CN103120806A - 一种基于pva水凝胶软骨支架的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PVA水凝胶软骨支架的制备方法，属于生物组织工程领域。该方法首先建立软骨支架的CAD模型，并据此以羟基磷灰石微球为基体材料，通过三维打印机打印出软骨成型模具；利用分子动力学计算出不同PVA百分含量的PVA水凝胶的力学性能，找出符合要求的配比，并以此数据指导实践，将其与适量的成骨细胞均匀混合来调制出含有成骨细胞的PVA水凝胶，然后在模具里填充含有成骨细胞的PVA水凝凝胶，最后连接到体外动态灌流系统平台中，对其进行培养，最后在软骨支架成型后将其从模具中取出使用。本方法实现了零污染的支架制备，缩短了制备周期，可以实现模具具有一定的空隙结构，便于支架灌流培养过程中营养物质、细胞代谢产物的流通与排泄。

Description

一种基于PVA水凝胶软骨支架的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种医用材料，具体涉及一种医用的可降解、可吸收的软骨制备方法，其具体涉及到组织工程化软骨细胞移植及其制备方法，属于生物组织工程领域。

背景技术：

由于疾病、衰老、事故和战争等导致的软骨缺损常见于媒体和临床病例中，特别是对于体育运动员来说，软骨缺损极有可能导致其过早结束自己的运动员生涯，严重的更可能对其以后的正常生活造成影响。因此软骨修复问题刻不容缓，解决软骨缺损这一问题最有效的方法是对缺损软骨位进行人工替代。但软骨的再生是面临的一大难题，目前临床上主要用骨膜或不可降解或可降解的生物材料来修复，但是这些治疗方法都有其固有的缺陷。如降解产物对机体的不良反应，不可降解的材料引起机体的排异反应和远期效果不好等。当今应用的多是利用高分子材料支架传递软骨细胞修复软骨缺损，但是医用高分子材料昂贵且其降解产物对组织有破坏性，所以，生物组织工程中对软骨支架的制备一般是采用水凝胶，而PVA水凝胶的使用最为广泛，因为PVA水凝胶除了具备一般水凝胶的性能外，特别具有毒性低、机械性能优良（高弹性模量和高的机械强度）、吸水量高和生物相容性好等优点,因而备受青睐。但软骨支架的制备技术还存在很大的难题——不能保证软骨支架在培养过程中，成骨细胞按临床所需的生长方向进行生长。目前也有在软骨支架培养过程中添加诱导因子来诱导软骨细胞的生长方向，但这一过程过于复杂，不好控制。对此我们提出了一种利用羟基磷灰石生物材料制备模具，来控制成骨细胞在软骨支架培养过程中的生长方向，从而实现了对软骨支架外形的可控，但与此同时，支架在培养完成后，需要对其进行脱模处理，这又引入了另外一个问题——在脱模过程中，由于软骨支架材料PVA水凝胶与羟基磷灰石模具存在一定的粘附力，因此在脱模过程中很可能会对培养所得的软骨支架产生破坏,同时所制备出来的软骨支架在力学性能方面也不一定满足人体需求。所以我们很有必要从分子角度对PVA水凝胶的力学性能进行计算，探索出在满足支架不被破坏和满足一定力学性能的前提下，PVA水凝胶中PVA所占的百分比，从而以此来指导实践。基于实现软骨支架的力学性能以及其微结构，外形的可控性，本发明提出了一种基于PVA水凝胶软骨的制备方法。

发明内容：

本发明是为了提供一种以PVA水凝胶为载体材料，采用羟基磷灰石模具来制备具有良好生物相容性和相互相通的细胞组织容纳的空间，同时又具备生物力学性能、外形结构可控的软骨组织工程支架。

为了达到发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于PVA水凝胶软骨支架的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、软骨支架模具的制备，包括如下子步骤：

