一种用于髋关节软骨修复的复合支架及其制备方法技术

本发明专利技术涉及组织工程关节软骨修复技术领域，具体涉及一种用于髋关节软骨修复的复合支架及制备方法。所述支架由下而上依次为由生物陶瓷包裹的多孔镁支架层和高分子水凝胶层，所述水凝胶层装载有软骨细胞，植入体内后分别形成软骨下骨层、钙化界面层和软骨层三层结构。本发明专利技术复合支架遇到体内组织微环境的体液后，支架中的多孔镁成分氧化产生氢气，产生的气体受表面陶瓷膜的限制无法立即扩散，在局部形成气膜，形成稳定的隔离层，将成骨微环境与软骨微环境隔离开来，防止下方的成骨微环境中细胞、细胞因子进入软骨微环境，阻止软骨骨化发生，有效保持了软骨微环境的稳定，适用于大面积软骨修复，修复面积直径大于1厘米。

【技术实现步骤摘要】
一种用于髋关节软骨修复的复合支架及其制备方法
本专利技术涉及组织工程关节软骨修复
，具体涉及一种用于髋关节软骨修复的复合支架及制备方法。
技术介绍
近年来，骨关节炎和运动导致关节软骨损伤的发病率逐渐上升。由于软骨组织无血液供应和神经支配，并且软骨细胞的低代谢活性以及高密度的细胞外基质限制了软骨细胞向缺损区域移行，在受损后自我修复能力有限，因此组织工程在软骨修复中具有极大的应用前景。关节软骨修复的理想状态是受损的软骨能够持续生成透明状软骨，新生组织与周围组织融合，并能够符合关节软骨的生物学和力学特性。由于关节软骨的特殊结构，一旦受损便为软骨层、软骨下骨层一同受损。同时，每一层具有不同的复杂结构以及性质，层与层之间应具有较好的层间结合力。因此，如何制备满足上述要求的软骨组织工程支架是研究的热点与难点。在软骨下骨结构中，发现钙化界面层是非常重要的生理解剖结构，在正常软骨中，钙化界面层起到很好隔离软骨与软骨下骨微环境的作用。一方面其阻止软骨下骨血管的侵入而避免软骨细胞过度钙化的发生，与此同时，防止关节液渗透入到软骨下骨进而影响成骨细胞的活性，从而保证两者有独立和不同的生存环境。在骨性关节炎的患者中常发现钙化界面层的破坏，导致软骨微环境被破坏，软骨下骨中的细胞因子扩散进入软骨微环境，促进软骨骨化，从而加重骨性关节炎的病情。为此，有研究者尝试通过结构仿生，利用水凝胶材料通过离子交联模拟钙化界面层，但单纯水凝胶的力学性质难以满足钙化界面层、软骨下骨层的力学支撑要求；也有报道将无机材料经前期结构设计，借助3D一体化打印技术，经烧结后制备出陶瓷钙化界面层，但该产品的脆性高，也难以满足临床对钙化界面层的力学需求；还有报道通过高分子自组装或原位聚合，再借助层层干燥方法，制备出模拟钙化界面层的软骨结构，但该工艺的钙化界面层结构不够致密，难以实现对软骨微环境和成骨微环境的有效隔离，且力学强度无法满足临床力学支撑要求。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于髋关节软骨修复的复合支架及制备方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种用于髋关节软骨修复的复合支架，所述支架由下而上依次为由生物陶瓷包裹的多孔镁支架层和高分子水凝胶层，所述水凝胶层装载有软骨细胞，植入体内后分别形成软骨下骨层、钙化界面层和软骨层三层结构。上述技术方案中，进一步地，所述多孔镁支架的孔隙及表面原位固化生物陶瓷颗粒形成包裹住多孔镁支架层的生物陶瓷层；所述高分子水凝胶层与生物陶瓷层以生物胶粘连为一体。上述技术方案中，进一步地，所述生物陶瓷包裹的多孔镁支架中装载有间充质干细胞。上述技术方案中，进一步地，所述多孔镁支架表面覆盖有钙磷涂层；钙磷涂层的成分组成为羟基磷灰石(HA)、磷酸八钙(OCP)或磷酸三钙(TCP)的磷酸盐涂层；磷酸涂层厚度在3-20μm。上述技术方案中，进一步地，所述多孔镁支架的形状由患者髋关节CT重构的股骨头形状尺寸确定；所述多孔镁支架的组成成分为纯镁或者镁合金。上述技术方案中，进一步地，所述生物陶瓷颗粒的材质为磷酸钙基陶瓷或硫酸钙陶瓷中的一种或多种混合物；磷酸钙基陶瓷包括纳米羟基磷灰石陶瓷、磷酸钙陶瓷、磷酸二钙陶瓷、磷酸三钙陶瓷和磷酸八钙陶瓷的一种或一种以上混合物。上述技术方案中，进一步地，所述水凝胶材料包括海藻酸盐。上述技术方案中，进一步地，所述水凝胶材料还包括胶原、透明质酸中的一种或两种。上述技术方案中，进一步地，所述多孔镁支架层的孔隙率为50-80％，所述高分子水凝胶的孔隙率为60％-90％。上述技术方案中，进一步地，所述多孔镁支架层的厚度为0.2mm-4mm，所述生物陶瓷层的厚度为0.1-2mm，所述水凝胶层的厚度0.2mm-4mm。本专利技术提供了髋关节软骨修复的复合支架的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)制备多孔镁或多孔镁合金，采用渗流铸造法或3D打印法制备多孔结构的镁支架，制备好的多孔镁支架灭菌备用；所述渗流铸造法为：将球形氯化钠晶体颗粒进行烧结，得到开孔多孔氯化钠预制结构；将镁合金熔液浇入放有氯化钠预制体的模腔，进行压力渗流铸造；除去氯化钠-镁合金复合结构外表皮，水洗滤除氯化钠，得到多孔镁合金；所述3D打印法工艺参数为：铺粉厚度为30-50μm，激光功率为80-120W，曝光时间20-50μs，激光扫描点间距30-60μm，线间距30-60μm；(2)在步骤(1)制备的多孔镁支架上在无菌环境下涂覆生物陶瓷浆料，生物陶瓷浆料由生物陶瓷粉末与所用溶剂以体积比5:1-1:10配制而成；支架孔隙中接种106-108细胞数量的间充质干细胞；(3)制备高分子水凝胶：以海藻酸钠的终浓度10g/L-50g/L，胶原的终浓度0g/L-50g/L，透明质酸终浓度在0g/L-50g/L配制成水凝胶溶液，水凝胶溶液与软骨细胞混合后细胞密度在106-108/mL，通过交联剂交联制备成水凝胶膜，所述细胞密度在106-108/mL；(4)将步骤(3)制备的水凝胶膜以生物胶与步骤(2)支架粘合成一体，即制备成多层软骨复合支架；所述生物胶包括但不限于纤维蛋白粘合剂。上述技术方案中，进一步地，所述海藻酸钠的交联剂为二价阳离子，或者三价阳离子，其中，二价阳离子为Ca2+、Cu2+、Fe2+、Sr2+、Zn2+或Ba2+；三价阳离子为Fe3+或Ga3+。上述技术方案中，进一步地，对步骤(1)制备的多孔镁或多孔镁合金进行钙磷涂层；所述钙磷涂层的工艺为水热反应方法，工艺参数为：反应溶液含有0.025M的KH2PO4和0.025MCa(NO3)2，反应温度为80℃，反应时间12小时。本专利技术的有益效果：本专利技术复合支架在体内应用时，遇到体内组织微环境的体液后，支架中的多孔镁成分将发生氧化反应产生氢气，产生的气体受表面陶瓷膜的限制无法立即扩散，在局部形成气膜，从而形成稳定的隔离层，起到隔离作用，将成骨微环境与软骨微环境隔离开来，防止下方的成骨微环境中细胞、细胞因子进入软骨微环境，从而阻止软骨骨化发生，有效保持了软骨微环境的稳定。在此基础上，在多孔镁复合陶瓷膜支架的上方再覆盖模拟软骨层的水凝胶膜，二者交联成一体，用于髋关节软骨大面积缺损的仿生构建，本专利技术复合支架适用于大面积软骨修复，修复面积直径大于1厘米。附图说明图1是本专利技术的实施例中复合支架的结构示意图；图2是本专利技术的实施例中复合支架用于髋关节软骨缺损大动物模型的修复过程的结构示意图；图3是本专利技术的实施例1中复合支架用于髋关节软骨缺损大动物模型的修复后的组织学标本染色图片；其中，A是HE染色；B是甲苯胺蓝染色；C是番红O染色；D是二型胶原免疫组化染色。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不以任何方式限制本专利技术。实施例1渗流铸造法制备多孔镁支架的实施例步骤：将尺寸为700～800μm球形氯化钠晶体颗粒放入内径为50mm，高50mm的模具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于髋关节软骨修复的复合支架，其特征在于，所述支架由下而上依次为由生物陶瓷包裹的多孔镁支架层和高分子水凝胶层，所述水凝胶层装载有软骨细胞。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于髋关节软骨修复的复合支架，其特征在于，所述支架由下而上依次为由生物陶瓷包裹的多孔镁支架层和高分子水凝胶层，所述水凝胶层装载有软骨细胞。


