用于肌腱/韧带组织的再生和/或置换的分层多尺度电纺支架及其生产方法技术

本发明专利技术涉及一种支持物或多尺度分层支架，其用于组织再生，特别是用于肌腱和/或韧带和/或肌肉和/或神经组织的再生或置换。本发明专利技术还涉及获得这种支持物的方法及其用途。

Layered multi-scale electrospun scaffolds for tendon / ligament regeneration and / or replacement and their production methods

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于肌腱/韧带组织的再生和/或置换的分层多尺度电纺支架及其生产方法
本专利技术涉及一种具有层次和多尺度三维结构的支持物(支架)，其用于组织再生，特别是用于肌腱和/或韧带组织的再生或置换。本专利技术还可以应用于肌肉和/或神经组织的再生和/或置换和/或模拟。本专利技术还涉及获得这种支持物的方法及其用途
技术介绍
在组织工程领域，支架在为细胞的粘附、增殖和迁移提供理想的环境中起着重要的作用。用于组织工程的支架的形态和结构对于将要重建或置换的组织和器官的形状和确定的结构至关重要。因此，组织重建和/或置换的理想支架，在结构、形态以及其他方面的物理和化学性质有一些特定的要求。特别是用于重建韧带或肌腱的支架应当是可生物降解的、多孔的、生物相容的，它们应具有足够的阻力和机械刚度，并有利于韧带或肌腱组织的形成。Dawei等,在材料化学B(J.Mater.ChemB)2015，3，8823中描述了通过静电纺丝纳米纤维二聚(L-丙交酯-己内酯)(P(LLA-CL))和聚乳酸(PLLA)制备用于外周神经损伤再生的支持物(支架)。这种支架具有由电纺纳米纤维形成的没有优先取向的外鞘(outersheath)，外鞘包裹了一定数量的先前制备的扭绞的纳米纤维(纱)簇。这种结构在肌腱和/或韧带和/或肌肉和/或神经组织的组织工程领域的适用局限性显而易见。首先，实际上，如果为了纺丝外鞘，使用了滚筒式地面收集器(drumgroundcollector)，在其周围手工固定构成完整支架的扭绞的纳米纤维(纱)簇，这种技术解决方案不能在整个支架中良好地压实这些扭绞的纳米纤维(纱)簇，从而明显限制了其最终的机械性能；此外，该方法需要随后从最终构造中移除地面收集器，该过程可能损害支架自身的完整性。最后，Dawei等人采用的技术方案能够用外鞘包裹电纺的扭绞纳米纤维(纱)簇的数量有限：在增加扭绞的纳米纤维(纱)簇的数目和/或扭绞的纳米纤维(纱)簇的直径时，或者在减小滚筒式地面收集器的直径时，极有可能大大削弱收集器的地面效应，从而使外鞘的电纺纤维无法沉积。此外，在迄今已知的文献中，没有提供有效的解决方案，将这种扭绞的纳米纤维(纱)簇和/或轴向排列的纳米纤维(束)簇有效地缝合和/或固定到与受损组织/或肌肉和/或骨骼界面。Jackson等(WO2010/062297A1)描述了一种通过电纺技术制备的，用于一些组织(例如神经组织)再生的支持物(支架)，该支持物(支架)由随机排列的纳米纤维(无规)多孔鞘(也通过电纺技术制备)构成，该多孔鞘包括由轴向对准支架本身的单纳米纤维构成的内部结构。根据作者的描述，为了电纺支架，使用了两个同步旋转的滚筒作为地面收集器，并且两个滚筒之间具有间隙(间隙)。在电纺过程的初始阶段，受两个地面收集器吸引的纳米纤维粘附在滚筒的两个侧面上，填充滚筒之间的间隙并排列(aligning)。一旦用排列的纳米纤维涂覆了滚筒的内表面，继续该过程，纳米纤维就会随机排列，并形成一个鞘来包裹排列的纳米纤维(被两个滚筒的轴向区域所吸引)。该方法最终获得了多孔支架，该多孔支架由在其内部轴向排列的单纳米纤维，及被随机排列的纳米包裹的纤维鞘构成。第一个局限性在于不可能调节支架的最终长度。实际上，已知随着滚筒之间距离的增加，两个滚筒之间的地面作用逐渐减小直至其完全消失，使纳米纤维仅分别沉积在两个滚筒上，从而不可能制备支架和/或排列的纳米纤维。此外，在形态上，这种支架与神经组织具有完全不同的结构，神经组织的特征在于复杂、紧凑、分层和多尺度的纤维结构，组织成在不同层次连接的亚结构以形成完整的组织。在神经的多尺度层次结构中，此类组织的基本构造位于半透明神经元轴突中。