CN103071187B - 一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架及其成形方法 - Google Patents

Abstract

一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架及其成形方法，首先模拟自然韧带-骨交界面结构，利用快速成型技术制造出带纤维连接结构的骨支架模型的树脂负型；向树脂负型内灌注骨支架材料溶液，冷冻干燥，高温烧结，制造出具有内部连通管道及带纤维连接结构的骨支架；然后将韧带纤维与骨支架的纤维连接结构进行初次连接，并将用于仿生界面制造的模具和初次连接形成的韧带-骨支架进行固定；向韧带与骨支架的交界面处灌注多种骨支架材料浓度变化的韧带材料复合溶液作为二次连接；冷冻干燥，去除模具，得到具有仿生界面的韧带-骨复合支架，本发明有助于营养和代谢物的传递，提高了韧带-骨复合支架的连接强度，有利于植入后细胞的长入。

Description

一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架及其成形方法

技术领域

本发明涉及多材料多结构支架复合成形的生物制造技术领域，具体涉及一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架及其成形方法。

背景技术

韧带是维持人体关节稳定与正常运动能力的关键，但运动或意外事故常导致韧带发生不可自愈性损伤或断裂，临床上需要采用韧带重建手术来恢复其生理功能。目前韧带重建手术所使用的关节韧带移植体如自体韧带、异体韧带、不可降解人工韧带等多从强度方面考虑其特性需求，而忽略了自然韧带与骨组织间的界面连接关系，仅通过手术线、医用螺钉等方式与自体骨“机械固定”，难以使移植体与自体骨组织间形成牢固的组织融合，远期临床疗效较差：或因自体骨内融合隧洞扩大而拉出，或因连接处的应力集中而疲劳断裂。因此，模拟自然韧带-骨界面特性，构建具有材料和结构过渡的仿生韧带-骨组织支架，通过骨组织支架与自体骨的生理愈合来实现韧带与自体骨永久的“生理固定”，是当今国际医学界迫切需要解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架及其成形方法，通过韧带支架与骨支架的仿生界面连接、骨支架与自体骨的生理结合来实现韧带支架与自体骨的“生理固定”。

一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架，包括韧带支架1及与之连接的骨支架4，韧带支架1由生物可降解微纳米纤维编织而成，骨支架4为包含纤维连接特征的多孔陶瓷结构，韧带支架1与骨支架4连接界面为模拟自然韧带-骨界面的多孔非钙化软骨层2与钙化软骨层3。

由生物可降解微纳米纤维编织成韧带支架1中，生物可降解微纳米纤维材料为聚乳酸纤维、聚乳酸羟基乙酸纤维、聚已内酯纤维、蚕丝、手术缝合线或其共混物;

配制用于制作骨支架4的材料溶液，质量分数为40%-70%，骨支架的材料溶液由骨支架材料、水溶剂、有机单体、分散剂、交联剂、引发剂和催化剂按110-120：60-80：6-8：1-2：1-1.5：0.2-0.75：0.2-0.75的质量比混合组成，骨支架材料为β-磷酸三钙、羟基磷灰石、自固化骨水泥、硅酸钙或其共混物，水溶剂为去离子水，有机单体为丙烯酰胺、甲基-酰氧乙基三甲基氯化钠或己二酸二酰肼，分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酸铵，交联剂为N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二丙酮基丙烯酰胺或二亚苄基丙酮基丙烯酰胺，引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾，催化剂为N,N,N,N-四甲基乙二胺或N,N–二甲基环己胺。

一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架的成形方法，包括以下步骤：

1）利用计算机三维辅助设计软件设计出具有内连通管道及纤维连接结构的骨支架模型，以及与骨支架外形匹配的、用于仿生界面制造的模具,通过布尔运算设计出骨支架模型的负型，利用快速成型技术制造出骨支架模型的树脂负型及用于仿生界面制造的模具；

