CN103239300B - 一种具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架及成形方法 - Google Patents

Abstract

一种具有初期自固定功能的韧带-骨仿生架及其成形方法，首先利用计算机设计出骨支架，并利用快速成形技术制备骨支架树脂模型，以骨支架树脂模型为型芯制备骨支架负型的硅橡胶模具；然后利用静电纺丝工艺制备定向有序的纳米纤维薄膜，并卷成具纳米纤维韧带支架；再将韧带支架与骨支架负型配合和定位，向负型模具内依次灌注骨支架材料溶液，得到固有初期自固定功能的骨支架；接着在过渡层灌注混合有骨支架材料、韧带支架材料的复合溶液，形成过渡层；最后在冷冻干燥机内进行后处理，得到具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架；本发明通过改进骨支架的表面结构使其可以与自体骨形成配合，提高了初期的固定的强度及稳定性。

Description

一种具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架及成形方法

技术领域

本发明涉及组织工程支架的生物制造技术领域，具体涉及一种具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架及成形方法。

背景技术

自然韧带是连接骨组织的纤维样结缔组织，对维护关节运动稳定及正常生理活动起着重要的作用。意外伤害常导致韧带发生不可自愈的损伤或断裂，临床上需要采用韧带重建手术来恢复其生理功能。目前韧带重建手术中所使用的自体韧带和异体韧带存在供体来源有限、二次手术伤害、免疫排斥、社会伦理等问题，使用人工韧带来重建韧带功能是未来的发展方向。但现有的人工韧带多从强度方面考虑，而忽略了韧带与自体骨的连接固定，仅通过手术线、医用螺丝与自体骨“机械连接”，难以使自体骨与韧带之间形成牢固的组织融合，长期临床疗效差。因此，模拟自然韧带-骨连接界面设计制造一种可促进多组织再生的韧带-骨仿生支架，初期具有自固定功能，后期通过人工韧带向自然韧带转化、韧带-骨界面及骨组织的再生实现再生韧带与自体骨的长久固定，具有较重要的临床应用价值。

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初期自固定功能的韧带-骨仿生支架及成形方法，该韧带-骨仿生支架的材料具有生物可降解性，在治疗后期可以实现韧带支架向自然韧带转化，韧带-骨界面及骨组织的再生实现再生韧带与自体骨的长期固定。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架，包括韧带支架1、过渡层2及固有初期自固定功能的骨支架3，韧带支架1与骨支架3的连接界面为灌注复合溶液的模拟自然韧带-骨界面的过渡层2结构，韧带支架1由静电纺丝技术纺制的生物可降解微纳米纤维组成，骨支架3为向骨支架负型模具内灌注的骨支架材料溶液凝固而形成的多孔陶瓷，骨支架3表面上设有两个以上的均布的倒三角形结构4，倒三角形结构4使骨支架3与自体骨形成良好的初期自固定；

韧带支架1的制备材料为聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸羟基乙酸、聚乙醇酸或聚已内酯的质量分数为1%～30%的氯仿溶液，或为蚕丝蛋白、胶原、壳聚糖、明胶、海藻酸钠或聚乙烯醇的质量分数为1%～30%的水溶液；骨支架3的材料为β-磷酸三钙、羟基磷灰石或自固化骨水泥生物陶瓷材料与韧带支架材料按7:3的比例混合形成的混合物；过度层2的材料是不同比例的韧带支架材料和骨支架材料混合溶液。

一种具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架的成形方法，具体包括以下步骤：

1)利用计算机三维辅助设计软件设计出具有初期自固定功能的骨支架模型，并用快速成形技术制造出骨支架树脂模型，然后以骨支架树脂模型为型芯，在真空条件下浇注液态硅橡胶，凝固脱模后得到骨支架模型的负型硅橡胶模具，硅橡胶单体与固化剂质量比介于100:1-100:3；

2)配置韧带支架的材料溶液，韧带支架材料溶液为聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸羟基乙酸、聚乙醇酸或聚已内酯的质量分数为1%～30%的氯仿溶液，或为蚕丝蛋白、胶原、壳聚糖、明胶、海藻酸钠或聚乙烯醇的质量分数为1%～30%的水溶液；然后运用静电纺丝技术在电压8-12kV，溶液供给速度在0.6-6ml/h,转鼓转速1000-5000r/min的条件下工作2-6h将韧带支架材料溶液制备成具有定向有序纤维结构的薄膜，最后按垂直于纤维的方向将薄膜卷成韧带支架；

3)配置质量分数为40%-70%的骨支架材料溶液，骨支架材料为β-磷酸三钙、羟基磷灰石或自固化骨水泥生物陶瓷材料与韧带支架材料按7:3的比例混合形成的混合物；然后将韧带支架和硅橡胶模具按照定位装置装配固定，将骨支架溶液灌注到硅橡胶模具内至骨支架部分，固化后形成具有初期自固定功能的骨支架，并与韧带支架形成初步连接；