子步骤1：建立模具的三维CAD模型，将其从下至上顺序分割成间距为Δh的二维截面图形N份，第i份截面图形面积为A_i，其中Δh的大小为多孔生物陶瓷微球的直径；

子步骤2：将子步骤1中输出的N份二维截面图形导入三维打印机，并将生物胶黏剂装入三维打印机的储液腔；

子步骤3：i＝1，启动三维打印机；

子步骤4：在成型工作台上均匀的铺上第i层多孔生物陶瓷微球；

子步骤5：把第i层生物胶黏剂喷洒到第i层多孔生物陶瓷微球上；形成第i层；

子步骤6：判断i值，如果i＜N,则i＝i+1，进入子步骤4；否则，进入子步骤7；

子步骤7：支架模具制作完毕，取出模具，将支架模具放入到医用消毒酒精中浸泡，然后水洗，晾干，此时得到的是一种微孔结构的软骨骨支架模具；

步骤二、运用分子动力学进行数值计算：

运用分子动力学来计算不同PVA百分含量PVA水凝胶的力学性能，从而探索出满足生物力学性能要求的PVA水凝胶的配比；

步骤三、PVA水凝胶及其与成骨细胞的混合体的配备：

按分步骤二所得参数，配制一定浓度的PVA溶液，加热90℃恒温水浴溶解，60℃烘箱恒温去泡。待溶液澄清后转入容器内，将其置于常温下冷却至室温，而后将软骨细胞及软骨生长因子（CDGF）放置于水凝胶中均匀混合，并将该混合液填充满步骤一制得的软骨骨支架模具，最后连同模具一同放置于紫外线光照环境下进行交联成型。

步骤四：支架培养：

将步骤三制成的填充满含有成骨细胞、软骨生长因子的PVA水凝胶置于动态灌流系统平台进行培养,细胞培养液为高糖DMEM培养液，每100ml培养液中添加有10ml胎牛血清、29.2mg谷氨酰胺和10mg青霉素/链霉素；数周后将其取出，得到PVA水凝胶软骨支架。

本发明的有益效果主要体现在：

1）本发明的软骨支架保证了支架的一次成型，不必考虑结构负型的去除，同时所采用的基体材料为PVA水凝胶，该水凝胶具有良好的柔软性、弹性、储液能力和生物相容性，从而对支架实现了零污染的制备

2)本发明运用了分支动力学数值运算，从分子的微观角度考计算了不同浓度PVA水凝胶的力学性能，从而实现了软骨支架力学性能的可控性，避免了支架在脱模过程中北破坏，为实践提供了参数指导，缩短了软骨支架的制备周期，避免了不必要的浪费。

3)本发明采用了三维打印机制备软骨支架的模具，并以其来约束软骨支架成骨细胞的生长方向，实现了软骨支架外形的可控，同时模具以羟基磷灰石微球为基体材料，可以实现模具具有一定的空隙结构，便于支架灌流培养过程中营养物质、细胞代谢产物的流通与排泄。

4)该发明还可以与PLA、PGA等其他力学性能优异但生物性能较差的生物材料复合，组成生物力学性能和生物学性能都很优异的支架系统。

该方法首先是建立软骨支架的CAD模型，并据此模型设计的成型模具，以羟基磷灰石微球为基体材料，通过三维打印机打印出软骨成型模具；利用分子动力学计算出不同PVA百分含量的PVA水凝胶的力学性能，找出符合要求的配比，并以此数据指导实践，将其与适量的成骨细胞均匀混合来调制出含有成骨细胞的PVA水凝胶，然后在模具里填充含有成骨细胞的PVA水凝凝胶，最后连接到体外动态灌流系统平台中，对其进行培养，最后在软骨支架成型后将其从模具中取出使用。

附图说明：

图1是实施例中制备出来的半月板软骨支架照片

具体实施实例：

本发明以半月板软骨支架的制备为例，来详述该方法的制备过程：

步骤一、半月板软骨支架模具的制备，包括如下子步骤：

子步骤1：根据所需半月板外形，建立半月板软骨支架模具的三维CAD模型，将其从下至上顺序分割成间距为Δh的二维截面图形30份，第i份截面图形面积为A_i，其中Δh的大小为多孔生物陶瓷微球的直径d＝0.3mm；

