一种仿生含细胞大块骨软骨生物支架及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种仿生含细胞大块骨软骨生物支架及其制备方法，属于生物医学组织工程技术领域。本发明专利技术采用含细胞挤出3D打印技术、含细胞静电纺丝技术、含细胞电流体动力学直写技术和牺牲材料方法的复合工艺，不仅能够实现具有仿生人体骨软骨组织结构的一体化骨软骨支架成形，而且可以实现含细胞的骨软骨支架的制备，为大块骨软骨生物支架的构建提供了解决方案，促进骨软骨组织一体化修复和重建。促进骨软骨组织一体化修复和重建。促进骨软骨组织一体化修复和重建。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生含细胞大块骨软骨生物支架及其制备方法


[0001]本专利技术涉及生物医学组织工程
，尤其涉及一种仿生含细胞大块骨软骨生物支架及其制备方法。

技术介绍

[0002]由于创伤、事故、肥胖、劳损、肿瘤、关节先天性异常和关节畸形，以及老年退化性骨关节病等造成关节骨软骨缺损的患者日益增多，目前已成为肢体残障的主要原因之一。其中，关节软骨损伤极易引起软骨下骨的联合病变，导致损伤的关节骨软骨组织自我修复非常困难，因此成为目前骨科临床中亟待解决的世界难题之一。目前临床上主要采用自体或异体组织、人工支架等植入物进行修复，其中自体骨软骨组织来源有限，难以修复大块组织缺损，且易造成二次损伤，异体骨软骨组织存在免疫排斥反应、疾病传播和外形匹配难度高等难题。随着组织工程与再生医学的迅速发展，为关节骨软骨损伤的再生修复提供了新的解决方案。
[0003]关节骨软骨由软骨层、钙化层和软骨下骨层构成；其中软骨层呈现梯度结构，分为浅表层、中间层和深层，其中表层结构呈现弧形的曲面结构。钙化层为软骨组织与软骨下骨组织的过渡区域，软骨区和软骨下骨区之间有一层薄且致密的潮线层，将软骨区与软骨下骨区进行分隔，防止软骨区域的钙化及血管长入。软骨下骨区为皮质骨终端，内有血管及神经组织，为软骨下骨组织部分提供营养物质、氧气及代谢废物的排出。针对如此复杂结构的骨软骨组织结构，制备具有仿生结构的骨软骨支架一直倍受关注。
[0004]近年来，国内外研究学者提出不同的方法制备骨软骨一体化支架，主要围绕单层、双层、三层等多层结构的骨软骨支架结构展开研究，其中较多聚焦在更能模拟骨软骨组织的三层结构上。但目前骨软骨支架结构比较简单和单一，无法满足天然骨软骨的软骨表层结构要求以及大块骨软骨组织的功能需求，植入后也无法与周围组织相契合，存在大块骨软骨组织的供养、血管网络通道和细胞诱导分化相互影响的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种仿生含细胞大块骨软骨生物支架及其制备方法，能够实现软骨下骨层的血管网络通道、钙化层的隔离功能、软骨层的梯度结构渐变且复杂表层形态结构的大块关节骨软骨支架的一体化制备。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种仿生含细胞大块骨软骨生物支架的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将含骨髓间充质干细胞的软骨下骨材料进行第一挤出3D打印，在所形成的软骨下骨支架结构中采用含人脐静脉内皮细胞的牺牲材料进行第二挤出3D打印，依次交替进行所述第一挤出3D打印和第二挤出3D打印，得到含预制血管化网络结构的软骨下骨层；
[0009]采用含骨髓间充质干细胞的电纺材料，在所述软骨下骨层进行静电纺丝，在所述软骨下骨层上表面形成含细胞纳米纤维隔离膜；
[0010]继续采用所述含骨髓间充质干细胞的电纺材料在所述含细胞纳米纤维隔离膜上进行电流体动力学直写3D打印，在所述含细胞纳米纤维隔离膜上形成钙化层；
[0011]采用含骨髓间充质干细胞的软骨材料在所述钙化层上依次进行第三挤出3D打印和空间挤出打印，在所述钙化层上形成具有梯度孔隙结构和弧形曲面结构的软骨层，得到大块骨软骨支架；
[0012]将所述大块骨软骨支架置于细胞培养液中，进行体外培养，得到仿生含细胞大块骨软骨生物支架。
[0013]优选的，所述含骨髓间充质干细胞的软骨下骨材料的制备原料包括骨髓间充质干细胞、骨材料和第一溶剂；所述骨材料包括明胶、胶原、海藻酸钠、壳聚糖、甲基丙烯酰化明胶、羟基磷灰石和磷酸三钙中的一种或几种；所述第一溶剂包括PBS缓冲液、HBSS溶液或培养基。
[0014]优选的，所述含人脐静脉内皮细胞的牺牲材料的制备原料包括人脐静脉内皮细胞、牺牲材料和第二溶剂；所述牺牲材料包括胶原、海藻酸钠、PVA和聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)中的一种或几种。
[0015]优选的，所述预制血管化网络结构中预血管化通道直径为100～500μm。
[0016]优选的，所述含骨髓间充质干细胞的电纺材料的制备原料包括骨髓间充质干细胞、电纺材料和第三溶剂；所述电纺材料包括胶原、明胶、海藻酸盐、PVA、PEO和PEG中的一种或几种。
