可抗炎促进骨缺损修复的仿生骨组织工程支架制备方法技术

本发明专利技术涉及一种可抗炎促进骨缺损修复的仿生骨组织工程支架制备方法，通过熔融沉积3D打印技术和表面涂层的方式制备聚多巴胺

【技术实现步骤摘要】
可抗炎促进骨缺损修复的仿生骨组织工程支架制备方法


[0001]本专利技术涉及属于生物材料
，特别涉及一种可抗炎促进骨缺损修复的仿生骨组织工程支架制备方法。

技术介绍

[0002]随着城市化进程的加快，人口老龄化的问题日趋严重，这使得由骨关节炎、外部创伤和原发性肿瘤引起的骨缺损患者数量日益增多，这不仅增加了患者的生活负担，威胁着患者的生命安全，还使骨缺损修复成为临床上最难以解决的问题之一。骨头作为一个活性组织，虽然具有自愈合的能力，但对于骨头来说，存在一个临界骨缺损，当缺损超过这一范围，自身无法完全修复。现如今，针对骨修复的主要策略包括金属骨移植、自体骨移植和异体骨移植，这些都被视为是骨缺损修复的“黄金标准”。但这些方法和技术手段存在易造成二次伤害、来源有限、免疫排斥反应及炎症等问题。这些问题极大地限制了骨移植在临床上的应用。近些年来，组织工程支架的迅速发展，为骨缺损修复开辟了一种全新的途径。它旨在开发模拟自然组织的临时性3D多组分支架，作为细胞迁移、粘附和生长的多孔框架，以替代受损的生物材料。理想情况下，用于组织再生的支架应该具有高度互联的多孔网络，用于营养和气体的扩散，在承重条件下具有良好的机械性能，并且降解时不会产生有毒产物，同时增加新组织的形成。因此把组织工程支架应用在骨修复的领域，不但能够规避传统骨移植方法的缺陷，加速骨缺损修复的进程，也能在实现骨再生的同时，解决一并产生的病情。
[0003]水凝胶作为一种包含大量水，由嵌入水环境中的亲水性聚合物形成的一类三维网络聚合物材料具有高弹性、亲水性和良好的生物相容性等性能，它们完全水化后的三维结构不管在理化特性还是生物学特性上都类似于原生组织中的细胞外基质。此外，水凝胶的多孔结构赋予了它更多的功能，使得营养物质和代谢产物的转移更容易，为细胞的生长和增殖提供了良好的基础。然而，大部分水凝胶往往表现出力学性能差的问题，例如，大多数水凝胶的弹性模量范围从kPa到MPa，而天然骨的弹性模量为1
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20 GPa。力学性能上的巨大差距使它们不能应用于肌肉和骨骼中，限制了它们在临床上的应用范围。水凝胶的力学性能要能够与人体中的结构组织相匹配主要有两个原因：首先是，水凝胶作为支架的一部分，必须能够在支撑载荷的前提下运动；其次，细胞对不同的应力(如压缩、拉伸和剪切)有不同的反应，如果水凝胶的力学性能不足以与原生组织对等的话，水凝胶的植入也将聊胜于无。幸运的是，水凝胶是性能可以调节的材料，它可以通过化学改性使其能够达到应用所要求的性能。比如说，为了提高水凝胶的机械性能，常常在凝胶的制备过程中引入其它的聚合物网络以形成复合水凝胶结构；或者掺入纳米颗粒使颗粒填充到凝胶的网络结构中以增强其力学强度。基于此，国内外众多研究人员一直致力于寻找合适高效的方法来制备具有最佳机械性能的水凝胶结构，如3D打印和静电纺丝等精细制造技术已成为组织工程领域应用中制造复杂水凝胶结构的有前途的策略。
[0004]随着3D打印技术的不断发展，这项技术的应用范围更加广泛。因此，近几年来，3D打印已经成为制造骨组织工程支架的强大工具。特别是，3D打印技术使骨组织工程材料的
设计者们能够决定支架的结构和组成。例如，打印出来的细丝在孔隙间的的空间排列可以被精确操控，这使得支架可以按照设计好的结构特征打印出来。具有更好的孔隙连通性的支架，相对于使用其他制造方法生成的支架，机械强度能够得到提高。进一步来说，3D打印实际上可以用于制备出具有各种复杂拓扑特征的材料，从而使这种生物材料具有前所未有的物理、机械和生物性能。这些材料在骨组织工程方面有着潜在的巨大的临床应用价值。众多形式的3D打印技术中，熔融沉积成型型的3D打印机能够打印出层次梯度分明的结构，很好地模拟了天然骨的特征，因而在临床上很受重视。这种具有梯度性结构的生物材料，可以依靠孔梯度的变化，在植入生物体内后，引导细胞朝着特定的方向迁移、分化，最终促进组织再生。
[0005]黑磷纳米片是一种新出现的二维层状结构材料，由于其独特的物理化学性质，如优异的光热性能，黑磷纳米片起初在生物医学应用中引起了广泛关注。最近有研究指出黑磷纳米片在血管系统和生理环境中经历了复杂的循环之后，其可与氧气、可见光和水发生相互作用被氧化和降解，变成磷酸盐和膦酸盐，可以与体内尚存的钙离子进一步反应，原位转化为能够增强骨再生过程的磷酸钙。
[0006]内源性的气体分子在人的正常生理功能中起着重要的作用。而一氧化碳分子作为人体必不可少的内源性信息传导分子，多项研究已证明一氧化碳具有多种重要的生理作用和潜在的药理活性，如抗炎、抗菌、抗肿瘤以及显著提高器官移植中受体的存活率等。就消炎来说，羰基锰作为一种一氧化碳释放分子，它能够与骨缺损微环境中分泌的过氧化氢发生反应，进一步通过新的类芬顿反应优先分解为羟基自由基，强氧化性的羟基自由基进一步与锰竞争配位中心，使得一氧化碳从锰中心释放，实现对骨缺损处炎症环境的原位气体治疗。
