技术领域
本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种基于仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人 工仿生骨膜及其制备方法。
背景技术
骨缺损是临床治疗常见的棘手病症，每年都有数以万计的病例由于遗传、肿瘤、创伤、 感染等原因而导致缺损需要进行骨修复治疗。对于骨组织修复材料的构建，不但要满足与天 然骨组织力学性能的匹配性，还要能确保植入体内的组织工程材料能长期稳固并行使骨修复 能力。因此，运用再生医学、组织工程和微纳制造的基本原理设计新型人工合成材料，从而 更好地行使再生、修复并重建骨缺损的功能，并表现更优异的骨诱导性和骨整合能力，是骨 缺损修复的新方法和发展趋势。
天然骨是一种由模板蛋白分子介导钙磷矿物沉积，进而组装成一种多层级的生物矿化 复合物，具有独特的组织结构和完美的性能。在超微纳尺寸上，两种不同形态的骨-松质骨和 密质骨均是由矿化胶原以纤维束的形式，逐层平行排列或同心圆排列等形式呈现。为了实现 纳米骨修复材料与生物体的匹配性，材料的设计不但要从成分组成上接近天然骨，还要从微 纳结构上模拟天然骨的层级有序排列，从而实现植入生物材料的高度仿生。因此，构建具有 仿生微图案有序结构的纳米骨材料，是骨组织工程研究和临床应用的新策略，也是对现有纳 米骨修复材料仅仅是单一骨的组分模拟研究进行了补充，更使得图案结构实现了从二维平面 到三维支架的突破。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种基于仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的 人工仿生骨膜及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜，其特征在于，所述人工仿生 骨膜包括微图案化的仿生矿化钙磷纳米颗粒层以及在微图案化的仿生矿化钙磷纳米颗粒层 上交联固化的高分子有机物。
上述方案中，所述微图案为直条纹、环状条纹和网状条纹中的一种。
上述方案中，所述微图案化仿生矿化钙磷纳米颗粒层，其原料组分中，除了仿生矿化钙 磷纳米颗粒，还可以包括有利于细胞粘附的高分子、促成骨生长相关的生长因子、和/或抗炎 症药物。
上述方案中，所述高分子有机物为胶原蛋白、明胶、壳聚糖、透明质酸、聚乳酸(PLA)、 聚己内酯(PCL)、聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸/乙醇酸(PLGA)、聚氨酯(PU)和聚碳酸酯 (PC)中的一种。
上述方案中，所述惰性基底为玻片、硅片、石英片和PDMS胶中的一种。
上述基于仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜的制备方法，其特征在于，包 括如下步骤：
(1)微图案化的仿生矿化钙磷纳米颗粒层的制备：
以蛋白质、多糖或合成分子为矿化模板，加入钙、磷盐后，仿生矿化共沉积、自组装 制备得到仿生矿化钙磷纳米颗粒；将仿生矿化钙磷纳米颗粒分散于水中配置成仿生矿化钙磷 纳米颗粒水悬液；通过负光刻胶光刻在硅片上制备微图案阵列，通过PDMS胶倒模成二级印 章，随后再用琼脂糖倒模形成可亲水的、软性的琼脂糖微图案印章；在琼脂糖微图案印章表 面滴加或涂覆仿生矿化钙磷纳米颗粒水悬液，形成均匀的薄层并晾半干后，采用微接触法影 印在惰性基底表面，揭除琼脂糖凝胶后得到微图案化的仿生矿化钙磷纳米颗粒层；或
以蛋白质、多糖或合成分子为矿化模板，将矿化模板分散于水中配置成矿化模板水悬液； 通过负光刻胶光刻在硅片上制备微图案阵列，通过PDMS胶倒模成二级印章，随后再用琼脂 糖倒模形成可亲水的、软性的琼脂糖微图案印章；在琼脂糖微图案印章表面滴加或涂覆矿化 模板水悬液，形成均匀的薄层并晾半干后，采用微接触法影印在惰性基底表面，揭除琼脂糖 凝胶后得到微图案化的矿化模板层，然后在矿化模板上仿生矿化共沉积制备仿生矿化钙磷纳 米颗粒，得到微图案化的仿生矿化钙磷纳米颗粒层；
(2)在微图案化的仿生矿化钙磷纳米颗粒层上覆盖高分子溶液，充分交联固化后，揭 除惰性基底，得到基于仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜。
上述方案中，所述作为矿化模板的蛋白质为胶原蛋白、骨形态发生蛋白、纤连蛋白、层 连蛋白、骨唾液酸蛋白、丝素蛋白和血清蛋白中的一种或几种；所述作为矿化模板的多糖为 氨基聚糖、蛋白聚糖和壳聚糖中的一种或几种；所述作为矿化模板的合成分子为合成两性肽 分子和合成两性自组装分子中的一种或几种。
