一种骨软骨组织修复支架及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种骨软骨组织修复支架及其制备方法。所述骨软骨组织修复支架由自制的光固化3D打印设备一体化制作而成，包括仿生的双层结构：软骨层和软骨下骨层，软骨层具有“莲藕状”和“辐射状”孔，软骨下骨层具有“莲藕状”的孔，且软骨层和软骨下骨层之间的纵向孔隙相互贯通，孔径精确控制，还可以在软骨下骨层中添加粒径为1纳米的磷酸钙纳米簇材料。本发明专利技术制备的骨软骨组织修复支架针对软骨和软骨下骨两种不同组织特性和再生要求，设计具有不同物理学和生物学特性的双层支架，仿生天然骨软骨结构的各向异性，促进细胞迁移及组织长入，并达到促进软骨和软骨下骨同步再生的效果，因而具有巨大的应用潜力。具有巨大的应用潜力。具有巨大的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种骨软骨组织修复支架及其制备方法


[0001]本专利技术属于生物医用材料
，具体涉及一种促细胞迁移的一体化骨软骨组织修复支架及其制备方法。

技术介绍

[0002]膝关节的软骨损伤主要由外伤、疾病或衰老造成，这会影响患者的正常生活并引起疼痛。关节软骨是由软骨细胞和细胞外基质(ECM)(例如Ⅱ型胶原蛋白和蛋白聚糖)组成，是一种没有血管、淋巴或神经的光滑的弹性组织，在受损时具有有限的自愈能力。根据软骨损伤深度，通常可以分为三种类型:部分软骨缺损、全层软骨缺损以及骨软骨缺损，然而，临床研究表明，软骨损伤总是深深地延伸到软骨下骨中，导致膝关节的骨软骨缺损。如果不及时加以治疗，骨软骨缺损可能会进一步加重关节软骨缺损并导致骨关节炎。并且基于骨软骨天然的复杂结构，软骨和软骨下骨是具有明显生物学特异性的两种组织，这意味着骨软骨损伤的临床治疗更具挑战性。因此，骨软骨缺损修复至关重要。但是，目前的传统治疗和手术方法只能暂时缓解患者的疼痛，不能真正实现骨软骨缺损修复和具有完整功能的透明软骨再生。因此，面对骨软骨修复的临床难题，提出新的治疗方法十分迫切。
[0003]组织工程是一个新兴领域，已经给体内移植以及组织和器官的再生带来了新的希望。近些年来，组织工程已逐渐成为一项有效而又前沿的治疗关节软骨损伤的方法。但目前组织工程中的骨软骨支架仍存在一些待解决的问题，例如非分层支架修复收效甚微、多层支架层间缺乏有效的界面结合性。而3D打印技术在组织工程支架材料的制备中有较多研究，并显现出优势。利用3D打印技术打印的支架材料具有与缺损组织相匹配的外形，还有可以提供细胞粘附、生长和增殖的内部三维多孔结构，通过材料筛选及改性可以制备3D打印“生物墨水”，利用3D生物打印机可以打印制备机械性能良好的支架材料。DLP作为光打印中新技术，目前已经展现出诸多优点。比如，打印速度快、打印精度高、有利于细胞存活等，已经在组织工程领域多个研究方向进行使用。
[0004]之前有研究证明，多孔状结构的支架有利于促进细胞迁移，并且不同的结构也会影响支架力学性能，因此为了促进组织再生，构建影响细胞和组织命运的理想支架微环境是必不可少的。CN101810885B提供了一种带有圆形孔和垂直孔的双层仿生骨软骨组织工程支架，但其支架中的圆形孔和垂直孔的形成是来自于材料本身的特性，本专利技术中使用的GelMA水凝胶也具有相似的多孔结构，并且孔的分布是随机的，孔径大小难以实现精准控制，严重影响软骨细胞的迁移和生长，仿生程度较低，软骨修复效果不佳。
[0005]因此，通过DLP打印技术可以一体化构建多层骨软骨支架结构，实现个性化定制，有效仿生天然骨软骨特异的物理和生物学特性。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，本专利技术提供了一种新型骨软骨组织修复支架，所述骨软骨组织修复支架为水凝胶支架，并由自制的光固化3D打印设备一体化制作而成，包括仿生的双层
孔。
[0023]进一步地，在同一层的相邻两条“辐射状”孔之间夹角都保持一致。
[0024]进一步地，所述“莲藕状”孔可设置多条，每条之间的间距大于100μm，纵向均匀分布于软骨层和软骨下骨层的横截面。
[0025]进一步地，所述骨软骨组织修复支架的尺寸大小根据实际需移植的人体或动物骨软骨尺寸进行匹配设计。
[0026]在一些方式中，本专利技术提供的软骨修复支架的尺寸为所述多层骨软骨组织修复支架的厚度为4mm，所述软骨层的厚度为1mm，所述软骨下骨层的厚度为3mm，孔径为200μm的微孔。该尺寸规格的软骨修复支架主要用于匹配动物实验兔子骨软骨造模。
[0027]进一步地，所述软骨层包括GelMA、LAP和生长因子。
