一种软硬组织一体化再生修复梯度三维纤维支架及其制备方法技术

一种软硬组织一体化再生修复梯度三维纤维支架及其制备方法属于医用生物材料制备技术领域。由纤维搭接、孔隙率大于90％、具有孔径在30‑150μm的贯穿大孔结构、抗压强度达到兆帕级别、从支架顶层到支架底层的组成仿生天然软硬组织过渡结构的梯度三维纤维支架，纤维由具有生物相容性的天然高分子和具有生物相容性的合成高分子复合制备，其中，在软组织层支架的复合纤维中添加有糖胺聚糖成分，中间过渡层和硬组织层支架的复合纤维表面沉积有羟基磷灰石成分。本发明专利技术制备了一种具有不同功能层的、满足软硬组织再生修复需求的梯度支架，可分层诱导支架内的细胞和组织同时向软组织和成骨向分化。

A gradient three-dimensional fiber scaffold for soft and hard tissue regeneration and repair and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种软硬组织一体化再生修复梯度三维纤维支架及其制备方法
本专利技术属于医用生物材料制备
，涉及一种软硬组织再生修复的三维支架及其制备方法，具体涉及到一种软硬组织一体化再生修复的仿生梯度三维纤维支架及其制备方法。
技术介绍
由于运动创伤或疾病，可能会在某些部位同时造成软组织和硬组织损伤，如骨软骨、腱骨等具有复杂的梯度结构的部位。天然关节骨软骨结构主要分为透明软骨层、软骨钙化层以及软骨下骨；正常的腱骨结合部位则由肌腱组织、未钙化的纤维软骨、钙化的纤维软骨和骨组织四部分组织构成。不同的部分在组成成分、结构及细胞成分等方面有着明显的差异，这给基础研究和临床治疗工作带去了巨大的难题。目前，微骨折术是一种释放自体骨髓间充质干细胞用于骨软骨修复的方法，但该法动员出的骨髓间充质干细胞仅占骨髓有核细胞成分的0.001-0.01％，对于大面积的骨软骨损伤仍束手无策。而手术重建是腱骨损伤的重要治疗手段，但术后腱骨界面愈合的情况往往不尽人意，手术重建的长期疗效并不乐观。组织工程支架自提出以来，已经广泛地应用于临床的各个领域，包括骨、软骨、肌腱、神经、血管、皮肤等多个组织再生修复，它也为修复软硬组织损伤提供了新思路，其中，仿生软硬组织结构进行具有梯度结构组织工程支架的构建，是进行软硬组织一体化再生修复的关键。可以用于软组织层支架的生物可降解材料主要有两类，即天然高分子材料(如胶原、明胶、透明质酸、硫酸软骨素、壳聚糖等)和合成高分子材料(如聚乳酸、乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯等)。蛋白质和多糖这两类天然高分子作为支架材料，优势是具有优异的亲水性、生物相容性和细胞相容性，作为来自细胞外基质的成分，在调控细胞生长和分化方面扮演重要角色，但天然高分子单独作为支架材料也存在力学性能较差以及降解较快等不足。聚乳酸等合成高分子材料具有生物相容性良好、降解速率可调节、力学强度高、易于加工成型等优点，但是其单独作为支架材料的缺陷也很明显，如呈现疏水性质、缺乏细胞结合位点和生物活性，且降解产物偏酸性，存在局部发生无菌性炎症反应导致细胞凋亡的可能性。可以用于硬组织层支架的材料，除了前述的天然高分子和合成高分子材料外，更重要的一类是无机生物陶瓷材料，如羟基磷灰石、磷酸三钙、生物活性玻璃等。生物陶瓷材料因具有与人体骨骼矿物相似的化学组成，可为骨组织再生提供生物活性离子而促进新骨生成，被广泛作为骨修复材料得到关注。但陶瓷材料所固有的脆性、可塑性差，影响了它们单独作为骨组织工程支架应用的前景。由此可见，单一的材料是很难满足组织再生修复要求的，尤其是修复在组成和功能上存在梯度变化的软硬组织缺损时，如何根据骨软骨或腱骨组织的天然特性，仿生构建具有梯度结构组织工程支架，对材料的选择和支架制备方法都提出了更高要求。将天然高分子材料和合成高分子材料复合可以兼具两者的优点，弥补各自的不足，将生物陶瓷材料按照软硬组织梯度进行复合，制备多相支架用于梯度组织的再生修复，是一条可行有效的思路。多孔支架的制备方法有很多，如致孔剂法、相分离法、三维打印快速成型法等，但从仿生天然细胞外基质的胶原纤维网络结构考虑，用溶液静电纺丝制备的各种组成的纤维，来构建一种软硬组织一体化修复的梯度三维纤维支架，可以同时满足支架从组成和结构上对天然软硬组织的双重仿生，获得更理想的修复效果。
