一种生物衍生肌腱修复材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种生物衍生肌腱修复材料及其制备方法,属于医用材料领域。
背景技术
肌腱缺损的修复,目前仍以自体肌腱移植为主,但自体肌腱供体来源有限,人工肌腱移植虽已有临床应用的报道,但其材料和与受体结合等问题,尚未完全解决。近年来,国内外学者对肌腱移植做了大量的研究,对肌腱的制备、保存和移植后的实验效果和临床应用效果进行了分析和评价。
目前肌腱的制备与贮存主要有三种方法,即超低温冷冻储存备用、药物浸泡和射线照射。
超低温冷冻储存肌腱,即是将经生理盐水漂洗后的肌腱浸泡在含有小牛血清的MEN溶液或其他营养液中,浸泡10-15min,然后置于无菌容器内密闭封装,标记后置于-80℃超低温中冷冻保存,10天后可解冻移植。
药物浸泡制备是将肌腱浸泡于化学药物中处理,如采用三氯甲烷/甲醇(CM)混合液处理肌腱,首先切开肌腱,将其浸入CM(1:1)混合溶液中,在常温下浸泡36小时,然后装入含有0.01mol/L的乙二胺乙酸、0.01mol/L的碘乙酸、0.01mol/L叠氮化纳及pH7.4的磷酸盐缓冲溶液中,4℃浸泡24小时,取出后-4℃预冻,并冷冻干燥8小时冻干,包装后环氧乙烷消毒备用。此外也有相对简易的乙醇浸泡方法,首先在95%的乙醇中浸泡96小时后取出,浸于75%的乙醇中备用。但所制备的这些肌腱在保存期间容易受到微生物污染,Barrios检测了一份-80℃保存的肌腱组织,其细胞污染率达6.6%,其中80%的污染源于革兰氏阳性菌,这些菌种不容易被常规的方法灭活。另外,曲彦隆发明一种衍生肌腱支架的制备方法,首先切取肌腱组织预处理,再浸泡于甘油与MEM混合液中;取出在-80~-90℃冷冻10±1天并真空冻干,将肌腱材料物理扭转分丝处理;将处理后的材料过氧化氢浸泡振荡并在室温下蒸馏水浸洗;最后再次真空冻干密封,用γ射线消毒,最终得到衍生肌腱支架。但是一方面该方法设计到两次冻干过程,有研究指出,这会对衍生肌腱支架的力学性能会造成较大影响,另外这种方法不涉及去除材料中的蛋白成分,对材料的组织相容性存在一定的影响。目前用于浸泡肌腱的药物主要有戊二醛、丝裂霉素F、三氯甲烷/甲醇混合液、脱氧鸟苷培养液及95%的乙醇等。
射线照射主要是γ射线辐照灭菌,γ射线具有很强的穿透力,能够达到有效灭菌。
抗原性问题是肌腱移植存在的一个非常重要问题,1959年Peacock等首次报道了利用未处理的新鲜异体肌腱移植,结果发现有严重的炎症和排斥反应。现在已有研究证明,肌腱的抗原性主要存在于细胞成分的组织相容性抗原HLA,而这种抗原在经过超低温冷冻和复温过程可以大大降低,这可能是由于经过冷冻和复温时的水化过程可以改变肌腱细胞结构,抑制了肌腱组织的抗原作用,但仍然保留了肌腱组织的基本结构及部分酶活性,从而降低其抗原性。多数的专家学者认为,在肌腱移植中轻度的免疫反应可以接受,不会产生明显的排斥反应,因为这不同于器官移植之类的功能性移植,而是为机体组织的生长提供一个生长支架,因此认为经过超低温冷冻的肌腱组织可以视为无免疫原性的植入物。
肌腱移植时的组织特性,是决定功能能否恢复的组织学基础。高新生等认为,将超低温冷冻保存过的肌腱组织移植后,虽失去了代谢功能,但保持肌腱组织的连续性,为肌腱重新血管化和活细胞化,奠定了结构基础;其实验观察到肌腱移植后,大量新生成纤维细胞、结缔组织细胞及毛细血管,沿两端肌腱表面及腱束间浸入移植腱表面及周围组织,其修复随时间的推移而趋向成熟,最终演变为排列整齐呈波浪型的胶原纤维束,使移植腱段成为具有活细胞代谢功能的腱组织,至于对肌腱移植后修复速度的机理,尚有待于进一步的研究。
