CN102512266A - 脊髓损伤修复组织工程支架的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脊髓损伤修复组织工程支架的制备方法。现有的方法存在不能制作任意复杂模型，不能满足脊髓支架模型的需要和孔隙率低等问题。本发明采用低温成形技术和致孔剂浸出工艺，将体内生物环境作为组织工程脊髓支架设计的重要依据。通过模拟脊髓结构及生活环境，用微孔尺寸小的隔离层将脊髓支架分割成灰质诱导功能区域和白质诱导功能区域，制成组织工程脊髓支架，通过种植不同的种子细胞和生长因子，利用这两种不同的生物环境从而达到分别再生的目的。本发明制造出宏观孔隙圆润、规则，并包含大量无规则的微孔结构支架，孔隙的贯通性良好，平均孔隙率达89.92%；并具有较好的力学性能，很好的满足组织工程脊髓支架的需要。
Description
技术领域
本发明属于医学组织工程学和低温成形技术领域，具体涉及一种脊髓损伤修复组织工程支架的制备方法。
背景技术
20世纪80年代美国学者Langer和Vacanti提出了组织工程的再生医学新概念，组织工程技术是目前最理想的人体器官替代与修复技术，它是应用工程学、生命科学的原理和方法来制备具有生物活性的人工替代物，用以维持、恢复或提高人体组织、器官的一部分或全部功能。组织工程的基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞吸附于一种具有优良细胞相容性并可以被机体降解吸收的生物材料上面形成复合物，然后将细胞-生物材料复合物植入人体组织、器官的病损部位，在作为细胞生长支架的生物材料逐渐被机体降解吸收的同时，细胞不断增殖、分化，形成新的并且其形态、功能方面与相应组织、器官一致的组织，从而达到修复创伤和重建功能的目的。其核心为：建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用来对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。组织工程学作为一个新兴的交叉性领域，其最终目标是通过生物材料、细胞和生物分子的有机结合，构成有生物活性的复合物，来代替或修复损伤的组织，以恢复其解剖学的结构和功能。其基本方法是将细胞种在细胞支架上复合培养一定时间后再植入体内，以达到组织修复和重建的目的。
脊髓损伤(SCI)后神经功能的恢复至今仍是困扰医学界的难题。据调查，在美国目前患SCI的病人有253，000且以每年11，000的速度递增，每个病人总需花费30到70万美元来治疗，这对病人和社会都是一个沉重的负担。脊髓损伤可以导致损伤平面以下神经功能的破坏性丢失，严重地影响身体多个系统。脊髓损伤的效应随着损伤部位不同而不同，这是脊神经有序地按照脊髓排列的缘故。除了损伤平面以下运动功能受损，同时还伴有感觉异常其造成的功能缺陷包括心血管系统功能、呼吸系统功能、胃肠道消化功能、排汗功能、性功能以及排尿功能，这些缺陷可继发泌尿系感染、褥疮、肌肉痉挛、慢性神经性疼痛和感觉异常等，更严重的可致命。伴随着新科技、新技术的广泛应用，在脊髓损伤救治的实验研究领域中取得了一定的成绩，但离临床广泛的应用还有距离。这主要是因为存在以下问题：脊髓损伤的病理损伤过程不仅是由开始的机械损伤决定的，继发的缺血、缺氧、自由基生成以及兴奋毒性也起重要作用；体内的髓鞘相关抑制因子可抑制与功能恢复密切相关的轴突的再生；内在的可以克服抑制因子的成年神经元大量丢失；形成了损伤后的瘢痕障碍。
如何构建脊髓模型支架来模拟体内脊髓结构成为组织工程方法修复脊髓损伤的关键所在。
传统采用模型的方法来制作支架方式，存在不能制作任意复杂模型，往往不能满足各种支架模型的需要和孔隙率等问题，低温成型技术能很好的解决这些问题。
低温成形技术是由清华大学首先提出的，是一种将材料的挤压/喷射过程和热致相分离过程集成起来的快速成形新工艺。它主要是利用快速成型技术，在低温室中形成所需模形，然后再利用热致相分离法将材料和溶剂相分离。低温成型技术的主要优点有:1、能形成精确的三维结构；2、由于在低温室中成型，可以很好的保持材料的生物性能；3、具有较高的孔隙率，成型的支架不仅具有规则的大孔结构而且包含大量微孔，适于细胞的繁殖、生长。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种脊髓损伤修复组织工程支架的制备方法。
本发明方法具体是：
1)借助三维CAD软件直接设计或用实体反求工程采集脊髓原型的几何形状和结构信息,得到脊髓的三维模型。