上述方案中，步骤(2)所述交联固化所采用的具体方法为：紫外照射5～20min、或加 入交联剂于40℃条件下反应10min～120min。
上述方案中，步骤(1)所述仿生矿化共沉积、自组装制备得到仿生矿化钙磷纳米颗粒 的具体操作步骤为：在矿化模板溶液中加入含有钙离子的溶液，混合均匀，逐滴加入含有磷 酸根离子的溶液，并同时滴加碱溶液调整pH值为7～8之间，置于37℃水浴中搅拌并陈化后， 用超纯水抽滤或离心清洗所得沉淀，冻干研磨后得到仿生矿化钙磷纳米颗粒。
上述方案中，步骤(1)所述在微图案化的矿化模板上仿生矿化共沉积制备仿生矿化钙 磷纳米颗粒，得到微图案化的仿生矿化钙磷纳米颗粒层的具体操作步骤为：将模拟体液或者 含有氯化钙的DPBS缓冲溶液滴加在微图案化的矿化模板层表面，覆盖浸没并置于37℃水浴 中陈化后，待矿化模板上仿生矿化沉积出仿生矿化钙磷纳米颗粒，用超纯水清洗除去DPBS 缓冲溶液即得到微图案化的仿生矿化钙磷纳米颗粒层。
本发明的有益效果如下：(1)本发明所述仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生 骨膜，不仅从材料成分上模拟天然骨的组成，更从在结构上实现了微纳尺度上的高度仿生， 从纳米尺度上模拟矿化骨胶原的自组装，从微米尺寸上模拟天然骨组织材料的有序结构，所 述人工仿生骨膜可以调控骨髓间充质干细胞的分布，可使细胞高效限定在钙磷颗粒微图案表 面并实现高度有序取向排列；(2)本发明所述人工仿生骨膜具有良好的组织相容性、低免疫 原性、可降解能力以及优异的机械性能，同时还具有高效的骨传导和骨诱导能力；(3)本发 明所述人工仿生骨膜可直接包覆于骨折/缺损区域，应用于骨不连的治疗；亦可方便地卷成桶 装，应用于骨缺损区域的直接填充，具有较好的潜在临床应用价值。
附图说明
图1为仿生矿化钙磷纳米颗粒透射电镜(TEM)照片。
图2为仿生矿化钙磷纳米颗粒以直条纹状规则排列于惰性基底表面的荧光和明场图片。
图3为仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜的荧光和明场图。
图4为骨髓间充质干细胞在本发明所述仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜 上生长并高度有序取向排列的荧光图片，a细胞核；b细胞骨架；c纳米骨颗粒；d明场。
图5为仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案示意图，其中1为直条纹，2为网状条纹，3为环 状条纹。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不 仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种基于仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜，通过如下方法制备得到：
(1)在0.05M、200ml的Ca(NO3)2溶液中，加入20ml用0.5M乙酸溶解、浓度为5 mg/ml的胶原蛋白溶液，逐滴加120ml、0.05M的(NH4)2HPO4溶液，并同时滴加1M的NaOH 溶液调整pH值为7～8之间，置于37℃水浴中搅拌2h、陈化2天后，用超纯水抽滤清洗所 得沉淀，冻干研磨得到胶原-羟基磷灰石(COL-HA)粉末，即为仿生矿化钙磷纳米颗粒；
(2)取0.1gCOL-HA加入至2ml超纯水中超声分散得到COL-HA矿化钙磷纳米颗粒 水悬液；
(3)在具有50μm宽、间距30μm沟槽状的微图案负光刻胶底模表面浇筑PDMS胶预聚 物，60℃烘箱中交联固化12小时后得到二级PDMS胶微图案，再在其表面浇筑融化的5mg/ml 低熔点琼脂糖，4℃凝固后剥离制得三级琼脂糖沟槽微图案印章；
(4)取0.1ml步骤(1)COL-HA矿化钙磷纳米颗粒水悬液滴加至步骤(3)中制得的 琼脂糖微图案印章表面，涂覆均匀成薄层、待晾半干后，采用微接触法影印在光滑的PDMS 胶表面，置于水浴40℃水浴15min后取出冷凝，再揭除琼脂糖凝胶即可得到微图案为直条 纹状的仿生矿化钙磷纳米颗粒层；
(5)取含有1％戊二醛、含2％的明胶溶液浇灌覆盖至仿生矿化钙磷纳米颗粒层表面， 厚度1-2mm，并置于40℃烘箱中交联10分钟并烘干成膜后，揭除PDMS胶，得到微图案为 条纹状的仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜。