实验证实,化学处理冻干肌腱移植肌腱基质间隙中有大量的宿主细胞,成纤维细胞长入并增生活跃,并逐渐成熟,数量减少,最终完全转化为腱细胞;而新生的细胶原原纤维逐渐替代原粗大胶原原纤维,逐渐形成完全由致密的细胶原原纤维组成,排列整齐,与肌腱纵轴一致。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的生物衍生肌腱修复材料,该材料保持肌腱组织的基本机构、部分酶活性及肌腱组织的连续性,为肌腱重新血管化和细胞组织提供良好的支架结构。
本发明的另一目的是提供一种生物衍生肌腱修复材料的制备方法。
本发明生物衍生肌腱修复材料是对合法供体来源的经血清学检测为合格的肌腱,或经检疫后证实健康的动物肌腱进行物理加工和化学处理,除掉软组织、消毒、通过去除脂肪、脱细胞处理,经超低温预冻和冷冻干燥后,对组织进行去纤膜分丝,重组编织处理,最终得到保留了肌腱基本结构的一类新型肌腱缺损修复材料。
临床应用中根据病人的不同需要,制备成多种不同规格,用于肌腱、韧带等软组织缺损的修复。本发明所涉及的肌腱支架材料制备方法,一方面通过除掉软组织、消毒、脱去脂肪及脱细胞处理过程破坏肌腱组织的外围结构,降低移植受体对肌腱的排斥性,另一方面通过冻干过程进一步保持肌腱组织的基本机构、部分酶活性及肌腱组织的连续性,为肌腱重新血管化和细胞组织提供良好的支架结构。
为了实现本发明目的,本发明的一种生物衍生肌腱修复材料,以同种或异种肌腱为原料,通过消毒,脱脂,脱蛋白、脱细胞,冷冻干燥,解聚、分丝重组,二次消毒而成。
所述人体同种或异种肌腱(如猪、牛肌腱)可先进行一下前处理,用纯水将血脂成分洗净。
所述消毒为采用消毒液进行处理,原料与消毒液的体积比为1:5~1:15,消毒液可以用酒精、H2O2、过氧乙酸、氢氧化钠、碘伏、硫酸新霉素等等,具体为:75%酒精5~30分钟;或0.5~2%H2O2浸泡4~10小时;或0.08~1.5%的过氧乙酸和5~20%的乙醇的混合水溶液浸泡10~60分钟;或0.01~2%氢氧化钠溶液浸泡6~12小时;或5~20%的硫酸新霉素溶液浸泡15~60分钟;或碘伏浸泡10~30分钟,然后漂洗干净备用。漂洗采用纯水反复漂洗0.5~1.5小时,每5~15分钟更换液体。
所述脱脂为采用脱脂剂进行处理,至上清液清澈,漂洗干净备用,所述的脱脂剂为戊二醛、甲醛、混合体积比(v/v)为3:1~1:3的甲醇与氯仿、乙醚或二氯甲烷的混合物,原料与脱脂剂用量体积比为1:1~1:10。
根据油脂量多少确定更换液体次数(为2~5次),中途搅拌,至溶液清亮,无油脂;用纯水漂洗至无有机溶剂残留,清洗3~5次。
所述脱蛋白、脱细胞为采用高渗溶液,低渗溶液和酶溶液中的一种或两种混合溶液进行浸泡处理,体积比为1:1~1:3,所述酶溶液处理为0.18~0.5%的胰蛋白酶溶液浸泡3~10小时;所述高渗溶液或低渗溶液浸泡10~18小时。然后用纯水反复漂洗,漂洗24小时以上,中途更换数次,至溶液完全清亮。
所述解聚、分丝重组采用物理方法将纤膜剥去、肌纤维解聚、并分丝和重新编织。分丝后的肌腱直径和长度尺寸按照所生产产品的规格制定,编织按照两股螺旋编织或三股麻花编织等方法根据需要进行。
所述冷冻干燥采用1~2小时-80℃深度温预冻,冻干温度为-45~-55℃,24~48小时冻干。
所述二次消毒采用20~25kGy剂量的γ射线辐照消毒灭菌。
本发明所述的生物衍生肌腱修复材料的制备方法,包括如下步骤:先将同种或异种肌腱进行消毒,脱脂,脱蛋白、脱细胞,冷冻干燥,解聚、分丝重组,二次消毒而成。
具体包括如下步骤:
