到第一层神经导管；然后打印高浓度生物墨水，得到双层中空管状神经导管；(5)进行紫外光照射，得生物型多层神经导管。利用本发明，制备耗时短、简单，操作条件温和，制备的神经导管结构简单，生物相容性好，可降解。

权利要求

1.一种含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法，其特征在于，包括：

(1)将可光固化生物水凝胶用含有光引发剂的PBS溶液溶解，制得低浓度和高浓度两种生物墨水；所述的可光固化生物水凝胶为甲基丙烯酸明胶，低浓度生物墨水中的甲基丙烯酸明胶浓度为5-15％(w/v)，高浓度生物墨水中的甲基丙烯酸明胶浓度为20-30％(w/v)；

(2)收集培养皿内细胞汇合度80％以上的间充质干细胞，进行消化、离心处理后，使用步骤(1)制得的低浓度生物墨水重悬间充质干细胞，得到载细胞生物墨水；

(3)将载细胞生物墨水和步骤(1)制得的高浓度的生物墨水分别装入生物3D打印装置的两个喷头中，使生物墨水都成凝胶状；

(4)设置生物3D打印装置的打印参数，按照预先设定的指令，首先在匀速旋转的光轴上打印载细胞生物墨水，得到第一层神经导管；然后在第一层神经导管表面打印高浓度生物墨水，得到初始双层中空管状神经导管；

(5)将得到的初始双层中空管状神经导管进行紫外光照射，得生物型多层神经导管。

2.根据权利要求1所述的含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的光引发剂为2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基丙二酮或苯基-1,

4-6-三甲基苯甲酰膦酸锂中的一种，光引发剂在PBS溶液中的浓度为0.05-0.1％(w/v)。

3.根据权利要求1所述的含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的间充质干细胞为骨髓间充质干细胞。

4.根据权利要求1所述的含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的载细胞生物墨水中的间充质干细胞密度为1.0×106-1.0×107ml-1。

5.根据权利要求1所述的含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述生物3D打印装置的两个喷头的温度分别低于载细胞生物墨水和高浓度的生物墨水胶凝点温度1-3℃。

6.根据权利要求1所述的含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法，其特征在于，步骤(4)中，打印过程中，喷头沿光轴的轴线方向往返运动，光轴的转速为15-25rpm，喷头移动速度为100-300mm/min。

7.根据权利要求6所述的含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法，其特征在于，所述光轴的外径为1-5mm，所述喷头的针头内径为159-603μm。

8.根据权利要求1所述的含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述的紫外光波长365nm，紫外光照射密度为2W/cm2，光照时间30-60s。

说明书

一种含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于神经导管的设计与制备领域，尤其是涉及一种含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法。

背景技术

[0002] 神经系统(nervous system)是机体内对生理功能活动的调节起主导作用的系统，主要由神经组织组成，分为中枢神经系统和周围神经系统两大部分。各种外伤如压迫、牵伸、撕裂等和肿瘤、局部缺血等其他因素易造成神经系统损伤，从而导致神经系统功能缺失和其他神经性疾病，严重降低患者的工作和生活的质量。目前主流的神经修复技术有如下几种：直接吻合、自体同源或异体同源神经移植以及借助神经导管修复。直接吻合只可以用于神经断伤较短(<8mm)的情况，且其疗效优良率不高；而自体同源或异体同源神经移植会导致供区神经功能丧失，存在二次手术等问题，而神经导管修复术(桥接术)却可以弥补前两项技术的不足之处，吸引着越来越多研究者和医生的目光。

[0003] 公开号为CN108379667A的中国专利文献公开了一种新型生物降解神经导管及其制备技术，提出了由聚乳酸-聚羟基乙酸共聚物、聚碳酸亚乙酯、聚乳酸和聚乙醇酸中的一种或几种制得管状神经导管的方法，首先将所选材料溶于极性溶剂制得溶解液，然后将溶解液涂布或平铺于模具上，得到带有溶解液的模具，接着将所述带有溶解液的模具置于水中，即得管状支架。该制备方法采用的生物材料可降解，不会引起对神经生长的嵌压，且制备方法简单易操作。但是该方法采用的溶液置换法制备神经导管十分耗时，仅加热和干燥过程就分别需要1.5-2h和36-48h，不能满足急迫的神经导管需求；而且采用的制造工艺只能制备简单结构的神经导管，不能对神经导管的微观结构进行设计，比如神经导管的孔隙大小、孔隙分别以及孔隙率。