4)配置过渡层的溶液，首先配置韧带支架材料溶液，韧带材料溶液是聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸羟基乙酸、聚乙醇酸或聚已内酯的质量分数为1%～15%的二氧六环水溶液，或是蚕丝蛋白、胶原、壳聚糖、明胶、海藻酸钠或聚乙烯醇的质量分数2%～20%的水溶液；向制备的韧带支架材料溶液中加入不同质量分数的β-磷酸三钙、羟基磷灰石或自固化骨水泥生物陶瓷材料，均匀混合后得到质量分数为5%～40%的复合材料溶液；

5)向硅橡胶模具内的过渡层部分逐层灌注复合材料溶液，从骨支架端到韧带支架端，生物陶瓷材料在复合材料溶液内的质量分数逐渐递减，在靠近骨支架端的过渡层部分，灌注生物陶瓷材料质量分数高的复合材料溶液，生物陶瓷材料的质量分数范围为20%～40%，在过渡层的中间部分，灌注生物陶瓷材料质量分数较低的复合材料溶液，生物陶瓷材料的质量分数范围为5%～20%，而在靠近韧带支架端的过渡层部分，灌注生物陶瓷材料质量分数最低的复合材料溶液，生物陶瓷材料的质量分数范围为0～5%；每层溶液的厚度为2-4mm；

6)将灌注好的韧带-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，去除硅橡胶模具，得到具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架。

本发明的主要目的是针对韧带-骨支架初期自固定困难的问题，提出了一种具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架的制备工艺。本发明的骨支架外表面是有凹凸结构的粗糙表面，可以使骨支架与自体骨相互嵌入啮合以形成牢固的初期固定，提高了韧带-骨支架与自体骨初期连接时固定的强度及稳定性。骨支架是具有一定的强度和弹性，不仅可以满足骨支架的强度需要，还可以避免骨支架因弹性不足而引起的脆性断裂。韧带-骨支架成形后为一体式结构，没有明显界面而提高了连接强度。该韧带-骨仿生支架的材料具有生物可降解性，在治疗后期可以实现韧带支架向自然韧带转化，韧带-骨界面及骨组织的再生实现再生韧带与自体骨的长期固定。

附图说明

图1为具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架的结构示意图。

图2为倒三角形结构4的均布示意图，图2-1为180°对称分布，图2-2为120°均匀分布，图2-3为90°均匀分布。

图3为韧带支架-骨支架负型模具的定位装置示意图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明做详细描述。

参照图1，一种具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架，包括韧带支架1、过渡层2及固有初期自固定功能的骨支架3，韧带支架1与骨支架3的连接界面为灌注由三种不同比例的β-TCP和丝素混合成的复合溶液的模拟自然韧带-骨界面的过渡层2结构，韧带支架1由静电纺丝技术纺制的丝素定向纤维组成，骨支架3为向骨支架负型模具内灌注的β-TCP溶液凝固而形成的多孔陶瓷，骨支架3表面上设有两个以上的均布的倒三角形结构4，倒三角形结构4使骨支架3与自体骨形成良好的初期自固定。

参照图2，所述的倒三角形结构4的均布方式有三种方式，分别是图2-1所示的180°对称分布，图2-2的120°均匀分布，图2-3的90°均匀分布。

一种具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架的成形方法，具体包括以下步骤：

1)利用计算机三维辅助设计软件设计出具有初期自固定功能的骨支架模型，并用快速成形技术制造出骨支架的树脂模型，其中骨支架的主体为圆柱体，直径为10mm，高度为20mm，为了与自体骨的安装固定，骨支架表面设有倒三角形结构4，其分布方式采用如图2-1所示的180°对称分布方式；然后以骨支架树脂模型为型芯，在真空条件下浇注的液态硅橡胶溶液，凝固脱模后得到骨支架模型的负型硅橡胶模具，硅橡胶单体与固化剂质量比为100:2；

2)配置韧带支架的材料溶液，将50g蚕丝通过在0.02M的Na₂CO₃溶液煮沸0.5-1h脱胶、在9.3M的溴化锂溶液中溶解4h、在透析袋中透析3d和在离心机中离心20min后制得浓缩丝素蛋白溶液，然后和聚氧化乙烯(PEO)溶液混合制得丝素质量分数为6.4%、PEO质量分数为1%的混合溶液，然后运用静电纺丝技术在电压为11kV，溶液供给速度为0.8ml/h，转鼓转速3000r/min的条件下制作4h制得具有定向有序的丝素纳米纤维结构的薄膜，再按垂直于丝素纤维的方向卷成直径为6mm的圆柱形韧带支架；

3)配置质量分数为60%的骨支架溶液，骨支架材料为β-磷酸三钙与丝素蛋白以7:3的比例混合形成的混合物，参照图3，将硅橡胶模具5固定在定位装置的底座8上，纵梁7底部固定在底座8上，纵梁7上部和横梁6的一端连接，韧带支架1通过夹具固定在横梁6上，将骨支架溶液灌注到硅橡胶模具内至骨支架部分，固化后形成具有初期自固定功能的骨支架，并与韧带支架形成初步连接；

4)配置过渡层的溶液，首先配置质量分数为8%的丝素蛋白溶液，然后向配置的丝素蛋白溶液中加入不同质量分数的β-磷酸三钙，均匀混合后得到质量分数为5%，20%和40%的3种复合材料溶液；