子步骤2：将子步骤1中输出的30份二维截面图形导入三维打印机，并将生物胶黏剂α-氰基丙烯酸正丁酯装入三维打印机的储液腔；

子步骤3：i＝1，启动三维打印机；

子步骤4：在成型工作台上均匀的铺上第i层多孔生物陶瓷微球；

子步骤5：把第i层生物胶黏剂喷洒到第i层多孔生物陶瓷微球上；形成第i层；

子步骤6：判断i值，如果i＜N,则i＝i+1，进入子步骤4；否则，进入子步骤7；

子步骤7：支架模具制作完毕，取出模具，将支架模具放入到医用消毒酒精中浸泡，然后水洗，凉干，此时得到的是一种微孔结构的软骨支架模具；

步骤二、运用分子动力学进行数值计算：

运用分子动力学来计算不同PVA百分含量PVA水凝胶的力学性能，从而探索出满足生物力学性能要求的PVA水凝胶的配比，此处，经计算所得当PVA含量为20%时，所对应的PVA水凝胶弹性模量为0.5Mpa，压缩断裂强度可达25Mpa，足以满足半月板的力学性能需求；

步骤三、PVA水凝胶及其与成骨细胞的混合体的配备：

按步骤二所得参数，配制PVA质量分数为20%的PVA溶液，加热90℃恒温水浴溶解，60℃烘箱恒温去泡。待溶液澄清后，将其置于常温下冷却至室温，而后将具有活性的软骨细胞及生长因子放置于水凝胶中按2：3的体积比均匀混合，其中软骨细胞的细胞密度为8.0×10⁸细胞/ml，软骨生长因子（CDGF）的密度为80μg/ml；而后再将该混合液填充满步骤一所制得的半月板模具；最后连同模具一同放置于紫外线光照环境下进行交联成型。

步骤4、支架培养：将填充满含有成骨细胞/生长因子的PVA水凝胶置于动态灌流系统平台进行培养,细胞培养液为高糖DMEM培养液，其中每100ml培养液中添加有10ml胎牛血清、29.2mg谷氨酰胺和10mg青霉素/链霉素。数周后将其取出，便可可用于病患半月板移植手术。

Claims (1)

1.一种基于PVA水凝胶软骨支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、软骨支架模具的制备，包括如下子步骤：

子步骤1：建立模具的三维CAD模型，将其从下至上顺序分割成间距为Δh的二维截面图形N份，第i份截面图形面积为A_i，其中Δh的大小为多孔生物陶瓷微球的直径；

子步骤2：将子步骤1中输出的N份二维截面图形导入三维打印机，并将生物胶黏剂装入三维打印机的储液腔；

子步骤3：i＝1，启动三维打印机；

子步骤4：在成型工作台上均匀的铺上第i层多孔生物陶瓷微球；

子步骤5：把第i层生物胶黏剂喷洒到第i层多孔生物陶瓷微球上；形成第i层；

子步骤6：判断i值，如果i＜N,则i＝i+1，进入子步骤4；否则，进入子步骤7；

子步骤7：支架模具制作完毕，取出模具，将支架模具放入到医用消毒酒精中浸泡，然后水洗，晾干，此时得到的是一种微孔结构的软骨骨支架模具；

步骤二、运用分子动力学进行数值计算：

运用分子动力学计算不同PVA百分含量PVA水凝胶的力学性能，从而探索出满足生物力学性能要求的PVA水凝胶的配比；

步骤三、PVA水凝胶及其与成骨细胞的混合体的配备：

按分步骤二所得参数，配制一定浓度的PVA溶液，加热90℃恒温水浴溶解，60℃烘箱恒温去泡。待溶液澄清后转入容器内，将其置于常温下冷却至室温，而后将软骨细胞及软骨生长因子放置于水凝胶中均匀混合，并将该混合液填充满步骤一制得的软骨骨支架模具，最后连同模具一同放置于紫外线光照环境下进行交联成型；

步骤四：支架培养：

将步骤三制成的填充满含有成骨细胞、软骨生长因子的PVA水凝胶置于动态灌流系统平台进行培养,细胞培养液为高糖DMEM培养液，每100ml培养液中添加有10ml胎牛血清、29.2mg谷氨酰胺和10mg青霉素/链霉素；数周后将其取出，得到PVA水凝胶软骨支架。

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