CN103315827A - 一种人工韧带及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种人工韧带，由内至外依次包括内芯和外层；所述内芯为臭氧氧化的聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述外层为多聚糖或由含亲水性基团的烯类单体聚合得到的聚合物；所述外层接枝于所述内芯的自由基位点上。其制备方法为：将聚对苯二甲酸乙二醇酯材料的韧带与臭氧反应，得到带有自由基的聚对苯二甲酸乙二醇酯；在惰性气体保护下，将含单体分子的溶液与所述带有自由基的聚对苯二甲酸乙二醇酯进行封闭聚合反应，得到人工韧带。所述人工韧带生物相容性好，植入体内后能够抑制细菌感染，改变黏附在材料表面的蛋白质的构象，减少炎症，促进成纤维细胞的黏附，生长，增殖，提高人工韧带表面的胶原蛋白合成以及新生韧带组织的渗入。

Description

一种人工韧带及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物材料领域，特别涉及一种人工韧带及其制备方法。

背景技术

膝关节前、后交叉韧带断裂使常见的膝关节损伤，通常是由于剧烈的膝关节扭动造成的，治疗不当会导致膝关节不稳，引起膝关节继发性损伤和关节过早退变，从而影响关节的性能。在目前的交叉韧带重建治疗中，人工韧带的使用越来越广泛。其中，LARS人工韧带由法国Laboureau公司开发，于1992年开始用于临床。LARS人工韧带在欧洲是唯一通过牵拉-扭转-屈曲实验的人工韧带产品，其材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯。从2004年8月第一条LARS人工韧带在上海华山医院成功使用至今，每年其正以200%的速度扩展国内市场。但是由于LARS人工韧带属于完全进口，价格不菲，因此我国国产自主人工韧带正处于积极的研发阶段。

目前的人工韧带均以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为原材料。但是，由于聚对苯二甲酸乙二醇酯的分子结构对称，结晶度较高，结构中仅有少量羟基等亲水基团，缺少高极性基团，亲水性和细胞相容性较差，容易使人体产生异物反应从而导致炎症，更严重的炎症后果是必须将人工韧带取出，让病人承受二次手术的痛苦。因此，在制作人工韧带时，需要对PET材料进行表面改性，以提高其与人体组织的相容性。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种人工韧带，该韧带的生物相容性更好。

本发明公开了一种人工韧带，由内至外依次包括内芯和外层；

所述内芯为臭氧氧化的聚对苯二甲酸乙二醇酯；

所述外层为多聚糖或由含亲水性基团的烯类单体聚合得到的聚合物；

所述外层接枝于所述内芯的自由基位点上。

优选的，所述含亲水性基团的烯类单体为丙烯酸，甲基丙烯酸，异丁烯酸甲酯，丙烯酰胺N-苯基磺酸钠，甲基丙烯酰胺N-苯基磺酸钠，苯乙烯磺酸钠和乙二醇甲基丙烯酸酯磷酸盐类中的一种或多种。

优选的，所述多聚糖为葡萄糖、果糖或蔗糖的聚合物。

本发明公开了一种人工韧带的制备方法，包括以下步骤：

（A）将聚对苯二甲酸乙二醇酯材料的韧带与臭氧反应，得到带有自由基的聚对苯二甲酸乙二醇酯；

（B）在惰性气体保护下，将含单体分子的溶液与所述带有自由基的聚对苯二甲酸乙二醇酯进行封闭聚合反应，得到人工韧带；

所述单体分子为糖类化合物或含亲水性基团的烯类单体。

优选的，所述步骤（B）中，所述含单体分子的溶液的质量百分浓度为10～40%。

优选的，所述步骤（B）中，所述含亲水性基团的烯类单体为丙烯酸，甲基丙烯酸，异丁烯酸甲酯，丙烯酰胺N-苯基磺酸钠，甲基丙烯酰胺N-苯基磺酸钠，苯乙烯磺酸钠和乙二醇甲基丙烯酸酯磷酸盐类中的一种或多种。