神经元轴突排列并连接成群，即神经元束；神经元束群通过称为神经外膜的纤维套管(sleeve)相互连接并压紧，以获得完整的神经。此外，在某些神经中，神经元束的单个亚群之间通过称为神经束膜的套管连接在一起，而这些结构又被神经外膜套管捆绑在一起。作者提出的支架在态学上不能再生如上提到所有结构，相反，所述支架既没有层次也没有多尺度的三维结构。作者提出的在支架中这种分层结构的缺乏进一步损害了支架本身的机械性能，因为其内部仅包括排列的纳米纤维，但是在亚结构中没有组织并且没有压实，因此不能提供令人满意的机械阻力，以支撑此类组织在体内承受的生理负荷。Sensini等人(生物制造(Biofabrication).2017年3月8日；9(1)：015025)描述了一种通过电纺技术制备轴向排列纳米纤维(束)簇的方法。为了制备它们，在高速旋转的滚筒式收集器上电纺聚合物纳米纤维。在电纺工艺结束时，切割滚筒上的纳米纤维膜圆周条，并通过形成轴向排列的纳米纤维(束)簇(每簇直径约500微米)将其卷起来，然后将其切割并从滚筒中取出。然而，作者表明这些轴向排列的纳米纤维簇(束)是模拟胶原单腱束形态和力学性能的支架，而没有提出任何方法来生产能够再生完整肌腱的多尺度分层支架。上述内容表明，在文献中，对于能够在各个构造中再生肌腱和/或韧带和/或肌肉和/或神经的分层结构的多尺度分层支架，存在巨大的不足。这样，如上所述的现有技术表明，需要提供新的支持物和用于制备其的方法，而又不具有现有技术的缺点。
技术实现思路
专利技术人已经成功地获得了支持物(支架)，该支持物通过具有分层和多尺度的三维结构(多尺度分层支架)，能够再生肌腱和韧带和/或肌肉和/或神经的机械、形态和生理特征的构建物来置换和/或重建肌腱和/或韧带和/或肌肉和/或神经组织。在本专利技术描述中，在构建物和/或多尺度分层支架下，各装置或结构是指由具有不同维度尺度的子结构以分层顺序相互连接构成。这种结构的典型是结缔组织，例如肌腱和/或韧带，以及肌肉和神经。实际上，肌腱和/或韧带和/或肌肉和/或神经组织由不同特征的多尺度分层结构构成(下文中从分子水平开始直至整个肌腱和/或韧带和/或肌肉和/或神经)：在肌腱和/或韧带的多尺度分层结构中，此类组织的基本成分位于原胶原蛋白分子中，它们通过产生胶原原纤维彼此连接；胶原原纤维排列成不同的群，称为束。纤维束群通过胶原纤维(称为表皮腱鞘/表皮韧带(epiligament))袖套彼此连接并压紧，以形成整个肌腱或韧带。此外，在一些肌腱和/或韧带中，束的单个亚群之间通过称为腱内膜(endotenon)/韧带内膜(endoligament)的套管连接在一起，而这些结构又被表皮腱鞘/表皮韧带套管捆绑在一起。肌腱和/或韧带的天然多尺度分层结构被本专利技术所涉及的多尺度分层支架所完美模拟：由聚合物大分子(尺寸类似于原胶原蛋白)组成的电纺纳米纤维(具有纳米直径的纤维，相当于肌腱和/或韧带的胶原纤维)；多个电纺纳米纤维排列形成轴向排列的纳米纤维(束)簇和/或被扭绞以形成扭绞的纳米纤维(纱)簇(类似于肌腱和/或韧带束)；多个轴向排列的纳米纤维(束)簇和/或多个扭绞的纳米纤维(纱)簇通过纳米纤维电纺鞘相互连接并压实(模拟肌腱和/或韧带的表皮腱鞘/表皮韧带套管)形成本专利技术所述的多尺度分层支架。此外，本专利技术涉及的若干个多尺度分层支架可以通过与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多尺度分层支架，用于置换、修复、再生、重建或模拟组织，尤其是肌腱和/或韧带的和/或肌肉和/或神经组织，包括：/n-通过电纺得到的多个簇，各簇由纳米纤维组成，其中，所述多个簇被排列以形成单个群；/n-通过电纺得到的纳米纤维组成的多孔鞘，其中，所述多孔鞘外部包裹并压紧所述多个簇，从而使其彼此取向排列。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170612 IT 1020170000646131.一种多尺度分层支架，用于置换、修复、再生、重建或模拟组织，尤其是肌腱和/或韧带的和/或肌肉和/或神经组织，包括：
-通过电纺得到的多个簇，各簇由纳米纤维组成，其中，所述多个簇被排列以形成单个群；
-通过电纺得到的纳米纤维组成的多孔鞘，其中，所述多孔鞘外部包裹并压紧所述多个簇，从而使其彼此取向排列。