1)原料消毒处理:先将人体或异种肌腱进行清洗,然后用消毒液进行消毒处理,所述消毒液及处理时间为:75%酒精5~30分钟;0.5~2%H2O2浸泡4~10小时;0.08~1.5%的过氧乙酸和5~20%的乙醇的混合水溶液浸泡10~60分钟;0.01~2%氢氧化钠溶液浸泡6~12小时;5~20%的硫酸新霉素溶液浸泡15~60分钟;碘伏浸泡10~30分钟,使用体积比为1:5~1:15。
2)脱脂处理:将消毒后的肌腱采用脱脂剂进行脱脂至上清液清澈,漂洗干净备用,所述的脱脂剂为戊二醛、甲醛、混合体积比(v/v)为3:1~1:3的甲醇与氯仿、乙醚或二氯甲烷的混合物,肌腱材料与脱脂剂用量体积比为1:1~1:10。
3)脱蛋白、脱细胞处理:将脱脂后的肌腱采用高渗溶液、低渗溶液和酶溶液中的一种或两种混合溶液进行浸泡处理;所述酶溶液处理为0.18~0.5%的胰蛋白酶溶液浸泡3~10小时;高渗溶液或低渗溶液浸泡10~18小时。
4)然后经冷冻干燥,解聚、分丝重组,二次消毒处理而成。
本发明材料的处理过程中对处理环境的要求为原材料清洗、粗加工车间材料成型加工、处理车间均为洁净度10万级要求;材料冷冻干燥车间,产品小包装车间为洁净度1万级。处理过程中与材料接触的水均为纯水。
本发明在于在肌腱支架材料的制备方法中系统地使用了消毒,脱脂,脱细胞的步骤。利用H2O2或过氧乙酸-乙醇混合溶液进行前期消毒处理,以最大限度减少移植受体受到感染的几率;用甲醇、三氯甲烷、甲醛等化学物质进行脱脂处理,用高渗溶液、胰蛋白酶溶液进行脱蛋白脱细胞处理,使组织失去具有抗原性的蛋白质、脂肪、细胞及其代谢功能,从而最大限度降低其免疫原性和炎性反应,使之适合多种不同类细胞的生长,并保持较高的活性。
通过短时间的超低温预冻和冻干处理,一方面能够保证支架材料的力学性能不受破坏,比长时间冷冻明显提高;同时能够更好的保持支架的空间三维结构,经过去纤膜、分丝重编织处理有利于细胞、神经、血管长入,促进修复组织的术后愈合与再生。同时作为组织工程支架材料的应用中使得培养的细胞易于长入,促进肌腱组织工程化体系的构建。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本产品的原料来源为自愿者捐赠。无遗传性、免疫性疾病,3月内无使用激素类药物史,近期无使用呼吸机历史。每个捐赠者的肌腱为一批号。捐赠者均经血清学检验,包括艾滋病病毒(HIV)抗体;乙型肝炎病毒表面抗原(HBsAg);丙型肝炎病毒(HCV)抗体;梅毒螺旋体抗体的检测,排除肝炎、性病、艾滋病等传染性疾病,并保留原始检测结果,同时提取血清标本冷冻保存以供3月后复测及今后检测用。来源于动物(如猪、牛)的肌腱经检疫,证实无人畜共患疾病存在。
实施例1
将新鲜合格的人体肌腱剔除附属组织,把标本放在去热原的玻璃容器里用去热原纯水反复漂洗,去除血液成分;将材料用1%H2O2浸泡(1:10体积),37℃水浴摇床振动摇荡6小时(40rpm),每3小时更换液体;去热原纯水反复漂洗1小时,每10分钟更换液体;将材料用甲醇/氯仿(v/v,1/1)脱脂(用量1:3体积比),浸泡1小时,期间换液2次,中途要搅拌,至溶液清亮,无油脂为止;去热原纯水漂洗至无有机溶剂残留,即无氯仿气味;将材料用0.25%胰蛋白酶消化6小时,用量1:2体积比;去热原纯水反复漂洗,漂洗24小时,中途更换数次,至溶液完全清亮;将材料放置于去热原不锈钢盘,置于-80℃冷冻1小时,转入冻干机冷冻干燥,冷冻温度为-55℃,24小时冻干,冻干后将材料用机械力去除纤膜、将肌纤维解聚、并分丝和按两股螺旋或三股麻花重新编织,重组后加工成不同规格包装,25kGy辐照灭菌。
实施例2