[0004] 随着组织工程的不断发展，研究者们发现神经生长因子或种子细胞有利于加快周围神经的形貌和功能性恢复，遂此制备含神经生长因子或者种子细胞的神经导管逐渐兴起。公开号为CN105597148A的中国专利文献公开了一种用于神经损伤修复的神经支架的方法。该神经支架包括胶原支架、培养在胶原支架上的神经干细胞、以及由肝素固定在胶原支架上的生长因子。该方法的具体制备工艺如下：首先配制胶原溶液；然后将溶液倒入磨具，通过冻干灭菌得到胶原海绵；接着将胶原海绵依次浸泡于含肝素的交联溶液和生长因子溶液；最后神经干细胞原代培养于上述神经支架上，得到载细胞和生长因子的神经导管。该制备方法取材方便，步骤简单，避免了酸碱中和、透析等复杂步骤，减少了胶原材料接触有害试剂的机会，所获得的神经支架安全性提高。但是神经导管上生长因子和神经干细胞的贴附位置、分布密度等随机的，不可控，无法获得神经干细胞和神经生长因子均匀分布、梯度分布的或者程序性分布的神经导管。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法，制备耗时短、简单，操作条件温和，制备的神经导管结构简单，生物相容性好，可降解，不会引起对神经生长的嵌压。

[0006] 一种含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法，包括：

[0007] (1)将可光固化水凝胶用含有光引发剂的PBS溶液溶解，制得低浓度和高浓度两种生物墨水；

[0008] (2)收集培养皿内细胞汇合度80％以上的间充质干细胞，进行消化、离心处理后，使用步骤(1)制得的低浓度生物墨水重悬间充质干细胞，得到载细胞生物墨水；

[0009] (3)将载细胞生物墨水和步骤(1)制得的高浓度的生物墨水分别装入生物3D打印装置的两个喷头中，通过后处理使生物墨水都成凝胶状；

[0010] (4)设置生物3D打印装置的打印参数，按照预先设定的指令，首先在匀速旋转的光轴上打印载细胞生物墨水，得到第一层神经导管；然后在第一层神经导管表面打印高浓度生物墨水，得到初始双层中空管状神经导管；

[0011] (5)将得到的初始双层中空管状神经导管进行紫外光照射，得生物型多层神经导管。

[0012] 上述方法通过降温交联、基于挤出成形的生物3D打印技术、紫外光固化制得结构稳定、力学强度好的神经导管，整个制作过程耗时短，操作简便，工作条件温和。利用该方法制得的神经导管可立即移入体内帮助治疗神经缺损，也可在体外培养一定时间后移入体内。

[0013] 优选地，步骤(1)中使用的可光固化生物水凝胶为甲基丙烯酸明胶。此种水凝胶在配制时通过过滤除菌、冷冻干燥得到无菌的甲基丙烯酸明胶固体。

[0014] 甲基丙烯酸明胶是生物可降解人工合成聚合物，降解产物无害，并且可以通过控制甲基丙烯酸明胶配制的生物墨水的浓度控制其制得的神经导管的降解速率。同时，甲基丙烯酸明胶具有温敏性，可以通过降低墨水温度的物理方式使其交联。

[0015] 优选地，步骤(1)中使用的光引发剂为传统的2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基丙二酮(Irgacure 2959)或苯基-1,4-6-三甲基苯甲酰膦酸锂(LAP)中的一种。

[0016] 进一步地，光引发剂在PBS溶液中的浓度为0.05％-0.1％(w/v)。

[0017] 优选地，步骤(1)中，低浓度生物墨水中的甲基丙烯酸明胶浓度为5％-15％(w/v)，高浓度生物墨水中的甲基丙烯酸明胶浓度为20％-30％(w/v)。进一步优选，低浓度生物墨水中的甲基丙烯酸明胶浓度为5％(w/v)，高浓度生物墨水中的甲基丙烯酸明胶浓度为30％(w/v)。

[0018] 优选地，步骤(2)中，所述的间充质干细胞为骨髓间充质干细胞(BMSC)。所述的载细胞生物墨水中的间充质干细胞密度为1.0*106-1.0*107ml-1。