2.如权利要求1所述的支架，包括：
-多个轴向排列的纳米纤维(束)的簇和/或多个扭绞的纳米纤维(纱)的簇，所述纳米纤维簇通过电纺获得，分别由轴向排列的和/或扭绞的纳米纤维组成，所述纳米纤维簇轴向排列以形成单个群；
-通过电纺得到的由纳米纤维组成的多孔鞘，其中，所述多孔鞘外部包裹并压紧所述多个簇，从而使其彼此取向排列。


3.如权利要求1或2所述的支架，包括：
-多个纳米纤维(环束)的环状簇，所述纳米纤维的环状簇通过电纺获得，分别由轴向排列的和/或轴向扭绞的纳米纤维组成，和/或随机排列以形成单个群；
-通过电纺得到的纳米纤维组成的多孔鞘，其中，所述多孔鞘外部包裹并压紧所述多个簇，从而使其彼此取向排列。


4.如权利要求1至3中任一项所述的支架，其机械阻力在2至10000N之间，特别是在10至5000N，且弹性模量在20至100000MPa之间，优选地在30至20000MPa之间。


5.如权利要求1至4中任一项所述的支架，其机械阻力在200至500N之间和/或弹性模量在30至20000MPa之间。


6.如权利要求1至5中任一项所述的支架，其机械阻力在2至10000N之间，且弹性模量在20至100000MPa之间。


7.如前所述任一项权利要求所述的支架，其中，所述支架的长度在10至1000mm之间，特别是在10至500mm之间，且平均直径在1至100mm之间。


8.如前所述任一项权利要求所述的支架，其中，所述支架的长度在20至200mm之间，且平均直径在5至50mm之间。


9.如前所述任一项权利要求所述的支架，其中，构成所述簇和/或所述鞘的所述纳米纤维的平均直径在10至10000nm之间。


10.如前所述任一项权利要求所述的支架，其中，构成所述簇和/或所述鞘的所述纳米纤维的平均直径在200至1000nm之间，特别是在300至1000nm之间。


11.如前所述任一项权利要求所述的支架，其中，所述簇的平均直径在1至10000μm之间，特别是在20至10000μm之间。


12.如前所述任一项权利要求所述的支架，其中，所述簇的平均直径在500至650μm之间。


13.一种包括多个如权利要求1至12中任一项所述的内部支架的支架，其通过由电纺获得的由纳米纤维组成的第二多孔鞘依次连接，其中，所述鞘在外部包裹并压实所述多个支架。


14.如权利要求1至13所述的支架，其中，所述多孔鞘/或鞘包括由随机排列的纳米纤维组成。


15.如权利要求1至13所述的支架，其中，所述多孔鞘/或鞘由相对于所述支架轴线轴向排列的纳米纤维组成。


16.如权利要求1至13所述的支架，其中，所述多孔鞘/或鞘由相对于所述支架轴线环形排列的纳米纤维组成。


17.如权利要求1至13所述的支架，其中，所述多孔鞘/或鞘由如权利要求14至16的组合排列的纳米纤维组成。


18.如权利要求13至17中任一项所述的支架，其中，所述内部支架彼此轴向排列。


19.如权利要求13至17中任一项所述的支架，其中，所述内部支架彼此扭绞(捻)和/或随机排列。


20.根据前述权利要求中任一项所述的支架，其中，在所述支架中的所述簇的数量在40至1000之间。


21.如前所述任一项权利要求所述的支架，其中，所述支架由生物可再吸收的或生物稳定的和/或惰性的材料制成。


22.如前所述任一项权利要求所述的支架，其中，所述支架由合成材料或天然材料制成，所述合成材料选自：聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚烯烃和氟化聚合物及其共聚物；所述天然材料选自：多糖、蛋白质、聚酯、多肽及其共聚物和/或其混合物。


23.如前所述任一项权利要求所述的支架，其中，使用聚(L)-乳酸(PLLA)、聚酰胺和/或尼龙6,6制备所述纳米纤维。


24.如前所述任一项权利要求所述的支架，其中，所述支架和/或所述纳米纤维由有机和/或无机组分负载和/或功能化以执行生物作用和/或改变所述组织的化学-物理和/或机械性能。


25.如权利要求24所述的支架，其中，所述有机和/或无机组分选自：药物、生长因子、抗菌剂、肽、羟基磷灰石、磷酸盐、生物玻璃、金属氧化物、石墨烯、碳纳米管或其混合物。


26.如前所述任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·圣西尼，L·克里斯托福林，C·瓜兰迪，M·L·福卡雷特，J·贝尔卡里，A·祖切利，
申请(专利权)人：博洛尼亚大学，
类型：发明
国别省市：意大利;IT