技术实现思路
针对软硬组织复杂的结构，按照仿生一体化的构建理念，需要制备一种具有不同功能层的、满足软硬组织再生修复需求的梯度支架，可分层诱导支架内的细胞和组织同时向软组织和成骨向分化。静电纺丝技术可以制备纳米到微米直径范围的纤维，在仿生天然细胞外基质纤维网络方面具有绝对优势，例如纤维直径、形貌和组成可控，但静电纺丝制备的纤维膜较为致密，直接复合制备支架不利于细胞的迁移。本专利技术提出结合剪切分散、致孔剂添加、冷冻干燥、热交联和梯度生物矿化技术，制备一种具有贯通的大孔结构、具有仿生的从软组织到硬组织过渡结构的梯度三维纤维支架，实现骨软骨、腱骨、牙周等多种具有过渡结构的组织再生修复。本专利技术的一种软硬组织一体化再生修复梯度三维纤维支架的制备方法，具体如下：(1)将具有生物相容性的天然高分子和具有生物相容性的合成高分子按3:1-1:3的质量比在三氟乙醇中配成混合溶液，静电纺丝得到用于硬组织层或中间层的纤维膜；(2)混合溶液中加入糖胺聚糖，糖胺聚糖加入量是高分子混合物即具有生物相容性的天然高分子和具有生物相容性的合成高分子的0.5-10wt.％，静电纺丝得到用于软组织层的纤维膜；(3)将硬组织层、中间层和软组织层的纤维膜在叔丁醇中经高速均质机以10000-15000rpm高速剪切分散，得到浓度为1-5wt.％的纤维悬液，加入致孔剂，纤维膜与致孔剂质量比为1:0-1:30，然后冷冻干燥成型得到用于硬组织层或中间层的聚乳酸/明胶空白三维支架和软组织层的三维纤维支架；(4)将用于中间层或硬组织层的空白支架和软组织层的三维纤维支架于160-190℃加热交联1-4h后，用去离子水浸泡去除致孔剂，经冷冻干燥得到具有孔径在30-150μm的贯穿大孔结构、抗压强度达到兆帕级别的空白支架或软组织层的三维纤维支架；(5)将用于中间层或硬组织层的空白支架分别浸泡在模拟体液中，37℃生物矿化，24h-3d得到羟基磷灰石沉积量为5-20wt.％的中间层三维纤维支架，28h-7d得到羟基磷灰石沉积量为20-50wt.％的硬组织层三维纤维支架；(6)将不同层的三维纤维支架用丙烯酸酯改性明胶水溶液经光固化机光照复合，光照功率为20-40MW，光照时间为10-20min，得到具有不同组成的梯度三维纤维支架。进一步，步骤(3)中，致孔剂为氯化钠和蔗糖中的一种，致孔剂的粒径范围为100-250μm。进一步，步骤(6)中的梯度三维纤维支架，选择性叠加硬组织层、中间层和软组织层的三维纤维支架，叠加的层数为2-4层。所述制备步骤(1)中的合成高分子为乳酸、羟基乙酸、己内酯的均聚物及它们的共聚物中的一种，天然高分子为胶原、明胶、纤维蛋白原、壳聚糖、透明质酸、硫酸软骨素的一种或一种以上。所述制备步骤(1)中，用于制备中间层和硬组织层支架纤维的静电纺丝溶液的配置，优选地，为将乳酸、羟基乙酸、己内酯的均聚物及它们的共聚物中的一种，将胶原和明胶中的一种，按3:1-1:3质量比共溶于三氟乙醇得到的混合溶液。所述制备步骤(1)中，用于制备软组织层支架纤维的静电纺丝溶液的配置，优选地，具体包括以下步骤：①将乳酸、羟基乙酸、己内酯的均聚物及它们的共聚物中的一种，与胶原和明胶中的一种，按3:1-1:3重量比共溶于三氟乙醇；②将透明质酸和硫酸软骨素中的一种或两种，溶于去离子水，加入等量三氟乙醇，32％功率超声10min得到澄清溶液；③将一定量步骤②配置的溶液，在超声振荡下，加入到步骤①配置的溶液中，混合均匀得到用于制备软组织层支架纤维的静电纺丝溶液，由此得到的软组织层支架纤维中，透明质酸和硫酸软骨素中一种或两种的添加量占高分子混合物即天然高分子和合成高分子质量之和的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种软硬组织一体化再生修复梯度三维纤维支架，其特征在于其是一种由纤维搭接、孔隙率大于90％、具有孔径在30-150μm的贯穿大孔结构、抗压强度达到兆帕级别、从支架顶层到支架底层的组成仿生天然软硬组织过渡结构的梯度三维纤维支架，纤维由具有生物相容性的天然高分子和具有生物相容性的合成高分子复合制备，其中，在软组织层支架的复合纤维中添加有糖胺聚糖成分，中间过渡层和硬组织层支架的复合纤维表面沉积有羟基磷灰石成分。/n

