一種仿生人工骨支架及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種仿生人工骨支架及其制備方法，所述方法為：配置材料溶液A和B，利用靜電紡絲法分別將A和B紡制成支架的中心通道層和外圍柱體層，中心通道層中的納米纖維螺旋方向相同，外圍柱體層中的相鄰兩個納米纖維層的纖維螺旋方向相反，從微觀水平精致模擬骨單位三維微環境，并通過分層添加生長因子為種子細胞BMSCs提供差異化誘導環境，構建中心通道層血管化組織、外圍柱體層骨組織的仿生人工骨支架。支架中納米纖維交錯取向能夠極大地增強其結構穩定性，為骨缺損部位提供有效力學支撐，其相互貫通的網絡框架，有利于細胞滲透生長及血管和神經長入，也便于營養物質和代謝廢物的傳遞，在生物醫學材料及組織工程領域中具有理想的推廣和應用價值。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于組織工程
，具體涉及一種仿生人工骨支架及其制備方法。
技術介紹
全世界每年骨缺損患者數以千萬計，使得骨修復支架材料成為臨床上需求量最大的生物醫用材料之一。長期以來，研制和開發理想的人工骨支架來治療骨缺損一直是科學工作者們的熱點研究課題。目前臨床上使用的人工骨修復材料，有以金屬、陶瓷或高分子制造的不同類型，它們在生物活性、生物相容性、生物可降解性、力學性能和使用壽命等方面具有各自的優缺點。然而，現有人工骨支架普遍存在的問題是，雖然種植體與骨界面可形成一定的骨性結合，但由于新骨生長受局部微環境的限制，爬行替代緩慢，在治療大范圍骨缺損時，成骨僅限于植體邊緣區域，難以實現支架與骨的整合以及缺損區的完整修復和重建。研究證實，即使支架材料具有較高孔隙率和孔間貫通性，受植區的成骨量也十分有限，新骨組織長入材料的深度至多能達到其表面孔徑的10倍。(DaviesJE,etal.Topographicscale-rangesynergyatthefunctionalbone/implantinterface.Biomaterials2014(35):25-35)對于生物可降解性材料而言，如果材料與宿主骨不能完全融合，其內部累積的降解產物難以參與人體正常生理代謝，容易出現無菌性炎癥而導致手術失敗。骨缺損修復和再生需要適宜的外界微環境，如果材料的內部框架結構不能模擬自然骨細胞外基質形成的網絡結構，不利于細胞相互之間的聯系及信息傳遞，參與骨修復的細胞生長和遷移受限，難以實現骨整合。要從根本上解決植入體與宿主骨組織的整合問題，需通過調控支架材料的構成組分和微觀結構來優化其性能。從材料學的角度看，自然骨是一種從納米尺度到宏觀水平分級排列精密構建的膠原纖維-磷灰石復合生物材料。骨組織中的基本結構單元—骨單位(Osteons)由同心圓排列的哈佛骨板(Haversianlamella)構成，直徑為100～500μm，中央管內為血管神經，外圍骨板中的膠原纖維呈螺旋狀走行，相鄰骨板的纖維方向互成直角，骨細胞取向分布于礦化的三維網絡矩陣中。自然狀態的骨微環境為細胞生長提供了極為有利的條件，均衡的營養和物質能量交換，促進了細胞增殖和細胞外基質的分泌。在體外如何構建這一微環境，實際上要解決納米纖維從構成組分到形貌尺寸、表面紋理、取向度及精密空間排布的協同調控，以利于不同細胞的粘附和長期生長，使支架、細胞和外基質形成一個有機的結合體并最終形成功能化組織。靜電紡絲制備的纖維直徑與細胞外基質中的微絲相當，加之彼此連通的微小孔隙結構，能夠很好地模擬天然細胞外基質結構，為細胞生長提供理想微環境，通過改變靜電紡絲供液和接收裝置的形式，還可得到具有特殊取向結構的納米纖維，以滿足不同的細胞生長需求。美國Clemson大學生物工程研究院設計了一種新型靜電紡絲收集裝置，采用兩條平行傳送帶接收納米纖維。這種裝置能控制納米纖維取向排列并避免其相互粘連，得到稀疏層疊排列的三維支架，使細胞較好地粘附并穿透纖維支架內部生長。但該方法制備的納米纖維支架力學強度欠佳，限制了其在人工骨替代材料方面的應用。(BeachleyV,etal.Anovelmethodtopreciselyassembleloosenanofiberstructuresforregenerativemedicineapplications.Adv.Healthc.Mater.2013(2):343-51)近期上海東華大學聯合美國Cornell大學報道了一種各向異性的編織型納米纖維支架，通過對兩組供液針頭施加相反的電壓，以使帶相反電荷的聚合物溶液噴射流(各自從針頭拉出)向中間區域聚集，再結合電子提花和環錠捻線工藝構建出不同花紋的納米纖維平面編織網絡結構。將人主動脈瓣間質細胞(HAVIC)和人主動脈根部平滑肌細胞(HASMC)包封在水凝膠/編織型納米纖維復合材料中，構成了類心臟瓣膜細胞外基質的微環境并顯示出各向異性的生物力學特性。這種支架具有優異的力學性能，但其微觀結構與骨單位中膠原纖維的螺旋取向空間排布還有較大差異，不適用于骨組織缺損的修復重建。(WuS,etal.Fabricationofalignednanofiberpolymeryarnnetworksforanisotropicsofttissuescaffolds.ACSAppl.Mater.Interfaces2016(8):16950-60)迄今為止，尚未見以靜電紡納米纖維按照分層交錯螺旋的方式構建仿生人工骨支架用于骨缺損修復治療的文獻報道。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術的目的在于：(1)提供一種仿生人工骨支架的制備方法；(2)提供一種仿生人工骨支架。為達到上述目的，本專利技術提供如下技術方案：1、一種仿生人工骨支架的制備方法，包括如下步驟：(1)將I型膠原和生物可降解高分子溶于溶劑中，制得材料溶液A；(2)將納米羥基磷灰石加入步驟(1)中制得的溶液A中，制得材料溶液B；(3)利用靜電紡絲法以步驟(1)中材料溶液A為原料紡制支架的中心通道層，再以步驟(2)中材料溶液B為原料在制得的中心通道層上紡制支架的外圍柱體層。