2）配制用于制作骨支架的材料溶液，质量分数为40%-70%，骨支架的材料溶液由骨支架材料、水溶剂、有机单体、分散剂、交联剂、引发剂和催化剂按110-120：60-80：6-8：1-2：1-1.5：0.2-0.75：0.2-0.75的质量比混合组成，骨支架材料为β-磷酸三钙、羟基磷灰石、自固化骨水泥、硅酸钙或其共混物，水溶剂为去离子水，有机单体为丙烯酰胺、甲基-酰氧乙基三甲基氯化钠或己二酸二酰肼，分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酸铵，交联剂为N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二丙酮基丙烯酰胺或二亚苄基丙酮基丙烯酰胺，引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾，催化剂为N,N,N,N-四甲基乙二胺或N,N–二甲基环己胺，然后向骨支架模型的树脂负型内灌注骨支架的材料溶液，真空条件下排出气泡，待材料溶液凝固后，放入-20～-80℃低温环境下预冻2-4h，随后放入真空干燥机内冷冻干燥12-36h，将干燥后的骨支架坯体高温烧结20℃-1550℃，使骨支架模型的树脂负型气化，从而得到包含纤维连接结构的多孔陶瓷骨支架；

3）由生物可降解微纳米纤维编织成韧带支架，生物可降解微纳米纤维材料为聚乳酸纤维、聚乳酸羟基乙酸纤维、聚已内酯纤维、蚕丝、手术缝合线或其共混物；

4）将韧带支架与骨支架的纤维连接结构进行捆绑连接实现韧带支架与骨支架的初次连接，然后通过编织技术将未与骨支架的纤维连接结构进行捆绑连接的韧带支架进行编织，形成初次连接的韧带-骨复合支架；

5）将韧带材料、水、二氧六环按0.5-1.5：0.5-2：6-10的质量比配制韧带材料溶液，韧带材料为聚乳酸、聚乳酸羟基乙酸、聚已内酯、蚕丝、手术缝合线或其共混物，向制备的韧带材料溶液中加入不同质量的骨支架材料，均匀混合后得到两种及两种以上的骨支架材料质量分数介于5%～40%的复合材料溶液；

6）将用于仿生界面制造的模具和初次连接的韧带-骨复合支架进行固定，然后向初次连接的韧带-骨复合支架界面处逐层灌注复合材料溶液，从骨支架端到韧带支架端，骨支架材料在复合材料溶液内的质量分数逐渐递减，在靠近骨支架端，灌注骨支架材料质量分数高的复合材料溶液,高度为0.1-0.5mm，骨支架材料的质量分数范围为20%～40%，在骨支架与韧带支架连接的中间部分，灌注骨支架材料质量分数低的复合材料溶液，高度为0.1-0.5mm,骨支架材料的质量分数范围为5%～20%，而在靠近韧带支架端，灌注韧带材料溶液,高度为0.1-0.5mm；

7）将灌注好的初次连接的韧带-骨复合支架放入-20～-80℃低温环境下预冻2-4h，随后放入真空干燥机内冷冻干燥12-36h，去除用于仿生界面制造的模具，得到具有仿生界面的韧带-骨复合支架。

本发明的目的主要是针对目前韧带重建手术长期效果不佳的问题，提出了一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架的成形方法。本发明的韧带纤维与骨支架的连接分为初次连接及二次连接，初次连接将韧带纤维与骨支架进行固定，二次连接模拟了自然韧带-骨交界面的结构，同时提高了韧带与骨支架的连接强度。二次连接方法为向韧带-骨交界面处灌注不同骨支架材料浓度的韧带材料复合溶液，提供了刚度的过渡，避免了韧带与骨支架直接连接方式存在的应力集中问题。骨支架与骨通道可以生理愈合，实现生理固定。本发明制造的骨支架具有相连通管道及仿生界面结构，相连通管道有助于营养和代谢物的传递，仿生界面结构还为韧带纤维与骨支架的连接提供了一种嵌入结构，提高了韧带-骨仿生支架的连接强度。韧带-骨复合支架的仿生界面部分为多孔结构，有利于植入后细胞的长入。

附图说明

附图为具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架示意图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明做详细描述。

参照附图，一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架，包括韧带支架1与骨支架4，韧带支架1由生物可降解微纳米纤维编织而成，骨支架4为包含纤维连接特征的多孔陶瓷结构，韧带支架1与骨支架4连接界面为模拟自然韧带-骨界面的多孔非钙化软骨层2与钙化软骨层3。