实施例2
一种基于仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜，通过如下方法制备得到：
(1)在0.05M、200ml的CaCl2溶液中，加入20ml5mg/ml的丝素蛋白溶液，逐滴加 120ml、0.05M的Na2HPO4溶液，并同时滴加1M的NaOH溶液调整pH值为7-8之间，置 于37℃水浴中搅拌1天后，用超纯水抽滤清洗所得沉淀，冻干研磨得到丝素蛋白-羟基磷灰 石(SF-HA)粉末，即仿生矿化钙磷纳米颗粒(见图1)；
(2)取0.1gSF-HA加入至2ml超纯水中超声分散，加入浓度为10μg/ml的纤连蛋白， 得到SF-HA仿生矿化钙磷纳米颗粒水悬液；
(3)在具有30μm宽、间距50μm沟槽状的微图案负光刻胶底模表面浇筑PDMS胶预 聚物，60℃烘箱中交联固化12小时后得到二级PDMS胶沟槽状微图案印章，再在其表面浇 筑融化的5mg/ml低熔点琼脂糖，4℃凝固后剥离制得三级琼脂糖环状沟槽微图案印章；
(4)取步骤(2)中的SF-HA水悬液0.1ml滴加至亲水的基底表面，用刮刀把SF-HA 水悬液均匀铺展开后，将步骤(3)中制得的琼脂糖印章微图案一面覆盖在悬液液面上10s， 涂覆均匀成薄层、待晾半干后，采用微接触法影印在光滑的PDMS胶表面，置于水浴40℃ 上15min后取出冷凝，再揭除琼脂糖凝胶即可得到具有直条纹状微图案的仿生矿化钙磷纳米 颗粒；仿生矿化钙磷纳米颗粒以直条纹状规则排列于惰性基底表面的荧光和明场图片见图2；
(5)取用0.1M乙酸溶解、5mg/ml的胶原蛋白溶液覆盖至仿生矿化钙磷纳米颗粒层表 面，厚度1-2mm，置于40℃烘箱中待干后，在紫外灯下照射5-10min使其交联，得到微图案 为直条纹状的仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜(见图3)。在得到的直条纹图 案化的人工仿生骨膜上种植骨髓间充质干细胞(rMSC)3天后，固定染色，荧光显微镜观察 (见图4)。
实施例3
一种基于仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜，通过如下方法制备得到：
(1)在0.05M、200ml的Ca(NO3)2溶液中，加入20ml用0.5M乙酸溶解浓度为5mg/ml 的胶原蛋白溶液，逐滴加溶有0.1g丝素蛋白的120ml、0.05M的(NH4)2HPO4溶液，并同 时滴加1M的NaOH溶液调整pH值为7-8之间，置于37℃水浴中搅拌2h、陈化2天后，用 超纯水抽滤清洗所得沉淀，冻干研磨得到胶原-丝素/羟基磷灰石(COL-SF/HA)粉末，即为 仿生矿化钙磷纳米颗粒；
(2)取0.1gCOL-SF/HA加入至2ml超纯水中超声分散，加入浓度为10μg/ml的多聚 赖氨酸，得到COL-HA矿化纳米颗粒材料水悬液；
(3)在具有50μm宽、间距30μm圆形环状的微图案负光刻胶底模表面浇筑PDMS胶预 聚物，60℃烘箱中交联固化12小时后得到二级PDMS胶微图案，再在其表面浇筑融化的 5mg/ml低熔点琼脂糖，4℃凝固后剥离制得三级琼脂糖环状沟槽微图案印章；
(4)取0.1ml步骤(2)所述水悬液滴加至步骤(3)中制得的琼脂糖微图案印章表面， 涂覆均匀成薄层后待晾半干后，采用微接触法影印在光滑的PDMS胶表面，置于水浴40℃ 上15min后取出冷凝，再揭除琼脂糖凝胶即可得到具有圆环状条纹微图案的仿生矿化钙磷纳 米颗粒层；
(5)取2％的明胶溶液浇灌覆盖至仿生矿化钙磷纳米颗粒层表面，厚度1-2mm，置于 40℃烘箱中待干后，在紫外灯下照射5min使其交联，揭除PDMS胶，得到微图案为圆环状 条纹的仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜(微图案的示意图见图5)。
实施例4
一种基于仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜，通过如下方法制备得到：
(1)在0.05M、200ml的Ca(COOH)2溶液中，加入20ml用0.5M乙酸溶解浓度为5 mg/ml的胶原蛋白溶液，逐滴加含有0.1g海藻酸钠，120ml、0.05M的Na2HPO4溶液，并 同时滴加1M的NaOH溶液调整pH值为7-8之间，置于37℃水浴中搅拌2h、陈化2天后， 用超纯水抽滤清洗所得沉淀，冻干研磨得到胶原-羟基磷灰石(COL-CA/HA)粉末，即为仿 生矿化钙磷纳米颗粒；