[0019] 优选地，步骤(3)中，所述生物3D打印装置的两个喷头的温度分别低于载细胞生物墨水和高浓度的生物墨水胶凝点温度1-3℃。通过控制放置喷头的设备的温度间接控制喷头内生物墨水的温度，通过甲基丙烯酸明胶的低温交联特性，降低墨水温度使其呈凝胶态，便于挤出成丝。

[0020] 步骤(4)中，在打印时，从喷头中挤出的丝粘附到以一定角速度旋转的与电机紧密连接的光轴上，喷头做电机光轴轴线方向的往返运动。

[0021] 优选地，光轴的转速为15-25rpm，喷头移动速度为100-300mm/min。进一步优选，光轴的转速为20rpm，喷头移动速度200mm/min。

[0022] 所述光轴的外径为1-5mm，所述喷头的针头内径为159-603μm。

[0023] 优选地，步骤(5)中，所述的紫外光波长365nm，紫外光照射密度为2W/cm2，光照时间30-60s。

[0024] 最终制得的神经导管内层机械强度低于外层机械强度。内层载机械强度低，有利于间充质干细胞贴附、铺展、繁殖、分化，促进神经缺损修复；外层机械强度高，起着支撑作用，维持整个导管的稳定性。

[0025] 神经导管内层压缩模量在2-200KPa，拉伸模量在2-40KPa；外层机械压缩模量为350-700KPa，拉伸模量为50-150KPa。

[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0027] 1、本发明采用材料即甲基丙烯酸明胶(GelMA)是明胶经接枝反应后得到的产物，具有明胶优良的生物相容性、生物可降解和温敏性等，还具有光固化的特性。因此本发明的神经导管通过紫外光固化，操作条件十分温和，不威胁操作者身体健康，且未接触到许多的有毒试剂，加强了导管的安全性。

[0028] 2、本发明采用材料即甲基丙烯酸明胶(GelMA)降解性能可以通过调节其生物墨水浓度间接调节，因此可以完全满足医学上对不同降解时间的神经导管的需求。

[0029] 3、本发明整体采用基于挤出成形的生物3D打印技术制备初始双层神经导管后通过紫外光固化，整个制备过程耗时相当短，完全满足急迫的神经导管需求。而且通过3D打印技术，可以人为控制神经导管的结构，如孔隙率、孔隙大小、导管长度、内外层厚度等，还有导管内层间充质干细胞的分布。同时根据本3D打印系统，可以根据患者情况设计导管结构、形状。

附图说明

[0030] 图1为本发明的流程示意图；

[0031] 图2为本发明的制备方法所需要的生物3D打印装置结构示意图；

[0032] 图3为图2中区域A的局部放大图；

[0033] 图4为本发明制得的生物型双层神经导管的结构示意图。

具体实施方式

[0034] 以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，本发明内容并不限于所列实施例，研究人员根据上述内容对该神经支架进行的非本质改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

[0035] 如图2-3所示，为本发明的制备方法所需要的生物3D打印装置结构示意图。整个装置包括：一号打印喷头1、二号打印喷头2、电机3、光轴4、紫外光照设备5、光导管6。打印时，电机3带动光轴4以设定的转速旋转，一号打印喷头1沿着光轴4的轴线方向往返运动，挤出的凝胶状GelMA丝7粘附到旋转的光轴4上，打印第一层神经导管；随后，二号打印喷头2沿着一号打印喷头的路径打印第二层神经导管。打印完两层神经导管后，打开紫外光照设备5，通过光导管6对神经导管进行紫外光照射，得到所需的多层神经导管。

[0036] 实施例1

[0037] 如图1所示，一种含有间充质干细胞的生物型多层神经导管制备方法，具体步骤实施步骤如下：

[0038] (1)称量一定质量的无菌GelMA于10ml离心管内，使用0.1％(w/v)LAP的PBS溶液溶解，依次制得5％(w/v)和30％(w/v)GelMA生物墨水。

[0039] (2)收集培养皿内细胞汇合度达80％及以上的骨髓间充质干细胞(BMSC)，使用0.25％(w/v)胰酶溶液消化细胞，而后进行离心处理，进行消化、离心处理后，离心速率
100rpm，离心时间5min。倒掉离心管内上层清液，使用步骤(1)配制得到的5％(w/v)GelMA生物墨水重悬细胞，轻轻吹打使细胞均匀分布于生物墨水中，且生物墨水中细胞密度为1.0*
106，得到载细胞的5％(w/v)GelMA生物墨水。