优选的，所述步骤（B）中，所述糖类化合物为葡萄糖、果糖、蔗糖或多聚糖。

优选的，所述步骤（A）中，所述反应在蒸馏水中进行。

优选的，所述步骤（B）中，所述封闭聚合反应的温度为60～80℃。

优选的，所述步骤（B）中，所述封闭聚合反应的时间为0.5～4小时。

与现有技术相比，本发明的人工韧带以臭氧氧化的聚对苯二甲酸乙二醇酯为内芯，以多聚糖或由含亲水性基团的烯类单体聚合得到的聚合物为外层，所述多聚糖或由含亲水性基团的烯类单体聚合得到的聚合物带有-COO^-，-SO₃ ^-，-PO₃ ^2-等活性基团，属于生物活性分子，其在自由基位点上接枝于聚对苯二甲酸乙二醇酯表面后，增加了聚对苯二甲酸乙二醇酯的生物相容性，植入体内后能够抑制细菌感染，改变黏附在材料表面的蛋白质的构象，减少炎症，促进韧带成纤维细胞的黏附，生长，增殖，提高人工韧带表面的胶原蛋白合成以及新生韧带组织的渗入。

附图说明

图1为实施例1制备的人工韧带的X射线光电子能谱；

图2为实施例1～2得到的人工韧带的力学性能柱形图；

图3为改性PET作为人工韧带植入羊模型体内一年后的电子显微图片。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种人工韧带，由内至外依次包括内芯和外层；

所述内芯为臭氧氧化的聚对苯二甲酸乙二醇酯；

所述外层为生物活性分子；

所述生物活性分子为多聚糖或由含亲水性基团的烯类单体聚合得到的聚合物；

所述外层接枝于所述内芯的自由基位点上。

本发明的人工韧带以臭氧氧化的聚对苯二甲酸乙二醇酯为内芯，在其表面接枝生物活性分子作为外层，以增加聚对苯二甲酸乙二醇酯的生物相容性。

在本发明中，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯为人工韧带的主要材料，其经臭氧氧化后作为人工韧带的内芯。本发明对所述聚对苯二甲酸乙二醇酯的来源没有特殊限制，市购的医用聚对苯二甲酸乙二醇酯即可。所述臭氧氧化的聚对苯二甲酸乙二醇酯的制备方法为：将聚对苯二甲酸乙二醇酯与臭氧反应，得到臭氧氧化的聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述反应优选在蒸馏水中进行。所述臭氧激活了PET的表面，使PET表面带有自由基。

在本发明中，所述外层为多聚糖或由含亲水性基团的烯类单体聚合得到的聚合物。所述外层接枝于所述内芯的自由基位点上。所述多聚糖或由含不饱和键的烯类单体聚合得到的聚合物带有-COO^-，-SO₃ ^-，-PO₃ ^2-等活性基团，均为生物活性分子，其在自由基位点上接枝于聚对苯二甲酸乙二醇酯表面后，增加了聚对苯二甲酸乙二醇酯的生物相容性，植入体内后能够抑制细菌感染，改变黏附在材料表面的蛋白质的构象，减少炎症，促进韧带成纤维细胞的黏附，生长，增殖。所述含亲水性基团的烯类单体优选为丙烯酸，甲基丙烯酸，异丁烯酸甲酯，丙烯酰胺N-苯基磺酸钠，甲基丙烯酰胺N-苯基磺酸钠，苯乙烯磺酸钠和乙二醇甲基丙烯酸酯磷酸盐类中的一种或多种。所述多聚糖优选为葡萄糖、果糖或蔗糖的聚合物。

本发明还公开了一种人工韧带的制备方法，包括以下步骤：

（A）将聚对苯二甲酸乙二醇酯材料的韧带与臭氧反应，得到带有自由基的聚对苯二甲酸乙二醇酯；

（B）在惰性气体保护下，将含单体分子的溶液所述带有自由基的聚对苯二甲酸乙二醇酯进行封闭聚合反应，得到人工韧带；

所述单体分子为糖类化合物或含亲水性基团的烯类单体。

本发明中，以聚对苯二甲酸乙二醇酯材料的韧带为原料，对其进行改性，得到生物相容性更好的人工韧带。本发明对所述聚对苯二甲酸乙二醇酯材料的韧带的来源没有特殊限制，由市场购买即可。

