多药物可控负载梯度再生骨支架的制备方法技术

本发明专利技术提供一种多药物可控负载梯度再生骨支架的制备方法，该方法包括以下步骤：步骤一，成形材料的配置；步骤二，支架制备的路径规划；步骤三，制备宏观骨支架；步骤四，复合载药电纺丝的再生骨支架。本发明专利技术提高了支架与自体骨连接的强度及稳定性；该支架的材料具有良好的生物相容性，并且复合了诱导因子，在组织重建中有利于诱导支架向骨软骨多层界面的转化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物制造领域，具体涉及一种用于修复骨软骨缺损的人工梯度再生骨 支架的制备方法，特别涉及一种。
技术介绍
由创伤、感染、骨病、骨肿瘤切除等造成的骨缺损一直是困扰人类的一大难题，因 此也是研宄领域的研宄热点。临床上修复骨缺损的方法有骨移植、人工骨、骨组织工程等方 法，其中骨移植已被临床证明是修复各类骨缺损的最佳方法，但是骨移植会导致手术创伤， 消耗大量手术时间，且往往局限于有限的骨源，以及受限额移植骨形态、大小等。因此，研宄 组织工程再生骨支架替代人工植骨，以克服自体或异体骨固有的缺点，是临床迫切需要解 决的问题。 从介入治疗技术观点来看，理想再生骨支架应该具有以下特点：（1)良好的生物 相容性，即能够使材料在成分及结构上与天然骨更为接近；（2)良好的机械性能，即具有足 够的支撑力和延展性；（3)良好的骨传导性，即具有较好的三维微纳尺度孔结构，尤其是它 的合适孔径和孔隙间的连通，为成骨细胞的生长提供支撑粘附，为细胞扩散和营养物质以 及新陈代谢提供通道；(4)具有骨诱导活性，即能够定向诱导种子细胞分化成骨细胞、软骨 细胞等；（5)能够在体内降解消失，在体内降解速度能够与新生骨生长速度相匹配；（6)支 架可控加载生长因子，能够促进种子细胞的增殖、分化。 然而，关节骨软骨再生过程涉及到多因子的诱导和多细胞表达作用，以形成骨、矿 化软骨、未矿化软骨和胶原纤维等组织，是一个典型的多因素耦合影响的过程。因此，在进 行骨软骨组织修复时，具有均匀属性的骨支架结构往往不能满足骨缺损部位细胞的活动和 表达需求。构建的再生骨软骨支架除了要满足细胞对支架结构和力学性能的要求，更重要 的是能够在骨组织再生过程中的不同阶段，为不同的细胞提供特定的生长环境。构建一种 具有物理结构(密质骨、软质骨等）和化学成分(生长因子、蛋白质等）的梯度结构，能梯度的 可控释放并输送诱导多细胞生长的药物、蛋白或生长因子的再生骨支架具有非常重要的意 义和应用价值。 现有制备再生骨支架修复骨缺损方面的常用方法有：静电纺丝工艺、选择型激光 烧结工艺和FDM熔融挤出工艺，但是通过这些方法制备出的再生骨支架有着诸多的缺陷。 静电纺丝工艺制备的再生支架多为无纺状纳米纤维膜，难以成形具有明显厚度或外形轮廓 的三维立体支架，力学性能较差，内部的孔隙率和孔隙贯通度不佳；选择性激光烧结工艺和 熔融挤出工艺在成形支架材料和孔隙结构呈梯度分布的复合支架方面存在较大的局限性， 无法为细胞生长、分化提供理想的生物微环境，致使在再生支架的制备方面仍然存在许多 待解决的难题。
技术实现思路
： 为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术提出一种多药物可控负载梯度再生骨支架的制 备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 步骤一，成形材料的配置：多药物可控负载再生梯度骨支架的构建需要宏观梯度骨支 架和载药电纺纳米纤维的制备，其制备材料有水凝胶材料，如海藻酸钠和明胶的配比和温 度对成形宏观支架的搭接具有重要影响；共混载药和同轴载药电纺材料的选择以及药物的 选择和含量，其中药物加载方式直接影响到药物的缓释机制，实现支架上药物的分时缓释， 满足骨缺损修复不同阶段的生物化学需求； 步骤二，支架制备的路径规划：根据所需再生骨支架设计支架的层高、层数、纤维间距 以及电纺纤维的沉积位置和时间等参数，将一系列参数输入上位机中，利用生物3D打印复 合成形试验平台复合挤出成形工艺和静电纺丝技术制备载药再生骨支架； 步骤三，制备宏观骨支架：根据路径规划和支架梯度结构分析与优化结果，利用微量泵 挤出水凝胶材料和运动平台的运动，使得支架纤维沉积在运动平台上且每两层成形支架的 纤维间距呈现梯度变化，后置处理中要设置合理供料速度、平台运动速度的匹配参数，即可 得到宏观骨支架； 步骤四，复合载药电纺丝的再生骨支架：在每成形一定层数的宏观支架后，运动平台移 动到静电纺丝工位，将静电纺丝溶液置于注射器中，固定在多喷头切换装置上，连接高压电 源，调节系统装置的有关参数，如电压、供料速度、接收距离、电纺时间等，根据前置处理的 路径规划结果，控制电纺纤维在支架上的沉积位置和静电纺丝工位多喷头装置的切换，实 现共混载药和同轴载药的自由切换，最终得到多种药物可控负载的再生骨支架。 