CN102631703A

CN102631703A - 一种三维非支撑骨修复补片及其制备方法

Info

Publication number: CN102631703A
Application number: CN2012101186511A
Authority: CN
Inventors: 冯淑芹; 沈新元; 冯虎
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明涉及一种三维非支撑骨修复补片及其制备方法，补片由具有细胞外基质的纳米纤维构成；其中，纳米纤维由重量比为1∶9～9∶1的聚己内酯和聚乙醇酸共混构成。制备方法包括：将二种聚合物溶解于有机溶剂中，搅拌制得透明均匀的静电纺丝溶液；利用静电纺丝工艺对上述纺丝溶液进行纺丝，接收获得纤维支架；将纤维支架浸泡、干燥、裁制、消毒、利用骨髓问充质干细胞进行培养，制得三维骨补片修复材料。本发明可根据需要任意调节孔径以及空隙率；也可用作神经导管以及骨、血管、心脏、神经等组织工程细胞支架，适合多种细胞的生长；制备方法工艺简单，成本低，具有良好的应用前景。

Description

一种三维非支撑骨修复补片及其制备方法

技术领域

本发明属于医用材料及其制备领域，特别涉及一种三维非支撑骨修复补片及其制备方法。

背景技术

聚乙醇酸(PGA)和聚己内酯(PCL)为代表，具有良好的加工性和可塑性，材料的降解性能和机械性能可在很广的范围内进行调整，目前已成功应用于骨再生的支架材料，心脏，血管和神经[等组织工程支架用于支持很多再生组织。由PGA编织的组织工程支架已经将软骨细胞和干细胞放在材料上生成一种修复心脏的修补材料，目前已经在体内和体外都进行了测试。但是由于PGA的快速降解，难以维持力学稳定性，使其应用收到限制。为了提高其力学性能以及避免过快的降解速度，选择和力学性能好、降解速度慢的物质共混改性。例如用PGA/PCL复合材料通过组织工程技术成功地制备了心脏修复材料(Barralet JE，Wallace LL，Strain AJ.TissueEngineering.2003，9(5))。但是纳米级的PGA/PCL复合材料制备骨修复补片还未见报道。

目前，由静电纺丝制备的纳米组织工程修复材料由于具有极大的比表面积、高的空隙率与高的表面能等特点，能够从纳米尺度上模仿天然胞外基质，可作为细胞生长的多孔支架，促进细胞的迁移和增殖，已广泛应用于制备组织工程修复材料、创伤敷料、药物缓释载体的研究。

理想的骨修复材料，不仅需要较强的力学性能，而且在结构上要具有高的孔隙率，而且需要大的孔径，这样才能输送营养和氧气以利细胞的增殖和分化。孔隙率和平均孔径是细胞增殖以及形成三维组织的重要参数。早期，细胞可以容易地迁移到深度约为100μm的电纺纤维修复材料区域，但是后期对于更深的区域，细胞难以种植与渗透。这就需要较大的孔径和空隙率为细胞提供营养物质以及代作为谢产物和气体交换通道。本发明制备的三维非支撑骨修复补片克服了现有技术的缺陷，在早期细胞生长时期由于电纺纤维直径较小，比表面积较大，吸附能力较强，易于细胞的吸附、分化与增殖。后期随着PGA的快速降解，留出了更大的孔径与空隙率，保证了营养物质的输送，以及代谢产物的排出，使细胞能够迁移到更深的地方迁移与渗透。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种三维非支撑骨修复补片及其制备方法，该补片可根据需要任意调节孔径以及空隙率；也可用作神经导管以及骨、血管、心脏、神经等组织工程细胞支架，适合多种细胞的生长；制备方法工艺简单，成本低，具有良好的应用前景。