在本发明中，首先将聚对苯二甲酸乙二醇酯材料的韧带与臭氧反应，臭氧激活PET材料的表面，使其表面带有丰富的自由基，得到带有自由基的聚对苯二甲酸乙二醇酯。所述反应优选在蒸馏水中进行，所述反应的时间优选为5～20分钟，更优选为10～15分钟。本发明对所述反应的温度没有特殊限制，室温即可。

得到带有自由基的聚对苯二甲酸乙二醇酯后，将所述带有自由基的聚对苯二甲酸乙二醇酯与单体分子的溶液进行封闭聚合反应，即完成改性。所述单体分子为糖类化合物或含亲水性基团的烯类单体，所述自由基攻击所述单体分子碳链上的不饱和键，使所述单体分子在自由基的位点上发生聚合，从而完成在PET表面的游离自由基引发的封闭聚合反应。所述单体分子带有-COO^-，-SO₃ ^-，-PO₃ ^2-等活性基团，其在PET表面聚合后，PET表面也带有了上述的活性基团，植入体内后能够抑制细菌感染，改变黏附在材料表面的蛋白质的构象，减少炎症，促进细胞的黏附，生长，增殖，有效改善了PET的生物相容性。所述单体分子可以是单一类型发生封闭聚合反应，也可以是多种类型的单体分子一起发生封闭聚合反应。所述含亲水性基团的烯类单体优选为丙烯酸，甲基丙烯酸，异丁烯酸甲酯，丙烯酰胺N-苯基磺酸钠，甲基丙烯酰胺N-苯基磺酸钠，苯乙烯磺酸钠和乙二醇甲基丙烯酸酯磷酸盐类中的一种或多种。所述糖类化合物优选为葡萄糖、果糖、蔗糖或多聚糖。

在进行封闭聚合反应前，优选的还包括对所述单体分子进行纯化。本发明对所述纯化的方法没有特殊限制，本领域技术人员可根据不同的单体分子选择不同的常规方法。所述封闭聚合反应在惰性气体保护下的单体分子的溶液中进行，所述含单体分子的溶液优选将单体分子溶于蒸馏水制的，所述含单体分子的溶液的质量百分浓度优选为10～40%，更优选为15～30%。所述惰性气体优选为氩气。所述封闭聚合反应的温度优选为60～80℃，更优选为65～75℃。所述封闭聚合反应的时间优选为0.5～2小时，更优选为1～1.5小时。

所述封闭聚合反应结束后，即得到人工韧带。所述人工韧带的制备方法对于PET材料表面的聚合物链长没有特殊限制，得到接枝有聚合物的PET韧带即可。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的人工韧带及其制备方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

将20克苯乙烯磺酸钠加入100毫升的水与乙醇的混合溶液，水与乙醇的体积比为1：9，70℃加热，待苯乙烯磺酸钠溶解后将溶液过滤，滤液放置4度冰箱过夜，待晶体析出后，过滤烘干待用。

将需要处理的PET材料的韧带放入200毫升蒸馏水中，开启氧气瓶（0.6L/每分钟），通过臭氧生成器，将臭氧（O³）导入蒸馏水中，共反应10分钟。

将重结晶后的苯乙烯磺酸钠晶体配成质量百分浓度为15%的溶液，通入氩气赶出溶液中的氧气，加入臭氧化后的PET材料于70℃直接封闭聚合反应1个小时，得到人工韧带。

利用比色法对得到的人工韧带进行测定，所述人工韧带与浓度为0.5mM，pH=10的甲苯胺蓝在30℃共培养6个小时，用1mM的氢氧化钠溶液大量洗涤后，置于50%的乙酸溶液中过夜培养，乙酸溶液在633纳米波长下读取吸收值，根据公式换算成聚合分子的浓度在平均4.7微摩尔每克PET。

对得到的人工韧带进行X射线光电子能谱分析（XPS），结果参见图1，图1为实施例1制备的人工韧带的X射线光电子能谱，图1中，(A)为未改性的PET表面的C1s图谱，(B)为改性后PET表面的C1s图谱。由图1可知，C-C比例的增加，C-O，O=C-O比例的减少，说明C链的衍生。