(2)取0.1gCOL-CA/HA加入至2ml超纯水中超声分散，并加入浓度为10μg/ml精氨 酸-甘氨酸-天冬氨酸的多肽，得到COL-CA/HA矿化纳米颗粒材料水悬液；
(3)在具有50μm宽、间距100μm的“井”字形网状沟槽的微图案负光刻胶底模表面浇 筑PDMS胶预聚物，60℃烘箱中交联固化12小时后得到二级PDMS胶微图案，再在其表面 浇筑融化的5mg/ml低熔点琼脂糖，4℃凝固后剥离制得三级琼脂糖网状沟槽微图案印章；
(4)取0.1ml步骤(2)所述水悬液滴加至步骤(3)中制得的琼脂糖微图案印章表面， 涂覆均匀成薄层后待晾半干后，采用微接触法影印在光滑的PDMS胶表面，置于水浴40℃ 上15min后取出冷凝，再揭开琼脂糖凝胶即可得具有网状条纹微图案的仿生矿化钙磷纳米颗 粒层；
(5)取2％的明胶和5mg/ml胶原蛋白共混溶液，加入5％的交联剂京尼平，浇灌覆盖 至仿生矿化钙磷纳米颗粒层表面，厚度1-2mm，并置于40℃烘箱中交联1小时并烘干成膜后， 揭除PDMS胶，得到微图案为网状条纹的仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜 (微图案的示意图见图5)。
实施例5
一种基于仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜，通过如下方法制备得到：
(1)在具有50μm宽、间距30μm沟槽条纹状的微图案负光刻胶底模表面浇筑PDMS 胶预聚物，60℃烘箱中交联固化12小时后得到二级PDMS胶微图案，再在其表面浇筑融化 的5mg/ml低熔点琼脂糖，4℃凝固后剥离制得三级琼脂糖沟槽微图案印章；
(2)配置5mg/ml的丝素蛋白溶液滴加并铺展均匀涂覆在光滑玻璃片表面上后，将有微 图案表面的琼脂糖印章盖在丝素蛋白溶液表面10s，用镊子取出后晾半干后，采用微接触法 影印在光滑的PDMS胶表面，置于水浴40℃上15min后取出冷凝，再揭除琼脂糖凝胶即可 得微图案为条纹状的微图案化模板蛋白层；
(3)将步骤(2)获得的印有微图案化模板蛋白层的PDMS胶置于小皿中，加入10ml 含有0.1mg/ml的无水氯化钙的杜氏磷酸缓冲液(DPBS)中完全覆盖其表面，37℃水浴2天 后用超纯水清洗表面残留盐离子，即得到微图案为条纹状的微图案化仿生矿化钙磷纳米颗粒 层；
(4)取含有1％戊二醛、含2％的明胶溶液浇灌覆盖至微图案化仿生矿化钙磷纳米颗粒 层表面，厚度1-2mm，并置于40℃烘箱中交联10分钟并烘干成膜后，揭除PDMS胶，得到 微图案为条纹状的仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜。
实施例6
一种基于仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜，通过如下方法制备得到：
(1)在具有50μm宽、间距100μm圆形环状的微图案负光刻胶底模表面浇筑PDMS胶 预聚物，60℃烘箱中交联固化12小时后得到二级PDMS胶微图案，再在其表面浇筑融化的 5mg/ml低熔点琼脂糖，4℃凝固后剥离制得三级琼脂糖网状沟槽微图案印章；
(2)配置用0.5M的乙酸溶液配制5mg/ml的I型胶原蛋白溶液，将其滴加并铺展均匀 涂覆在琼脂糖微图案印章表面，待晾半干后，采用微接触法影印在光滑的PDMS胶表面，置 于水浴40℃上15min后取出冷凝，再揭除琼脂糖凝胶即可得微图案为网状条纹的微图案化 模板蛋白层；
(3)将步骤(2)获得的印有微图案化胶原蛋白的PDMS胶置于小皿中，加入10ml含 有5μg/mlBMP-2(促成骨生长相关的生长因子)的模拟体液完全覆盖其表面，37℃水浴2 天后用超纯水清洗表面残留盐离子，即得到微图案为网状条纹的微图案化仿生矿化钙磷纳米 颗粒层；
(4)取含有1％戊二醛、含2％的明胶溶液浇灌覆盖至微图案化仿生矿化钙磷纳米颗粒 层表面，厚度1-2mm，并置于40℃烘箱中交联10分钟并烘干成膜后，揭除PDMS胶，得到 微图案为网状条纹的仿生矿化钙磷纳米颗粒微图案化的人工仿生骨膜。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所 属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。 这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于 本发明创造的保护范围之内。