[0028]进一步地，所述软骨下骨层包括GelMA和LAP。
[0029]进一步地，所述软骨下骨层还包括粒径为1纳米的磷酸钙纳米簇材料。
[0030]本专利技术所述粒径为1纳米的磷酸钙纳米簇材料是根据CN109718249A中的磷酸钙纳米簇制得。
[0031]羟基磷灰石是人体和动物骨骼的主要无机成分，普通羟基磷灰石主要用于制备功能化复合材料。现有的纳米羟基磷灰石，其粒径普遍在10纳米以上，多用于骨组织工程支架材料。
[0032]本专利技术采用的粒径为1纳米的磷酸钙纳米簇材料由研究团队自主研发，其制备方法已申请专利CN109718249A，主要用于制备修复骨质疏松的药物，并能有效促进牙釉质的再生。
[0033]本专利技术经大量研究发现，采用所述的粒径为1纳米的磷酸钙纳米簇材料用于制备软骨组织修复支架时，因其粒径更小，不仅具有更好的生物相容性，还具备更好的仿生效果，能有效促进间充质干细胞的成骨分化，软骨组织修复效果更好。
[0034]进一步地，所述软骨层和软骨下骨层的GelMA和LAP浓度相同。
[0035]进一步地，所述GelMA含量为15％，所述LAP含量为0.2％。
[0036]进一步地，所述生长因子为KGN，所述KGN的浓度为200μM。
[0037]另一方面，本专利技术提供了一种骨软骨组织修复支架的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
[0038](1)配制第一料液，将GelMA、LAP及KGN，在避光的条件下加入到单蒸水中，搅拌均匀后，得到第一料液。所述第一料液包括GelMA、LAP和生长因子，用于制备软骨层；
[0039](2)配制第二料液，将GelMA、LAP，或GelMA、LAP、粒径为1纳米的磷酸钙纳米簇材料，在避光的条件下加入到单蒸水中，搅拌均匀后，得到第二料液。所述第二料液中包括GelMA、LAP和1纳米羟基磷灰石，用于制备软骨下骨层；
[0040](3)将所述第一料液倒入光固化3D打印设备液体槽，进行打印，待上层软骨层支架全部打印完毕，得到上层软骨层水凝胶支架；
[0041](4)清理打印机液体槽后，将所述第二料液倒入打印机液体槽，继续进行打印，待下层软骨下骨层支架全部打印完毕，得到双层骨软骨组织修复支架。
[0042]依据仿生学的原理以及正常骨软骨缺损的大小及结构，应用计算机辅助设计软件建立具有特定外形和仿生空间结构的双层骨软骨组织一体化修复支架CAD模型；将设计好
的双层骨软骨组织修复支架CAD模型通过软件转化成适用于自主设计研发的基于紫外光照投影的光固化3D打印设备的Task Scheduler Task Object(.job)文件格式，并导入到所述的3D打印设备中，使用紫外光固化打印系统，按照预先设定的参数，对所述第一料液和所述第二料液通过自制光固化3D打印设备进行打印，即可得到具备精准孔排列和孔径的骨软骨组织修复支架结构。该支架结构从上到下分为软骨层和软骨下骨层，所述软骨层具备“莲藕状”和“辐射状”分布的孔，即其中的孔隙结构横向和纵向排列，以有利于软骨细胞迁移和分布；而所述软骨下骨层则具有“莲藕状”的孔，即孔隙结构纵向排列，以引导骨髓间充质干细胞(BMSCs)迁移到上部空间；且所述软骨层和软骨下骨层之间的纵向“莲藕状”孔隙相互贯通。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骨软骨组织修复支架，其特征在于，从上到下依次包括软骨层和软骨下骨层，所述软骨层具备“莲藕状”和“辐射状”孔，所述软骨下骨层具备和软骨层贯通的“莲藕状”孔。2.如权利要求1所述的骨软骨组织修复支架，其特征在于，所述软骨层和软骨下骨层都为圆柱形，且软骨层和软骨下骨层的圆柱形底面直径一致；所述“莲藕状”孔纵向贯穿了软骨层和软骨下骨层的圆柱形底面；所述“辐射状”孔位于软骨层的圆柱形侧壁上，横向贯穿了软骨层。3.如权利要求2所述的骨软骨组织修复支架，其特征在于，所述软骨层和软骨下骨层的“莲藕状”和“辐射状”孔的孔隙直径为100～400μm。4.如权利要求3所述的骨软骨组织修复支架，其特征在于，所述软骨层包括GelMA、LAP和生长因子。5.如权利要求4所述的骨软骨组织修复支架，其特征在于，所述软骨下骨层包括GelMA和LAP。6.如权利要求5所述的骨软骨组织修复支架，其特征在于，所述软骨下骨层还包括粒径为1纳米的磷酸钙纳米簇材料。7....

【专利技术属性】
技术研发人员：章淑芳，谷玉清，邹毅炜，吴祎丛，洪逸，欧阳宏伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：