一种纤维增韧的组织工程半月板复合支架及其制备方法技术

本发明专利技术公布了一种纤维增韧的组织工程半月板复合支架及其制备方法。首先利用胶原和可降解高分子材料的混合溶液通过静电纺丝的方法制备纤维丝膜，然后通过纤维丝膜与胶原交替层叠后冷冻干燥得到冻干复合支架，最后交联、灭菌，获得纤维增韧的组织工程半月板复合支架。该复合支架可修剪外形，具有合适的孔隙率和力学强度，非常适用于作部分半月板缺损和完全半月板缺损的移植替代。

Fiber reinforced tissue engineering meniscus composite scaffold and preparation method thereof

The invention discloses a fiber toughened tissue engineering meniscus composite bracket and a preparation method thereof. First, using a mixed solution of collagen and biodegradable polymer materials by fiber membrane by electrospinning method, and then through the membrane and collagen fibers are alternately laminated after freeze-drying to obtain freeze-dried scaffolds, finally crosslinking, sterilization, semi in fiber reinforced composite scaffolds for tissue engineering. The composite scaffold can be cut in shape, with suitable porosity and mechanical strength, and is suitable for transplantation of partial meniscus defect and complete meniscus defect.

【技术实现步骤摘要】
一种纤维增韧的组织工程半月板复合支架及其制备方法
本专利技术涉及生物医用材料与组织工程
，具体为一种复合有纤维材料的组织工程半月板支架的制备方法。
技术介绍
半月板是位于膝关节股骨和胫骨之间的由纤维软骨组成的器官，内外各一，分别为内侧半月板和外侧半月板，是膝关节内的重要器官。其作用为营养关节软骨，润滑关节，增加关节接触面积，使关节内应力重新分布以保护关节软骨，增强关节的稳定性。不当运动或退行性病变引发的半月板损伤将使半月板丧失对关节软骨的保护作用，从而诱发骨关节炎。进行半月板部分或全部切除短期内可以缓解疼痛，但由于半月板不具备再生能力，因此该手术将加重骨关节炎并引发关节软骨退化。组织工程的发展为半月板再生修复提供了新的治疗模式，其中组织工程支架作为细胞和生长因子等活性物质的载体，有着至关重要的作用。目前用于半月板组织工程支架制备的材料可以分为天然材料和人工合成材料两种。其中天然材料如胶原等具有很好的生物活性，降解产物无毒性，有利于细胞的生长和活性因子的负载。但其降解速率过快、力学强度较差。人工合成可降解高分子材料如聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)等制备的半月板支架具有较好的力学性能，易于生产加工，且价格低廉。但其也有不可避免的缺点，如细胞相容性较差、降解产物无法被及时代谢，造成局部微环境改变加重骨关节炎或关节退化。单纯利用单一的方法(冷冻干燥、静电纺丝、3D打印等)和单一材料(天然材料或合成高分子材料)制备半月板支架难以同时具备良好力学性能和生物相容性。复合材料制备半月板支架，将不同结构和性质的材料加工组合，可以显著提高半月板的力学性能和生物活性。静电纺丝是一种利用电场作为驱动力，将黏流性溶液加工成微米或纳米尺度纤维丝的方法。用静电纺丝制备的纤维丝可以很好地模拟半月板细胞外基质中有序胶原束的结构，具有良好的力学性能。冷冻干燥可以制备多孔结构支架，支架孔隙联通，孔径可调，有利于细胞的长入和增殖。将静电纺丝制备的纤维丝和冷冻干燥制备的多控支架结合，可以得到既有良好力学强度，同时兼具多孔结构的半月板支架。得到的支架力学强度及孔隙率均可调可控，且支架在环向的弹性模量大于径向弹性模量，与天然半月板力学特点相似，为各向异性支架材料，可以满足部分半月板缺损及半月板全缺损的修复需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决患者膝关节半月板受损修复问题，提供一种纤维增韧的组织工程半月板复合支架的制备方法，为组织工程修复部分半月板缺损或半月板全缺损提供新方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种纤维增韧的组织工程半月板复合支架的制备方法，包括以下步骤：1)用有机溶剂配制含3～5wt％胶原和3～5wt％可降解高分子材料的溶液，然后利用该溶液通过静电纺丝的方法制成纤维丝膜；2)将胶原溶于水制成质量百分比浓度为5～50％的溶液；3)将步骤1)制备的纤维丝膜和步骤2)配制的胶原水溶液通过层叠的方式进行交替叠加，然后进行冷冻干燥，得到冻干复合支架；4)将冻干复合支架进行交联、灭菌，获得纤维增韧的组织工程半月板复合支架。上述步骤1)中，所述可降解高分子材料可以选自下列材料中的一种或多种：聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLLA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)等。所述可降解高分子的重均分子量为50000-100000。