【技术特征摘要】
1.一种软硬组织一体化再生修复梯度三维纤维支架，其特征在于其是一种由纤维搭接、孔隙率大于90％、具有孔径在30-150μm的贯穿大孔结构、抗压强度达到兆帕级别、从支架顶层到支架底层的组成仿生天然软硬组织过渡结构的梯度三维纤维支架，纤维由具有生物相容性的天然高分子和具有生物相容性的合成高分子复合制备，其中，在软组织层支架的复合纤维中添加有糖胺聚糖成分，中间过渡层和硬组织层支架的复合纤维表面沉积有羟基磷灰石成分。


2.根据权利要求1所述的梯度三维纤维支架，其特征是具有生物相容性的合成高分子是乳酸、羟基乙酸、己内酯的均聚物或它们的共聚物中的一种，具有生物相容性的天然高分子为胶原、明胶、纤维蛋白原、壳聚糖中的一种。


3.根据权利要求1所述的梯度三维纤维支架，其特征是在软组织层支架的复合纤维中添加的糖胺聚糖为透明质酸、硫酸软骨素的一种或一种以上，在中间过渡层和硬组织层支架的复合纤维表面沉积的羟基磷灰石是通过使用按ISO23317-2007配置的标准模拟体液的1.5-10倍浓度溶液的一种，在37℃浸泡3h-7d得到的。


4.制备如权利要求1所述的一种软硬组织一体化再生修复梯度三维纤维支架的方法，其特征是通过以下步骤完成的：
(1)将具有生物相容性的天然高分子和具有生物相容性的合成高分子按3:1-1:3的质量比在三氟乙醇中配成混合溶液，静电纺丝得到用于硬组织层或中间层的纤维膜；
(2)混合溶液中加入糖胺聚糖，糖胺聚糖加入量是高分子混合物即具有生物相容性的天然高...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡晴，方嘉锦，赵文文，杨小平，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11