5)向硅橡胶模具内的过渡层部分逐层灌注复合材料溶液，从骨支架端到韧带支架端，β-磷酸三钙在复合材料溶液内的质量分数逐渐递减；在靠近骨支架端的过渡层部分，灌注β-磷酸三钙质量分数为40%的复合材料溶液，在过渡层的中间部分，灌注β-磷酸三钙质量分数为20%的复合材料溶液，β-磷酸三钙的质量分数为20%，在靠近韧带支架端的过渡层部分，灌注β-磷酸三钙的质量分数为5%复合材料溶液；每层溶液的厚度为3mm；

6)将灌注好的韧带-骨复合支架放入-80℃低温环境下预冻4h，随后放入真空干燥机内冷冻干燥24h，去除硅橡胶模具，得到具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架。

Claims (1)

1.一种具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架，包括韧带支架(1)、过渡层(2)及固有初期自固定功能的骨支架(3)，其特征在于：韧带支架(1)与骨支架(3)的连接界面为灌注复合溶液的模拟自然韧带-骨界面的过渡层(2)结构，韧带支架(1)由静电纺丝技术纺制的生物可降解微纳米纤维组成，骨支架(3)为向骨支架负型模具内灌注的骨支架材料溶液凝固而形成的多孔陶瓷，骨支架(3)表面上设有两个以上的均布的倒三角形结构(4)，倒三角形结构(4)使骨支架(3)与自体骨形成良好的初期自固定；

韧带支架(1)的制备材料为聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸羟基乙酸、聚乙醇酸或聚已内酯的质量分数为1％～30％的氯仿溶液，或为蚕丝蛋白、胶原、壳聚糖、明胶、海藻酸钠或聚乙烯醇的质量分数为1％～30％的水溶液；骨支架(3)的材料为β-磷酸三钙、羟基磷灰石或自固化骨水泥生物陶瓷材料与韧带支架材料按7:3的比例混合形成的混合物；过度层(2)的材料是不同比例的韧带支架材料和骨支架材料混合溶液；

所述的一种具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架的成形方法，具体包括以下步骤：

1)利用计算机三维辅助设计软件设计出具有初期自固定功能的骨支架模型，并用快速成形技术制造出骨支架树脂模型，然后以骨支架树脂模型为型芯，在真空条件下浇注液态硅橡胶，凝固脱模后得到骨支架模型的负型硅橡胶模具，硅橡胶单体与固化剂质量比介于100:1-100:3；

2)配置韧带支架的材料溶液，韧带支架材料溶液为聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸羟基乙酸、聚乙醇酸或聚已内酯的质量分数为1％～30％的氯仿溶液，或为蚕丝蛋白、胶原、壳聚糖、明胶、海藻酸钠或聚乙烯醇的质量分数为1％～30％的水溶液；然后运用静电纺丝技术在电压8-12kV，溶液供给速度在0.6-6ml/h,转鼓转速1000-5000r/min的条件下工作2-6h将韧带支架材料溶液制备成具有定向有序纤维结构的薄膜，最后按垂直于纤维的方向将薄膜卷成韧带支架；

3)配置质量分数为40％-70％的骨支架材料溶液，骨支架材料为β-磷酸三钙、羟基磷灰石或自固化骨水泥生物陶瓷材料与韧带支架材料按7:3的比例混合形成的混合物；然后将韧带支架和硅橡胶模具按照定位装置装配固定，将骨支架溶液灌注到硅橡胶模具内至骨支架部分，固化后形成具有初期自固定功能的骨支架，并与韧带支架形成初步连接；

4)配置过渡层的溶液，首先配置韧带支架材料溶液，韧带材料溶液是聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸羟基乙酸、聚乙醇酸或聚已内酯的质量分数为1％～15％的二氧六环水溶液，或是蚕丝蛋白、胶原、壳聚糖、明胶、海藻酸钠或聚乙烯醇的质量分数2％～20％的水溶液；向制备的韧带支架材料溶液中加入不同质量分数的β-磷酸三钙、羟基磷灰石或自固化骨水泥生物陶瓷材料，均匀混合后得到质量分数为5％～40％的复合材料溶液；

5)向硅橡胶模具内的过渡层部分逐层灌注复合材料溶液，从骨支架端到韧带支架端，生物陶瓷材料在复合材料溶液内的质量分数逐渐递减，在靠近骨支架端的过渡层部分，灌注生物陶瓷材料质量分数高的复合材料溶液，生物陶瓷材料的质量分数范围为20％～40％，在过渡层的中间部分，灌注生物陶瓷材料质量分数较低的复合材料溶液，生物陶瓷材料的质量分数范围为5％～20％，而在靠近韧带支架端的过渡层部分，灌注生物陶瓷材料质量分数最低的复合材料溶液，生物陶瓷材料的质量分数范围为0～5％；每层溶液的厚度为2-4mm；

6)将灌注好的韧带-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，去除硅橡胶模具，得到具有初期自固定功能的韧带-骨仿生支架。