[0007]尽管目前3D打印已逐渐应用于骨组织的修复中，但大多仅限于体外和动物实验，在向临床转化的过程中，科研工作者发现这些支架在体内的修复效果很一般，究其原因，主要在于没有细致考虑骨的内部结构特征以及骨缺损周围环境的特征。具体地，体现在如下几个方面：一是骨缺损处由于暴露在外部环境中，组织受到了感染，引发了一系列的炎症反应；二是大多数的细胞仅贴着支架表面生长，造成了支架周围的细胞远远多于支架中心处的细胞的局面。这两点看起来微不足道，但着实影响了骨修复的效率，限制了骨修复生物活性材料的应用。因而，我们认为在设计骨组织工程支架的同时，若能把消除骨缺损处的炎症和组建具有消炎功能的骨考虑进去，会更有利于骨组织的修复进程，并对进一步的骨组织工程支架的临床转化具有指导意义。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种可抗炎促进骨缺损修复的仿生骨组织工程支架制备方法，生物相容性好，促进骨修复，加强成骨能力和炎症消除能力。
[0009]本专利技术采用以下方案实现：一种可抗炎促进骨缺损修复的仿生骨组织工程支架制备方法，包括以下步骤：（1）通过建模软件Rhino建模，模拟天然骨的皮质骨
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松质骨的梯度孔结构，得到三维模型；（2）通过熔融沉积3D打印机来制备具有仿生梯度孔径的聚乳酸支架；
（3）将聚乳酸支架浸泡在聚多巴胺溶液中，得到聚多巴胺
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聚乳酸支架；（4）将甲基丙烯酸酐和明胶溶液混合后，制备甲基丙烯酸改性明胶溶液；（5）利用液相剥离法制备得到黑磷纳米片溶液；（6）将羰基锰加入甲醇溶液，震荡，得到羰基锰甲醇混合溶液；（7）将黑磷纳米片溶液、羰基锰甲醇混合溶液与甲基丙烯酸改性明胶溶液充分混合得到复合溶液；（8）在步骤（7）制得的复合溶液中加入光引发剂I2959得到混合溶液；（9）将步骤（8）得到的混合溶液注入步骤（3）制备得到的聚多巴胺
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聚乳酸支架中，置于紫外光下照射得到可抗炎促进骨缺损修复的仿生骨组织工程支架。
[0010]进一步的，步骤（2）中所制备的聚乳酸支架梯度孔径本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可抗炎促进骨缺损修复的仿生骨组织工程支架制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）通过建模软件Rhino建模，模拟天然骨的皮质骨
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松质骨的梯度孔结构，得到三维模型；（2）通过熔融沉积3D打印机来制备具有仿生梯度孔径的聚乳酸支架；（3）将聚乳酸支架浸泡在聚多巴胺溶液中，得到聚多巴胺
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聚乳酸支架；（4）将甲基丙烯酸酐和明胶溶液混合后，制备甲基丙烯酸改性明胶溶液；（5）利用液相剥离法制备得到黑磷纳米片溶液；（6）将羰基锰加入甲醇溶液，震荡，得到羰基锰甲醇混合溶液；（7）将黑磷纳米片溶液、羰基锰甲醇混合溶液与甲基丙烯酸改性明胶溶液充分混合得到复合溶液；（8）在步骤（7）制得的复合溶液中加入光引发剂I2959得到混合溶液；（9）将步骤（8）得到的混合溶液注入步骤（3）制备得到的聚多巴胺
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聚乳酸支架中，置于紫外光下照射得到可抗炎促进骨缺损修复的仿生骨组织工程支架。2.根据权利要求1所述的可抗炎促进骨缺损修复的仿生骨组织工程支架制备方法，其特征在于：步骤（2）中所制备的聚乳酸支架梯度孔径分别为100~300μm和400~600 μm。3.根据权利要求1所述的可抗炎促进骨缺损修复的仿生骨组织工程支架制备方法，其特征在于：步骤（3）中的具体操作为：室温下，将聚乳酸支架浸泡在浓度为0.5~3 mg/mL的聚多巴胺溶液中，并以200~600 rpm的速度搅拌6~18 h，然后将经聚多巴胺涂层处理后的聚乳酸支架用去离子水反复清洗，以去除支架表面未反应的杂质，最后将支架置于真空干燥箱中干燥12~36 h。4.根据权利要求1所述的可抗炎促进骨缺损修复的仿生骨组织工程支架制备方法，其特征在于：步骤（4）中甲基丙烯酸改性明胶溶液的制备方法为：称取10.0 g 明胶溶解在100.0 mL的磷酸盐缓冲液（PB...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏伟胜，阮任杰，张进，童冬梅，王子义，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：