一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架的成形方法，包括以下步骤：

1）利用计算机三维辅助设计软件设计出具有内连通管道及纤维连接结构的骨支架模型，以及与骨支架外形匹配的、用于仿生界面制造的模具,其中，骨支架的主体外形为圆柱体，外径为11mm，内部连通管道的直径为0.5mm，用于仿生界面制造的模具内径为10mm，外径为15mm,高度为20mm，通过布尔运算设计出骨支架模型的负型，利用快速成型技术制造出骨支架模型的树脂负型及用于仿生界面制造的模具；

2）配制用于制作骨支架的材料溶液，质量分数为58%，骨支架的材料溶液由β-磷酸三钙粉体、水溶剂去离子水、有机单体丙烯酰胺、分散剂聚丙烯酸钠、交联剂N,N-二甲基丙烯酰胺、引发剂过硫酸铵和催化剂N,N,N,N-四甲基乙二胺按110：70：6：2：1.2：0.36：0.36的质量比混合组成，然后向骨支架模型的树脂负型内灌注骨支架的材料溶液，真空条件下排出气泡，待材料溶液凝固后，放入-20℃冰箱预冻2h，随后放入真空干燥机内冷冻干燥24h，将干燥后的骨支架坯体高温烧结20℃-1150℃，使骨支架模型的树脂负型气化，从而得到包含纤维连接结构的多孔陶瓷骨支架；

3）由生物可降解微纳米纤维编织成韧带支架，生物可降解微纳米纤维材料为聚乳酸纤维、聚乳酸羟基乙酸纤维、聚已内酯纤维、蚕丝、手术缝合线或其共混物；

4）将韧带支架与骨支架的纤维连接结构进行捆绑连接实现韧带支架与骨支架的初次连接，然后通过编织技术将未与骨支架的纤维连接结构进行捆绑连接的韧带支架进行编织，形成初次连接的韧带-骨复合支架；

5）将韧带材料、水、二氧六环按1：1：9的质量比配制韧带材料溶液，韧带材料为聚乳酸，向制备的韧带材料溶液中加入不同质量的骨支架材料，均匀混合后得到两种骨支架材料质量分数为21.4%和8.3%的复合材料溶液；

6）将用于仿生界面制造的模具和初次连接的韧带-骨复合支架进行固定，然后向初次连接的韧带-骨复合支架界面处逐层灌注复合材料溶液，从骨支架端到韧带支架端，骨支架材料在复合材料溶液内的质量分数逐渐递减，在靠近骨支架端，灌注骨支架材料质量分数为21.4%的复合材料溶液，高度为0.2mm,部分溶液进入骨支架的多孔结构中提高了连接强度，在骨支架与韧带支架连接的中间部分，灌注骨支架材料质量分数为8.3%的复合材料溶液，高度为0.2mm,而在靠近韧带支架端，灌注韧带材料溶液,高度为0.2mm；

7）将灌注好的初次连接的韧带-骨复合支架放入-20℃低温环境下预冻2h，随后放入真空干燥机内冷冻干燥24h，去除用于仿生界面制造的模具，得到具有仿生界面的韧带-骨复合支架。

Claims (3)

1.一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架，包括韧带支架（1）与骨支架（4），其特征在于：韧带支架（1）由生物可降解微纳米纤维编织而成，骨支架（4）为包含纤维连接特征的多孔陶瓷结构，韧带支架（1）与骨支架（4）连接界面为模拟自然韧带-骨界面的多孔非钙化软骨层（2）与钙化软骨层（3）；

韧带-骨复合支架的成形方法包括以下步骤：

1）利用计算机三维辅助设计软件设计出具有内连通管道及纤维连接结构的骨支架模型，以及与骨支架外形匹配的、用于仿生界面制造的模具,通过布尔运算设计出骨支架模型的负型，利用快速成型技术制造出骨支架模型的树脂负型及用于仿生界面制造的模具；