2)根据上述脊髓的三维模型和支架的具体需要进行分层，得到低温成形机能成形的数据文件；在分层中需设定的参数包括分层厚度、出丝间距和扫描角度。
3)将生物浆料材料倒入低温成形机料筒中，低温成形机根据所生成的数据文件形成所需脊髓模形。
4)将脊髓模形放入冷冻干燥机中，热致相分离去除生物浆料中溶剂，产生大量微米级别的微孔结构支架。
本发明的有益效果在于：本发明通过结合低温成型工艺和致孔剂浸出工艺，制造出具有三级孔隙结构支架，极大的弥补了低温成型支架在10～100 
无孔隙结构的缺陷。成型支架的宏观孔隙圆润、规则；包含大量无规则的微孔结构，孔隙的贯通性良好，支架平均孔隙率达89.92%；并具有较好的力学性能，能很好的满足组织工程脊髓支架的需要。本发明对危害人民健康较大的创伤性脊髓损伤进行防治基础性研究，将会有力的推动整个脊髓防治领域的发展。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是脊髓支架模形示意图；
图3是制备的脊髓支架的宏观孔隙结构图；
图4是制备的脊髓支架的微观孔隙结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
1) 采用低温成形技术，可以根据所需模形制造任意形状的三维结构，具体步骤如下（如图1），借助三维CAD软件直接设计或用实体反求工程采集脊髓原型的几何形状和结构信息,得到脊髓的三维模型。
脊髓三维模型支架由三部分组成，包括灰质功能区，隔离区和白质功能区，如图2所示，灰质功能区宏观孔隙小于白质功能区宏观孔隙；隔离区宏观孔隙最小，主要起隔离作用，能阻止不同功能区细胞的走动，确保各功能细胞只能在各自的生理环境中生长。
A、三个区域的材料各不相同，可以是胶原、海藻酸凝胶、壳聚糖、纤维蛋白凝胶，聚乳酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA）、聚乳酸/羟基乙酸共聚物（PLGA）和聚乙二醇（PEG）中的一种或几种的混合材料，溶剂为1,4二氧六环和水等。
B、三个区域的细胞生长因子各不相同，可以是神经生长因子（nerve growth factor，NGF）、脑源性神经营养因子(brain—derived neurotrophic factor，BDNF)、睫状神经营养因子（ciliary neurotrophic factor，CNTF)、胶质细胞源性神经营养因子（glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF)中的一种或几种的混合。
C、三个区域的种子细胞也各不相同，可以是骨髓基质干细胞、嗅鞘细胞、雪旺细胞、神经干细胞中的一种或几种的混合。
脊髓支架中含有大量细胞生长因子，有利于诱导损伤处脊髓神经元细胞的再生。脊髓支架中的种子细胞能分泌各种促进神经元和轴突生长的因子，支持和引导轴突再生；促进中枢神经系统的再生、髓鞘的重建和部分功能的恢复。
2)根据上述脊髓的三维模型和支架的具体需要进行分层，得到低温成形机能成形的数据文件；在分层中需设定的参数：分层厚度0.15mm、出丝间距1.2mm和扫描角度0°/90°。
3)将生物浆料材料倒入低温成形机料筒中，低温成形机根据所生成的数据文件形成所需脊髓支架模形,如图3所示，其中白质功能区的孔隙可达500～600
，灰质功能区的孔隙大小为200～300
，而隔离区孔隙最小仅为几十微米。
4)将脊髓支架模形放入冷冻干燥机中，根据材料的热致相分离去除生物浆料中的溶剂，产生大量微米级别的微孔结构支架，如图4所示。该脊髓支架不仅具有规则的大孔通道，能正确引导上行纤维和下行纤维的生长，还包括大量微孔结构，有利于细胞的粘附和生长。
Claims (1)
1.脊髓损伤修复组织工程支架的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)借助三维CAD软件直接设计或用实体反求工程采集脊髓原型的几何形状和结构信息,得到脊髓的三维支架模型，该支架模型包括灰质功能区，隔离区和白质功能区；
2)根据上述脊髓的三维模型和支架的具体需要进行分层，得到低温成形机能成形的数据文件；在分层中需设定的参数包括分层厚度、出丝间距和扫描角度；
3)将生物浆料材料倒入低温成形机料筒中，低温成形机根据所生成的数据文件形成所需脊髓模形；
4)将脊髓模形放入冷冻干燥机中，热致相分离去除生物浆料中溶剂，产生大量微米级别的微孔结构支架；
所述的微孔结构支架为三级孔隙结构，支架平均孔隙率达89.92%。
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