2.根据权利要求1所述的用于髋关节软骨修复的复合支架，其特征在于，所述多孔镁支架的孔隙及表面原位固化生物陶瓷颗粒形成包裹住多孔镁支架层的生物陶瓷层；所述高分子水凝胶层与生物陶瓷层以生物胶粘连为一体。


3.根据权利要求1所述的用于髋关节软骨修复的复合支架，其特征在于，所述生物陶瓷包裹的多孔镁支架中装载有间充质干细胞。


4.根据权利要求1所述的用于髋关节软骨修复的复合支架，其特征在于，所述多孔镁支架表面覆盖有钙磷涂层；钙磷涂层的成分组成为羟基磷灰石、磷酸八钙或磷酸三钙的磷酸盐涂层；磷酸涂层厚度在3-20μm。


5.根据权利要求1所述的用于髋关节软骨修复的复合支架，其特征在于，所述多孔镁支架的形状由患者髋关节CT重构的股骨头形状尺寸确定；所述多孔镁支架的组成成分为纯镁或者镁合金。


6.根据权利要求1所述的用于髋关节软骨修复的复合支架，其特征在于，所述生物陶瓷颗粒的材质为磷酸钙基陶瓷或硫酸钙陶瓷中的一种或多种混合物。


7.根据权利要求1所述的用于髋关节软骨修复的复合支架，其特征在于，所述水凝胶材料包括海藻酸盐或包括胶原、透明质酸中的一种或两种。


8.根据权利要求1所述的用于髋关节软骨修复的复合支架，其特征在于，所述多孔镁支架层的孔隙率为50-80％，所述高分子水凝胶的孔隙率为60％-90％。


9.根据权利要求1所述的用于髋关节软骨修复的复合支架，其特征在于，所述多孔镁支架层的厚度为0.2mm-4mm，所述生物陶瓷层的厚度为0.1-2mm，所述水凝胶层的厚度0.2mm-4mm。


10.权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵德伟，于炜婷，程亮亮，袁广银，李军雷，郑国爽，
申请(专利权)人：赵德伟，
类型：发明
国别省市：辽宁;21