[0017]优选的，所述含细胞纳米纤维隔离膜中纳米纤维直径≤200nm，所述含细胞纳米纤维隔离膜的孔隙≤50μm。
[0018]优选的，所述钙化层为微米级纤维丝结构，所述微米级纤维丝的直径为100～300μm。
[0019]优选的，所述含骨髓间充质干细胞的软骨材料的制备原料包括骨髓间充质干细胞、软骨材料和第四溶剂；所述软骨材料包括胶原、明胶、海藻酸盐、壳聚糖、透明质酸和甲基丙烯酰化明胶中的一种或几种。
[0020]优选的，所述软骨层的梯度孔隙结构中自软骨层的底层至高层，梯度孔隙结构的孔隙依次增大。
[0021]本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的仿生含细胞大块骨软骨生物支架，包括软骨下骨层、钙化层和软骨层，以及位于所述软骨下骨层和钙化层之间的含细胞纳米纤维隔离膜。
[0022]本专利技术提供了一种仿生含细胞大块骨软骨生物支架的制备方法，本专利技术采用含细胞挤出3D打印技术、含细胞静电纺丝技术、含细胞电流体动力学直写技术和牺牲材料方法的复合工艺，使用含细胞挤出3D打印技术和牺牲材料方法制备具有预血管化网络的软骨下骨层，防止支架中心坏死；采用含细胞静电纺丝技术在软骨下骨层与钙化层之间制备含细胞的纳米级纤维隔离膜，用于隔离软骨和骨组织，防止血管长入软骨，防止软骨下骨区影响软骨层钙化和软骨下骨层血管长入软骨层；采用含细胞挤出3D打印技术及空间挤出打印方法仿生制备具有梯度孔隙结构且软骨表层为弧形曲面结构的软骨层，保证能够与骨软骨缺损部位完美契合。本专利技术的方法不仅能够实现具有仿生人体骨软骨组织结构的一体化骨软骨支架成形，而且可以实现含细胞的骨软骨支架的制备，为大块骨软骨生物支架的构建提
供了解决方案，促进骨软骨组织一体化修复和重建。
[0023]本专利技术可一体化成形具有仿生结构的含细胞大块骨软骨生物支架，该制备方法可实现含细胞生物材料的打印，制备的骨软骨支架含有骨髓间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞，有助于加快骨软骨缺损区域的修复。
[0024]本专利技术制备的仿生含细胞大块骨软骨生物支架包括软骨下骨层、钙化层和软骨层，以及位于所述软骨下骨层和钙化层之间的含细胞纳米纤维隔离膜；软骨下骨层具有预血管化通道网络，为软骨下骨区细胞提供氧气、营养物质交换和废物排泄，促进组织血管化，加快骨组织重建及修复，有利于软骨下骨部分营养物质、氧气交换及代谢废物的排出，防止大块软骨下骨中心坏死。此外，软骨下骨层含有骨髓间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞，其共培养有助于促进骨髓间充质干细胞向骨组织分化。
[0025]本专利技术所制备的仿生含细胞大块骨软骨生物支架，采用含细胞静电纺丝技术制备仿潮线结构的含细胞纳米纤维隔离层结构，其致密的纳米纤维膜结构可防止软骨层和软骨下骨层的相互渗透影响，已经软骨下骨层血管长入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生含细胞大块骨软骨生物支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将含骨髓间充质干细胞的软骨下骨材料进行第一挤出3D打印，在所形成的软骨下骨支架结构中采用含人脐静脉内皮细胞的牺牲材料进行第二挤出3D打印，依次交替进行所述第一挤出3D打印和第二挤出3D打印，得到含预制血管化网络结构的软骨下骨层；采用含骨髓间充质干细胞的电纺材料，在所述软骨下骨层进行静电纺丝，在所述软骨下骨层上表面形成含细胞纳米纤维隔离膜；继续采用所述含骨髓间充质干细胞的电纺材料在所述含细胞纳米纤维隔离膜上进行电流体动力学直写3D打印，在所述含细胞纳米纤维隔离膜上形成钙化层；采用含骨髓间充质干细胞的软骨材料在所述钙化层上依次进行第三挤出3D打印和空间挤出打印，在所述钙化层上形成具有梯度孔隙结构和弧形曲面结构的软骨层，得到大块骨软骨支架；将所述大块骨软骨支架置于细胞培养液中，进行体外培养，得到仿生含细胞大块骨软骨生物支架。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含骨髓间充质干细胞的软骨下骨材料的制备原料包括骨髓间充质干细胞、骨材料和第一溶剂；所述骨材料包括明胶、胶原、海藻酸钠、壳聚糖、甲基丙烯酰化明胶、羟基磷灰石和磷酸三钙中的一种或几种；所述第一溶剂包括PBS缓冲液、HBSS溶液或培养基。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含人脐静脉内皮细胞的牺牲材料的制备原料包括人脐静脉内皮细胞、牺牲材料和第二溶剂；...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡庆夕，刘随红，张海光，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：