将新鲜合格的人体肌腱材料剔除附属组织,把标本放在去热原的玻璃容器里用去热原纯水反复漂洗,去除血液成分;将材料用75%酒精消毒20分钟,再用0.8%的过氧乙酸-10%乙醇混合溶液中进行消毒处理,材料与溶液的质量体积比为1:5,浸泡50分钟,每25分钟换液1次,中途搅拌。用去热原纯水反复漂洗1小时,每20分钟更换液体;将材料用甲醇/二氯甲烷(v/v,3/1)脱脂(用量1:3体积比),浸泡1.5小时,换液2次,中途要搅拌,至溶液清亮,无油脂为止;去热原纯水漂洗至无有机溶剂残留,即无氯仿气味;将材料用0.18%胰蛋白酶消化8小时,用量1:3体积比;去热原纯水反复漂洗,漂洗24小时,中途更换数次,至溶液完全清亮;将材料放置于去热原不锈钢盘,置于-80℃冷冻1小时,转入冻干机冷冻干燥,冷冻温度为-45℃,48小时冻干,冻干后将材料用机械力去除纤膜、将肌纤维解聚、并分丝和按两股螺旋或三股麻花重新编织,重组后加工成不同规格包装,25kGy辐照灭菌。
实施例3
将新鲜牛肌腱材料剔除附属组织,把标本放在去热原的玻璃容器里用去热原纯水反复漂洗,去除血液成分;将材料用2%H2O2浸泡(1:8体积),37℃水浴摇床振动摇荡5小时(40rpm),前2小时更换液体;去热原纯水反复漂洗1小时,每10分钟更换液体;将材料用甲醇/氯仿(v/v,1/1)脱脂(用量1:3体积比),浸泡1小时,换液2次,中途要搅拌,至溶液清亮,无油脂为止;去热原纯水漂洗至无有机溶剂残留,即无氯仿气味;将材料用0.5%胰蛋白酶消化3小时,用量1:2体积比;去热原纯水反复漂洗,漂洗24小时,中途更换数次,至溶液完全清亮;将材料放置于去热原不锈钢盘,置于-80℃冷冻1小时,转入冻干机冷冻干燥,冷冻温度为-50℃,36小时冻干,冻干后将材料机械力去除纤膜、将肌纤维解聚、并分丝和按两股螺旋或三股麻花重新编织,重组后加工成不同规格包装,20kGy辐照灭菌。
实施例4
将新鲜牛肌腱材料剔除附属组织,把标本放在去热原的玻璃容器里用去热原纯水反复漂洗,去除血液成分;将材料用1.5%氢氧化钠溶液浸泡6小时,取出沥干后,用10%的硫酸新霉素溶液浸泡30分钟,材料与溶液体积比为1:5;碘伏浸泡30分钟,使用材料与碘伏体积比(材料/溶液)为体积比为1:15。纯水反复漂洗1小时,每10分钟更换液体;将材料用甲醇/氯仿(v/v,2/1)脱脂(用量1:10体积比),浸泡1小时,换液2次,中途要搅拌,至溶液清亮,无油脂为止;纯水漂洗至无有机溶剂残留,即无氯仿气味;将材料用0.25%胰蛋白酶消化10小时,用量1:2体积比;去热原纯水反复漂洗,漂洗24小时,中途更换数次,至溶液完全清亮;将材料放置于去热原不锈钢盘,置于-80℃冷冻1小时,转入冻干机冷冻干燥,冷冻温度为-55℃,36小时冻干,冻干后将材料机械力去除纤膜、将肌纤维解聚、并分丝和按两股螺旋或三股麻花重新编织,重组后加工成不同规格包装,25kGy辐照灭菌。
实施例5
将新鲜猪肌腱材料剔除附属组织,把标本放在去热原的玻璃容器里用去热原纯水反复漂洗,去除血液成分;将材料用用0.5% H2O2浸泡10小时。纯水反复漂洗1小时,每10分钟更换液体;将材料用戊二醛浸泡2小时,浸泡体积比为1:3,每1小时换液1次,中途要搅拌,至溶液清亮。纯水漂洗至无有机溶剂残留;将材料用10mM的Trizma HCl,5mM的EDTA的低渗溶液浸泡12小时后再用50mM的Trizma HCl,10mM的EDTA的高渗盐水浸泡12小时,洗净后用0.25%胰蛋白酶消化6小时,用量1:2体积比;去热原纯水反复漂洗,漂洗24小时,中途更换数次,至溶液完全清亮;将材料放置于去热原不锈钢盘,置于-80℃冷冻1小时,转入冻干机冷冻干燥,冷冻温度为-50℃,40小时冻干,冻干后将材料机械力去除纤膜、将肌纤维解聚、并分丝和按两股螺旋或三股麻花重新编织,重组后加工成不同规格包装,20kGy辐照灭菌。
实施例6