2）配制用于制作骨支架的材料溶液，质量分数为40%-70%，骨支架的材料溶液由骨支架材料、水溶剂、有机单体、分散剂、交联剂、引发剂和催化剂按110-120：60-80：6-8：1-2：1-1.5：0.2-0.75：0.2-0.75的质量比混合组成，骨支架材料为β-磷酸三钙、羟基磷灰石、自固化骨水泥、硅酸钙或其共混物，水溶剂为去离子水，有机单体为丙烯酰胺、甲基-酰氧乙基三甲基氯化钠或己二酸二酰肼，分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酸铵，交联剂为N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二丙酮基丙烯酰胺或二亚苄基丙酮基丙烯酰胺，引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾，催化剂为N,N,N,N-四甲基乙二胺或N,N–二甲基环己胺，然后向骨支架模型的树脂负型内灌注骨支架的材料溶液，真空条件下排出气泡，待材料溶液凝固后，放入-20～-80℃低温环境下预冻2-4h，随后放入真空干燥机内冷冻干燥12-36h，将干燥后的骨支架坯体高温烧结20℃-1550℃，使骨支架模型的树脂负型气化，从而得到包含纤维连接结构的多孔陶瓷骨支架；

3）由生物可降解微纳米纤维编织成韧带支架，生物可降解微纳米纤维材料为聚乳酸纤维、聚乳酸羟基乙酸纤维、聚已内酯纤维、蚕丝、手术缝合线或其共混物；

4）将韧带支架与骨支架的纤维连接结构进行捆绑连接实现韧带支架与骨支架的初次连接，然后通过编织技术将未与骨支架的纤维连接结构进行捆绑连接的韧带支架进行编织，形成初次连接的韧带-骨复合支架；

5）将韧带材料、水、二氧六环按0.5-1.5：0.5-2：6-10的质量比配制韧带材料溶液，韧带材料为聚乳酸、聚乳酸羟基乙酸、聚已内酯、蚕丝、手术缝合线或其共混物，向制备的韧带材料溶液中加入不同质量的骨支架材料，均匀混合后得到两种及两种以上的骨支架材料质量分数介于5%～40%的复合材料溶液；

6）将用于仿生界面制造的模具和初次连接的韧带-骨复合支架进行固定，然后向初次连接的韧带-骨复合支架界面处逐层灌注复合材料溶液，从骨支架端到韧带支架端，骨支架材料在复合材料溶液内的质量分数逐渐递减，在靠近骨支架端，灌注骨支架材料质量分数高的复合材料溶液,高度为0.1-0.5mm，骨支架材料的质量分数范围为20%～40%，在骨支架与韧带支架连接的中间部分，灌注骨支架材料质量分数低的复合材料溶液，高度为0.1-0.5mm,骨支架材料的质量分数范围为5%～20%，而在靠近韧带支架端，灌注韧带材料溶液,高度为0.1-0.5mm；

7）将灌注好的初次连接的韧带-骨复合支架放入-20～-80℃低温环境下预冻2-4h，随后放入真空干燥机内冷冻干燥12-36h，去除用于仿生界面制造的模具，得到具有仿生界面的韧带-骨复合支架。

2.根据权利要求1所述的一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架，其特征在于：由生物可降解微纳米纤维编织成韧带支架（1）中，生物可降解微纳米纤维材料为聚乳酸纤维、聚乳酸羟基乙酸纤维、聚已内酯纤维、蚕丝、手术缝合线或其共混物。

3.根据权利要求1所述的一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架，其特征在于：配制用于制作骨支架（4）的材料溶液，质量分数为40%-70%，骨支架的材料溶液由骨支架材料、水溶剂、有机单体、分散剂、交联剂、引发剂和催化剂按110-120：60-80：6-8：1-2：1-1.5：0.2-0.75：0.2-0.75的质量比混合组成，骨支架材料为β-磷酸三钙、羟基磷灰石、自固化骨水泥、硅酸钙或其共混物，水溶剂为去离子水，有机单体为丙烯酰胺、甲基-酰氧乙基三甲基氯化钠或己二酸二酰肼，分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酸铵，交联剂为N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二丙酮基丙烯酰胺或二亚苄基丙酮基丙烯酰胺，引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾，催化剂为N,N,N,N-四甲基乙二胺或N,N–二甲基环己胺。