[0040] (3)将载细胞的5％(w/v)GelMA生物墨水导入一号打印喷头1，放置到打印机上；设定放置此喷头的设备的温度为10℃，10min后喷头内墨水呈凝胶状即可打印。

[0041] 将步骤(1)配制的30％(w/v)GelMA生物墨水装入二号打印喷头2中，放入打印机中；设定放置此喷头的设备的温度为26℃，10min后喷头内生物墨水呈凝胶状即可打印。

[0042] (4)设定喷头移动速率为200mm/min，两个喷头统一选用26G针头(内径0.260mm)，电机转速为20rpm，电机光轴直径为3mm。定位好之后，首先打印载细胞的5％(w/v)GelMA生物墨水。5％(w/v)GelMA生物墨水喷头沿着与电机紧密连接光轴轴线方向运动50mm后打印30％(w/v)GelMA生物墨水。同样地，30％(w/v)GelMA生物墨水的喷头运动重复了5％(w/v)GelMA生物墨水喷头路径后结束打印，得到长50mm，内层直径为3mm，外层直径为4.040mm，内层厚度为0.260mm，外层厚度为0.260mm的初始双层中空神经导管，如图4所示。

[0043] (5)将步骤(4)得到的神经导管进行紫外光固化，紫外光波长为365nm，紫外光照密度为2W/cm2，紫光光照时间为30s。光照后神经导管GelMA进行了不可逆交联，结构稳定。

[0044] 在同等条件下，制备6个双层神经导管进行测试，内层压缩模量的均值为2.86KPa，拉伸模量的均值为2.08KPa；外层机械压缩模量的均值为700KPa，拉伸模量的均值为150KPa。

[0045] 从电机光照上轻轻取下，可以立即移入体内修复神经缺损，也可在体外培养一段时间后再移入体内。

[0046] 同不含细胞的同样尺寸大小的和结构设计的神经导管相比，将上述制备方法制得的内层含BMSC的神经导管浸泡于神经细胞的细胞悬液中，一段时间后该神经导管内表面贴附的神经细胞数量、细胞形态，细胞生长方向的一致率明显优于对照组。

[0047] 实施例2

[0048] 同实施例1，区别在于，步骤(1)中，配置的低浓度的GelMA生物墨水的浓度为15％，其他条件不变。制备6个双层神经导管进行测试，所得的神经导管内层压缩模量的均值为250KPa，拉伸模量的均值为37.5KPa；外层机械压缩模量的均值为700KPa，拉伸模量的均值为150KPa。

[0049] 实施例3

[0050] 同实施例1，区别在于，步骤(4)中，两个喷头统一选用22G针头(内径0.413mm)，其他条件不变，得到长50mm，内层直径为3mm，外层直径为4.652mm，内层厚度为0.413mm，外层厚度为0.413mm的初始双层中空神经导管。

[0051] 进行紫外光固化后得到最终的双层神经导管，对得到的双层神经导管内层和外层材料的力学压缩、拉伸模量进行测试，测试结果与实施例1相比基本保持不变。

[0052] 实施例4

[0053] 同实施例1，区别在于，步骤(4)中，电机光轴直径的5mm，其他条件不变，他条件不变，得到长50mm，内层直径为5mm，外层直径为6.040mm，内层厚度为0.260mm，外层厚度为0.260mm的初始双层中空神经导管。

[0054] 进行紫外光固化后得到最终的双层神经导管，对得到的双层神经导管内层和外层材料的力学压缩、拉伸模量进行测试，测试结果与实施例1相比基本保持不变。

[0055] 实施例5

[0056] 同实施例1，区别在于，步骤(4)中，5％(w/v)GelMA生物墨水喷头沿着与电机紧密连接光轴轴线方向运动100mm后打印30％(w/v)GelMA生物墨水。同样地，30％(w/v)GelMA生物墨水的喷头运动重复了5％(w/v)GelMA生物墨水喷头路径后结束打印，得到长100mm，内层直径为3mm，外层直径为4.040mm，内层厚度为0.260mm，外层厚度为0.260mm的初始双层中空神经导管。

[0057] 进行紫外光固化后得到最终的双层神经导管，对得到的双层神经导管内层和外层材料的力学压缩、拉伸模量进行测试，测试结果与实施例1相比基本保持不变。