优选地，所述步骤一中的水凝胶材料可以是纳米羟基磷灰石、壳聚糖、海藻酸钠、 明胶、电纺材料明胶、PVA、PCL、壳聚糖，纳米羟基磷灰石、壳聚糖、海藻酸钠、明胶都为可降 解材料，电纺材料明胶、PVA、PCL、壳聚糖都为可降解高分子聚合物。 优选地，所述步骤一中的药物为可分为抗生素类和促进骨生成蛋白生长因子。 优选地，所述不静电纺丝技术实现多种药物的可控负载，由于共混载药和同轴载 药的药物释放机制不同导致药物的分时释放，通过生物3D打印复合成形试验平台的静电 纺丝工位多喷头装置的自由切换，实现共混电纺和同轴电纺在支架上的复合，根据前置处 理的路径规划实现不同载药电纺纤维在支架上预定位置的复合，实现多种药物在支架上的 可控负载。 优选地，所述静电纺丝工位多喷头装置的接收距离为10-20cm，电压为10-15kV， 供料速度为500-1500μLν!ι，挤出成型时供料速度为0. 2ml/min-0. 4ml/min，接收平台水平 运动速度为15_25mm/s。 优选地，所述宏观骨支架的挤出成形呈现梯度结构，通过前置处理改变每层纤维 间距，调整支架由里向外不同孔隙尺寸的分布，实现支架孔隙率和孔尺寸的变化，以此调控 药物在支架上的释放和扩散。 本专利技术与现有技术相比较具有以下突出实质性特点和显著技术进步：本专利技术所述 基于挤出成形工艺和静电纺丝技术的药物可控负载再生梯度骨支架制备方法，主要目的是 针对人工支架因缺乏梯度物理结构和生化因子而不利于多组织再生的问题，提出了一种具 有材料、结构和生长因子梯度的再生骨支架成形方法。本专利技术的宏观骨支架的成形采用挤 出成形工艺制备具有不同纤维间距或孔隙尺寸的结构梯度；支架的不同层沉积静电纺丝制 备的载药纤维，利用宏观骨支架层间的不同孔隙率形成了生长因子的梯度释放，提高了支 架与自体骨连接的强度及稳定性；该支架的材料具有良好的生物相容性，并且复合了诱导 因子，在组织重建中有利于诱导支架向骨软骨多层界面的转化。【附图说明】 图1为本专利技术使用的生物3D打印复合成形试验平台的结构示意图。 图2为本专利技术的工艺路径规划示意图。 图3为宏观梯度再生骨支架的结构示意图。 图4为多药物可控负载梯度再生骨支架的示意图。【具体实施方式】 下面结合附图和实例对本专利技术作进一步详细说明。 本专利技术旨在构建物理结构和化学成 分上都呈现梯度变化的复合再生骨支架制备方法，该方法将静电纺丝技术与3D打印挤出 成形技术结合，通过共混载药电纺丝和同轴载药电纺丝技术构建药物的纳米纤维载体，并 将其可控复合在梯度宏观骨支架上，实现多种药物的可控负载和后期的梯度释放。利用静 电纺丝技术在生长因子时间控释方面展现出独特优势，形成的纳米级纤维网结构与细胞外 基质环境非常接近，能够实现对细胞迀移，以及细胞粘附，增殖与生长的双重介导，其中形 成的共混静电纺丝载药可实现药物的前期突释和有效缓释，满足需要药物前期释放的情 况，同轴纳米纤维载体能有效避免生长因子失活和本文档来自技高网...

【技术保护点】
多药物可控负载梯度再生骨支架的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，成形材料的配置：多药物可控负载再生梯度骨支架的构建需要宏观梯度骨支架和载药电纺纳米纤维的制备，其制备材料有水凝胶材料，如海藻酸钠和明胶的配比和温度对成形宏观支架的搭接具有重要影响；共混载药和同轴载药电纺材料的选择以及药物的选择和含量，其中药物加载方式直接影响到药物的缓释机制，实现支架上药物的分时缓释，满足骨缺损修复不同阶段的生物化学需求；步骤二，支架制备的路径规划：根据所需再生骨支架设计支架的层高、层数、纤维间距以及电纺纤维的沉积位置和时间等参数，将一系列参数输入上位机中，利用生物3D打印复合成形试验平台复合挤出成形工艺和静电纺丝技术制备载药再生骨支架；步骤三，制备宏观骨支架：根据路径规划和支架梯度结构分析与优化结果，利用微量泵挤出水凝胶材料和运动平台的运动，使得支架纤维沉积在运动平台上且每两层成形支架的纤维间距呈现梯度变化，后置处理中要设置合理供料速度、平台运动速度的匹配参数，即可得到宏观骨支架；步骤四，复合载药电纺丝的再生骨支架：在每成形一定层数的宏观支架后，运动平台移动到静电纺丝工位，将静电纺丝溶液置于注射器中，固定在多喷头切换装置上，连接高压电源，调节系统装置的有关参数，如电压、供料速度、接收距离、电纺时间等，根据前置处理的路径规划结果，控制电纺纤维在支架上的沉积位置和静电纺丝工位多喷头装置的切换，实现共混载药和同轴载药的自由切换，最终得到多种药物可控负载的再生骨支架。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘媛媛，余红臣，刘亦，梁刚，张婷，胡庆夕，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31