本发明的一种三维非支撑骨修复补片，所述补片由具有细胞外基质的纳米纤维构成；其中，所述纳米纤维由重量比为1∶9～9∶1的聚己内酯和聚乙醇酸共混构成。

所述聚己内酯和聚乙醇酸的重均分子量均为3万～150万。

所述补片长度为1mm～10m，宽度为1mm～10cm，厚度为0.01mm～5cm。

所述纳米纤维的平均直径为100nm～1μm，空隙率为50％～98％。

本发明的一种三维非支撑骨修复补片的制备方法，包括：

(1)将聚己内酯与聚乙醇酸按重量比1∶9～9∶1溶解于有机溶剂中，配成溶液，搅拌制得透明均匀的纺丝溶液；

(2)利用静电纺丝工艺对上述纺丝溶液进行纺丝，用平板或卷绕接收装置进行接收获得纤维支架；

(3)将上述纤维支架浸泡、干燥、裁制、消毒、利用骨髓问充质干细胞进行培养，制得三维非支撑骨修复补片。

所述步骤(1)中的有机溶剂为六氟异丙醇、三氟乙醇、乙醇、N，N-二甲基甲酰胺、三氟乙酸中的一种或几种。

所述步骤(1)中的溶液中聚己内酯与聚乙醇酸的总质量占溶液质量的2％～20％。

所述步骤(2)中的静电纺丝工艺具体工艺参数为：推动泵的推动速度为1μl/h～10ml/h，环境温度为0～100℃，电压为5kv～30kv，注射器的针头喷口孔径为1μm～5mm。

所述步骤(3)中的补片形状为三角形、四边形或筒形。

本发明静电纺结束后，从接收装置上取下纤维支架，干燥。将三维形状的补片，剪成三维或平面形状，用75％乙醇浸泡1h和PBS水洗三次，然后放在LG-DMEM液中浸泡过夜。取出样品干燥30min后用紫外灯消毒。待骨髓问充质干细胞消化成5×10⁷cells/ml时取1ml的细胞悬浮在预先铺有三维补片的培养板中。每隔2天更换一次培养基，以保持细胞的营养供应。经过7到21天后制备成具有组织工程功能的三维非支撑骨修复补片。

该补片的纤维材料不光可用于非支撑骨修复补片，还可用于心脏、疝缺损、骨移植替代材料、脑瓣、脑血管、以及颈动脉处的修补材料，另外可用于嘴唇修补、鼻梁修整等人体整容。

三维补片的降解曲线通过测量补片的吸水率和失重来绘制。吸水率与失重率分别由式(1)和式(2)计算：

式中W_o、W_d和W_w分别为样品降解前的干重、样品降解后的干重和湿重。

有益效果

(1)本发明采用的聚合物PCL与PGA具有无毒害、无刺激性、化学稳定性好、降解、不引起炎症、无过敏反应、生物相容性好、不致癌、重金属含量低、PH值小，不引起溶血和凝血等性能。而且具有所需的物理、力学性能和加工性能、并能经受消毒处理。

(2)本发明通过静电纺丝工艺制备的补片，具有操作方法简单、经济成本降低。而且还具有微纤效应，电学性能，以及力学性能如非常大的比表面积，柔性及超强的力学行为(如硬度和抗张强度)，这些优异的特性使纳米纤维更适合医药卫生，组织工程等领域。

(3)本发明由于PGA的快速降解为细胞提供更多的生长空间，也赋予纤维更大的吸附能力。从而使纳米纤维骨补片具有更优异的生物相容性。

(4)本发明不光在结构上能够有效模仿细胞外基质，而且其纤维的取向排列利于骨髓问充质干细胞沿着纤维取向方向生长延伸。

(5)本发明的制备方法工艺简单，成本低，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的三维非支撑骨修复补片剖视图；

图2是实施例2制备出的三维非支撑骨修复补片降解七天后的形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)纤维支架的制备

将PCL与PGA按质量比9∶1溶解于三氟乙酸中，配成浓度为20％溶液。用磁力搅拌器进行搅拌制得透明均匀的静电纺丝溶液；

将所制备的静电纺原液进行静电纺，纺丝参数控制在电压15kv，喷口孔径0.4mm，溶液流速1ml/h，环境温度20℃，平板接收装置与喷口间距15cm。

(2)非支撑骨补片制备

静电纺结束后，从平板接收装置取下纤维支架，浸入到乙醇中48h，再进行真空干燥。裁剪成长度5cm×宽度5cm×厚度0.5mm三维形状，消毒。

实施例2

(1)纤维支架的制备

将PCL与PGA按质量比5∶5溶解于三氟乙酸中，配成浓度为10％溶液。用磁力搅拌器进行搅拌制得透明均匀的静电纺丝溶液；

将所制备的静电纺原液进行静电纺，纺丝参数控制在电压20kv，喷口孔径0.7mm，溶液流速2ml/h，环境温度25℃，卷绕筒(直径为50cm)与喷口间距5cm。卷绕速度控制在200rpm