将新鲜合格的人体肌腱材料剔除附属组织,把标本放在去热原的玻璃容器里用去热原纯水反复漂洗,去除血液成分;将材料用用1.5%H2O2浸泡6小时。纯水反复漂洗1小时,每10分钟更换液体;将材料用甲醛浸泡5小时,浸泡体积比为1:3,每1小时换液1次,中途要搅拌,至溶液清亮。纯水漂洗至无有机溶剂残留;将材料用0.45%胰蛋白酶消化5小时,用量1:3体积比;去热原纯水反复漂洗,漂洗24小时,中途更换数次,至溶液完全清亮;将材料放置于去热原不锈钢盘,置于-80℃冷冻1小时,转入冻干机冷冻干燥,冷冻温度为-45℃,48小时冻干,冻干后将材料机械力去除纤膜、将肌纤维解聚、并分丝和按两股螺旋或三股麻花重新编织,重组后加工成不同规格包装,25kGy辐照灭菌。
实施例7
利用实施例1制备的组织工程肌腱支架材料作为支架载体负载肌腱来源的成纤维细胞,构建组织工程肌腱。所用肌腱人体四肢肌腱,肌腱来源成纤维细胞经分离培养获得,复合到支架材料中。方法为:在50RPMI1640培养液中,加入7.5ml胎牛血清,调节细胞密度为6×105个/ml,置于37℃、5%CO2、饱和湿度的培养箱中培养。将支架材料置于上述细胞悬液中,轻轻混匀,在二氧化碳培养箱中预孵30min。培养12h后,培养液逐渐变清亮,表明大部分细胞已贴附在支架材料上。培养48h时,支架材料上附着有大量肌腱细胞,培养第7天支架材料上的细胞分布趋向均匀分布,并在某些地方出现细胞团。细胞分泌大量细胞外基质,部分支架出现粘连,出现搭桥现象。培养18天时支架材料上的细胞团进一步增大,导致一些细胞团从支架上脱落,悬浮在培养液中;培养28天后,此时支架材料已部分降解,肌腱细胞团布满支架表面。总体来说,利用该材料构建组织工程肌腱,细胞可以良好地粘附,生长,增殖,并表达很好的细胞功能。
实施例8
实验动物:1-3岁龄雌雄不限的健康四川猕猴,体重5.35±1.9kg。
实验分组:实验分为两组,A组,同种异体重组衍生肌腱材料移植组;B组,自体肌腱移植组。这两种肌腱材料分别依次植入同一只手,观察1、2、3、6、12周5个时间点,每个时间点观察2只手。
实验方法:采用静脉吸入复合麻醉,气管插入,无菌条件下,切开手掌指部皮肤,显露肌腱,在纤维鞘管区选取第4及5指屈指深肌腱,切取2.5cm肌腱,依次植入A组和B组的肌腱修复材料修复肌腱缺损。
实验观察:术后1周时A组肌腱桥接部、植入物表便大部分有很薄的被膜覆盖,未见明显的粘连,植入物活动度较大易抽出,手术部位出现水肿,有炎性反应;B组移植的肌腱表面有很薄的被膜覆盖,桥接部愈合不牢,轻度水肿,1级粘连,周围有炎性反应,但相对轻与A组。术后2周时A组植入物表面由增厚的被膜完全覆盖,可见粘连(1级),可锐性分离,肌腱桥接部愈合较牢固,剥离表面的被膜可见植入物变得较致密,水肿逐渐减轻,组织灰白,周围炎性反应明显减轻;B组肌腱表面有被膜覆盖,肌腱的桥接部愈合较牢与周围组织粘连,炎性反应减轻。术后3周时A组植入物表面仍由增厚的被膜覆盖,1级粘连,可锐性分离,肌腱桥接部愈合牢固,剥离的被膜可见植入物致密,水中明显减轻,组织呈白色,炎性反应明显减轻;B组肌腱的表面有被膜覆盖,肌腱桥接部愈合较牢,与周围组织有1级粘连,无明显炎性反应。术后6周时A组生成新生肌腱,表面仍由被膜包绕,与周围组织粘连。B组生成新生肌腱,被膜包围,易剥离,与周围组织粘连,肌腱桥接部愈合。术后12周时A组新生肌腱连续性不完整,植入物变细,表面仍有被膜包绕,与周围组织轻度粘连,肌腱桥接部位愈合;B组新生肌腱较为完整,被膜包绕易剥离,与周围组织粘连,肌腱桥接部位愈合。通过比较可以看出,通过本方法制备的生物衍生肌腱修复材料能够诱导肌腱组织再生,新生肌腱组织与正常相似,修复效果与自体肌腱移植相似。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。