進一步，步驟(1)中，所述I型膠原和生物可降解高分子的質量比為99～50:1～50。進一步，步驟(1)中，所述生物可降解高分子為殼聚糖、透明質酸、海藻酸鈉、聚氧化乙烯、聚丙交酯-乙交酯、聚乙烯醇、聚己內酯或聚乳酸中的一種或多種。進一步，步驟(1)中，所述溶劑為水、乙酸、六氟異丙醇、四氫呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基亞砜中的一種或多種。進一步，步驟(1)中，所述材料溶液A還包含VEGF、b-FGF、Ang-1,2、TGF-β或EGF中的一種或多種，在所述材料溶液A中的質量分數為0.00001～0.01％。進一步，步驟(2)中，所述材料溶液B還包含BMP-2,7、OGP、PDGF、TGF-β、SGF或IGF-1,2中的一種或多種，在所述材料溶液B中的質量分數為0.00001～0.01％。進一步，步驟(2)中，所述材料溶液B中納米羥基磷灰石的質量分數為10～80％；所述納米羥基磷灰石由鈣鹽和磷酸或鈣鹽和磷酸鹽按鈣/磷摩爾配比1.67:1在pH為10～14條件下反應合成；所述鈣鹽為Ca(NO3)2、CaCl2、Ca(OH)2、Ca(CH3COO)2或CaCO3中的一種；所述磷酸鹽為(NH4)2HPO4、NH4H2PO4、Na3PO4、Na2HPO4或NaH2PO4中的一種。進一步，步驟(3)中，所述支架的中心通道層和外圍柱體層具體由以下方法制得：1)將所述材料溶液A和材料溶液B分別注入推注器至各推注器內無空氣；2)利用靜電紡絲法，首先將步驟1)中的推注器安裝在靜電紡絲裝置中平移裝置的移動滑塊上，調整推進擋板位置，設置靜電紡絲參數，然后推注所述材料溶液A，調整電壓至推注器噴頭液滴形成穩定噴射流，推注過程中所述移動滑塊始終保持同向移動，待接收裝置上形成所述中心通道層后，開始推注所述材料溶液B，同時停止推注所述材料溶液A，此推注過程中所述移動滑塊移動方向交替變換，最終形成所述支架外圍柱體層。進一步，步驟2)中，所述靜電紡絲參數具體為：溫度20～60℃，濕度40～80％，所述推注器噴頭與接收裝置之間電勢差為5～20V，電極本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種仿生人工骨支架的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)將I型膠原和生物可降解高分子溶于溶劑中，制得材料溶液A；(2)將納米羥基磷灰石加入步驟(1)中制得的材料溶液A中，制得材料溶液B；(3)利用靜電紡絲法以步驟(1)中材料溶液A為原料紡制支架的中心通道層，再以步驟(2)中材料溶液B為原料在制得的中心通道層上紡制支架的外圍柱體層。

【技術特征摘要】
1.一種仿生人工骨支架的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)將I型膠原和生物可降解高分子溶于溶劑中，制得材料溶液A；(2)將納米羥基磷灰石加入步驟(1)中制得的材料溶液A中，制得材料溶液B；(3)利用靜電紡絲法以步驟(1)中材料溶液A為原料紡制支架的中心通道層，再以步驟(2)中材料溶液B為原料在制得的中心通道層上紡制支架的外圍柱體層。2.如權利要求1所述的一種仿生人工骨支架的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述I型膠原和生物可降解高分子的質量比為99～50:1～50。3.如權利要求1所述的一種仿生人工骨支架的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述生物可降解高分子為殼聚糖、透明質酸、海藻酸鈉、聚氧化乙烯、聚丙交酯-乙交酯、聚乙烯醇、聚己內酯或聚乳酸中的一種或多種。4.如權利要求1所述的一種仿生人工骨支架的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述溶劑為水、乙酸、六氟異丙醇、四氫呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基亞砜中的一種或多種。5.如權利要求1所述的一種仿生人工骨支架的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述材料溶液A還包含VEGF、b-FGF、Ang-1,2、TGF-β或EGF中的一種或多種，在所述材料溶液A中的質量分數為0.00001～0.01％。6.如權利要求1所述的一種仿生人工骨支架的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述材料溶液B還包含BMP-2,7、OGP、PDGF、TGF-β、SGF或IGF-1,2中的一種或多種，在所述材料溶液B中的質量分數為0.00001～0.01％。7.如權利要求1所述的一種仿生人工骨支架的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述材料溶液B中納米羥基磷灰石的質量分數為10～80％；所述納米羥基磷灰石由鈣鹽和磷酸或鈣鹽和磷酸鹽按鈣/磷摩爾配比1.67:1在pH為10～14條件下反應合成；所述鈣鹽為Ca(NO3)2、CaCl2、Ca(OH)2、Ca(CH3COO)2或CaCO3中的一種；所述磷酸鹽為(NH4)2HPO4、NH4H2PO4、N...

【專利技術屬性】
技術研發人員：江虹，龍平，李夢偉，孫菊江，何雨薇，董世武，李振聲，丁海濱，
申請(專利權)人：中國人民解放軍第三軍醫大學，
類型：發明
國別省市：重慶;50