(2)非支撑骨补片制备

静电纺结束后，从卷绕筒上取下纤维支架，浸入到有乙醇中48h，再进行真空干燥。裁剪成具有一定弧度的(长度5cm×宽度5cm×厚度0.5mm)三维形状，消毒。

实施例3

(1)纤维支架的制备

将PCL与PGA按质量比5∶5溶解于六氟异丙醇中，配成浓度为5％溶液。用磁力搅拌器进行搅拌制得透明均匀的静电纺丝溶液；

将所制备的静电纺原液进行静电纺，纺丝参数控制在电压5kv，喷口孔径1mm，溶液流速0.5ml/h，环境温度25℃，卷绕筒(直径为5cm)与喷口间距5cm。卷绕速度控制在4000rpm

(2)非支撑骨补片制备

静电纺结束后，从卷绕筒上取下纤维支架，浸入到有机溶剂乙醇中48h，再进行真空干燥。裁剪成修复脑补片的三维形状消毒，进行骨髓问充质干细胞培养。

实施例4

将三维形状的补片，用75％乙醇浸泡1h和PBS水洗三次，然后放在LG-DMEM液中浸泡过夜。取出样品干燥30min后用紫外灯消毒。待骨髓问充质干细胞消化成5×10⁷cells/ml时取1ml的细胞悬浮在预先铺有三维补片的培养板中。每隔2天更换一次培养基，以保持细胞的营养供应。经过7到21天后制备成具有组织工程功能的三维非支撑骨修复补片。

实施例5

磷酸盐缓冲液(PBS)配制：80g NaCl、2g KCl、14.4g Na₂HPO₄、2.4g KH₂PO₄溶于800ml的去离子水中，加入一些HCL调整溶液pH值为7.4，最后加去离子水到溶液体积为1L。缓冲溶液PH值为7.4±0.2。

在缓冲液中，添加脂肪酶，缓冲液中脂肪酶的浓度均为0.2mg/ml。将实施例3制备的三维补片完全地沉入溶液中。将上述样品放在振荡培养箱中，温度保持在37±0.2℃。每隔二天更新一次加脂肪酶的缓冲溶液，以保证脂肪酶的活性。每隔一定时间，从瓶中取出样品，用蒸馏水冲洗三次，然后用滤纸将样品表面的水吸干，称重。将样品在干燥至恒重后再次称重。重复三次实验，记录其平均值，见下表：

Claims

1.一种三维非支撑骨修复补片，其特征在于：所述补片由具有细胞外基质的纳米纤维构成；其中，所述纳米纤维由重量比为1∶9～9∶1的聚己内酯和聚乙醇酸共混构成。

2.根据权利要求1所述的一种三维非支撑骨修复补片，其特征在于：所述聚己内酯和聚乙醇酸的重均分子量均为3万～150万。

3.根据权利要求1所述的一种三维非支撑骨修复补片，其特征在于：所述补片长度为1mm～10m，宽度为1mm～10cm，厚度为0.01mm～5cm。

4.根据权利要求1所述的一种三维非支撑骨修复补片，其特征在于：所述纳米纤维的平均直径为100nm～1μm，空隙率为50％～98％。

5.一种三维非支撑骨修复补片的制备方法，包括：

6.根据权利要求5所述的一种三维非支撑骨修复补片的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的有机溶剂为六氟异丙醇、三氟乙醇、乙醇、N，N-二甲基甲酰胺、三氟乙酸中的一种或几种。

7.根据权利要求5所述的一种三维非支撑骨修复补片的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的溶液中聚己内酯与聚乙醇酸的总质量占溶液质量的2％～20％。

8.根据权利要求5所述的一种三维非支撑骨修复补片的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的静电纺丝工艺具体工艺参数为：推动泵的推动速度为1μl/h～10ml/h，环境温度为0～100℃，电压为5kv～30kv，注射器的针头喷口孔径为1μm～5mm。

9.根据权利要求5所述的一种三维非支撑骨修复补片的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的补片形状为三角形、四边形或筒形。