所述有机溶剂可以是下列溶剂中的一种或多种的混合溶剂：六氟异丙醇(HFPI)、四氢呋喃(THF)和氮氮二甲基甲酰胺(DMF)。优选为六氟异丙醇，或者是四氢呋喃和氮氮二甲基甲酰胺的混合溶剂。步骤1)制备的纤维丝膜的厚度优选为100～200μm。静电纺丝的方法具体可以是：将所述溶液装入注射器中，注射器装在静电纺丝机上，在压差为10～18kV、推注速率为0.01～0.1mL/min的条件下制备纤维丝膜。步骤2)配制的胶原水溶液的浓度优选为25～35％。在步骤3)中，纤维丝膜和胶原泡沫层交替层叠，夹在两层纤维丝膜之间的胶原泡沫层的厚度通常在0.5～2.5mm左右。步骤4)可以采用化学方法、辐照方法或干热方法进行交联，其中化学方法可以利用碳化二亚胺(EDAC)、戊二醛或京尼平等化学交联剂进行化学交联。步骤4)中的灭菌方法可以是钴60辐照灭菌或环氧乙烷灭菌。本专利技术方法制备的纤维增韧的组织工程半月板复合支架无固定的外形和尺寸大小，厚度通常在3～30mm，可根据实际用处需要进行定型制备或制备完成后进行裁剪。将骨髓间充质干细胞接种至所述的纤维增韧的组织工程半月板复合支架上培养3-14天，即可用于部分半月板缺损及半月板全缺损的修复。本专利技术还提供一种纤维增韧的组织工程半月板复合支架，其采用如上所述的纤维增韧的组织工程半月板复合支架制备方法制得。通过本专利技术方法制备的纤维增韧的组织工程半月板复合支架的拉伸弹性模量为0.5～100MPa，压缩弹性模量为0.05～10MPa。一种典型的纤维增韧的组织工程半月板复合支架具有下述结构：半圆环形三维结构，具有五层结构，其中三层为所述胶原和可降解高分子材料混合材料制备的纤维丝膜，两层为胶原冷冻干燥后得到的多孔结构，参见图1。该纤维增韧的组织工程半月板复合支架的半环形外径为20～35mm，半环形内径为3～10mm，厚度3～30mm，如图2所示。本专利技术提供的纤维增韧的组织工程半月板复合支架的制备方法，具有以下有益效果：本专利技术通过结合静电纺丝、冷冻干燥的方法，制备出具有合适可修剪外形、合适孔隙率、合适力学强度的纤维增韧的组织工程半月板支架，有效地提高了天然材料制备半月板支架的力学强度，更适用于作部分半月板缺损和完全半月板缺损的移植替代，并且其中的胶原等天然材料具有良好的生物相容性和细胞活性，其孔隙结构有利于提高接种细胞和植入后自体细胞的生存、增殖和向纤维软骨细胞分化的能力，从而最终形成形态、结构、力学性能和功能良好的新生半月板。附图说明图1为本专利技术制备的纤维增韧的组织工程半月板复合支架的结构示意图，其中：1为纤维丝膜，2为多孔胶原。图2为本专利技术制备的一个纤维增韧的组织工程半月板复合支架的实物图。图3为本专利技术制备的纤维增韧的组织工程半月板复合支架的纵截面电镜图，其中：1为纤维丝膜，2为多孔胶原；图4为实施例5制备的纤维增韧的组织工程半月板复合支架的拉伸试验和压缩试验结果，其中a为拉伸测试时的应力-应变曲线，b为压缩测试时的应力-应变曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。实施例11、将重均分子量为80000的PCL溶于HFPI中，制成浓度为8％的溶液；将胶原溶于HFPI中，制成8％的溶液。2、将PCL溶液和胶原溶液以1:1的比例(体积比)混合后吸取5mL至配有钝头针的注射器中；将注射器安装于静电纺丝机上，针头端接正极，接收器端接负极或接地，压差为15kV，用微量泵控制注射器以0.03mL/min的速率推注，接收器为转速可调的金属圆筒，接收器表面线速度为9m/min，在接收器端接收由胶原和可降解高分子材料混合材料制备的纤维丝膜。3、配制浓度为10％的胶原水溶液。4、将纤维丝膜与胶原水溶液通过图1所示的层叠方式进行叠加，而后放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到冻干复合支架。5、将冻干复合支架浸入1mol/L的EDAC溶液中交联，得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组织工程半月板复合支架的制备方法，包括以下步骤：1)用有机溶剂配制含3～5wt％胶原和3～5wt％可降解高分子材料的溶液，然后利用该溶液通过静电纺丝的方法制成纤维丝膜；2)将胶原溶于水制成浓度为5～50wt％的溶液；3)将步骤1)制备的纤维丝膜和步骤2)配制的胶原水溶液通过层叠的方式进行交替叠加，然后冷冻干燥，得到冻干复合支架；4)将冻干复合支架进行交联、灭菌，获得纤维增韧的组织工程半月板复合支架。

【技术特征摘要】
1.一种组织工程半月板复合支架的制备方法，包括以下步骤：1)用有机溶剂配制含3～5wt％胶原和3～5wt％可降解高分子材料的溶液，然后利用该溶液通过静电纺丝的方法制成纤维丝膜；2)将胶原溶于水制成浓度为5～50wt％的溶液；3)将步骤1)制备的纤维丝膜和步骤2)配制的胶原水溶液通过层叠的方式进行交替叠加，然后冷冻干燥，得到冻干复合支架；4)将冻干复合支架进行交联、灭菌，获得纤维增韧的组织工程半月板复合支架。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述可降解高分子材料选自下列材料中的一种或多种：聚己内酯、聚乳酸和聚乳酸-羟基乙酸共聚物。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述可降解高分子材料的重均分子量为50000-100000。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述有机溶剂是下列溶剂中的一种或多种的混合溶剂：六氟异丙醇、四氢呋喃和氮氮二甲基甲酰胺。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：高爽，王配，奚廷斐，郭全义，苑志国，郭维民，陈明学，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11