利用示差扫描量热法（DSC）对得到的人工韧带进行分析，结果表明，所述人工韧带的热转变不发生变化。

对得到的人工韧带进行力学性能测试，结果参见图2，图2为实施例1～2得到的人工韧带的力学性能柱形图。

对得到的人工韧带进行体外生物学评估，体外生物学的评估显示，首先这些表面的活性大分子，没有细胞毒性，人韧带成纤维细胞原代培养后，分布均匀，生长快速，胶原蛋白的合成显著提高，靶向基因的表达也显著比对比组提高。所述人工韧带移植入羊体内后，1年内的追踪结果显示，对比对照组，新韧带控制了炎症，韧带组织渗入均匀，生物力学评估良好。羊体内移植1年后，人工韧带被取出，从电子显微镜照片，韧带组织很均匀的渗入包裹每一条人工韧带纤维。具体结果参见图3，图3为改性PET作为人工韧带后植入羊模型体内一年后的电子显微图片。由图3可知，本发明制备的人工韧带生物相容性好。

实施例2

将20克苯乙烯磺酸钠加入100毫升的水与乙醇的混合溶液，水与乙醇的体积比为1：9，70℃加热，待苯乙烯磺酸钠溶解后将溶液过滤，滤液放置4度冰箱过夜，待晶体析出后，过滤烘干待用。

将需要处理的PET材料的人工韧带放入200毫升蒸馏水中，开启氧气瓶（0.6L/每分钟），通过臭氧生成器，将臭氧（O³）导入蒸馏水中，共反应10分钟。

将重结晶后的苯乙烯磺酸钠晶体配成质量百分浓度为15%的溶液，通入氩气赶出溶液中的氧气，加入臭氧化后的PET材料于70℃直接封闭聚合反应3个小时，得到人工韧带。

对得到的人工韧带进行X射线光电子能谱分析（XPS），结果参见表1。

表1 实施例1～2得到的人工韧带的X射线光电子能谱分析表

表1结果表明，C-C比例的增加，C-O，O=C-O比例的减少，说明C链的衍生。

表2实施例1～2得到的人工韧带的原子组成分析

表2结果表明，得到人工韧带表面出现S等元素，由此可知，PET表面接枝了聚合物。

对得到的人工韧带进行力学性能测试，结果参见图2，图2为实施例1～2得到的人工韧带的力学性能柱形图。图2中，A为未处理的医用PET的抗力强度，B为实施例1得到的人工韧带的抗力强度，C为得到的人工韧带的抗力强度。由图2可知，未处理医用PET的抗断力为115牛顿，1小时聚合后是113.766牛顿，3小时聚合后是122牛顿，没有显著性差异，由此可知，对人工韧带表面的接枝聚合反应不影响PET材料的抗断力属性。

实施例2

将购买的商业产品甲基丙烯酸（MA）通过蒸馏，得到纯化后的甲基丙烯酸，避光氩气下保存在4度冰箱。

将需要处理的PET材料的韧带放入200毫升蒸馏水中，开启氧气瓶（0.6L/每分钟），通过臭氧生成器，将臭氧（O³）导入蒸馏水中，共反应10分钟。

将纯化后的甲基丙烯酸配成质量百分浓度为30%的溶液，通入氩气赶出溶液中的氧气，加入臭氧化后的PET材料于70℃直接封闭聚合反应1个小时，得到人工韧带。

实施例3

将20克苯乙烯磺酸钠加入100毫升的水与乙醇的混合溶液，水与乙醇的体积比为1：9，70℃加热，待苯乙烯磺酸钠溶解后将溶液过滤，滤液放置4度冰箱过夜，待晶体析出后，过滤烘干待用。

将甲基丙烯酸（MA）通过蒸馏，得到纯化后的甲基丙烯酸，避光氩气下保存在4度冰箱。

将需要处理的PET材料的韧带放入200毫升蒸馏水中，开启氧气瓶（0.6L/每分钟），通过臭氧生成器，将臭氧（O³）导入蒸馏水中，共反应10分钟。

将重结晶后的苯乙烯磺酸钠晶体与纯化后的甲基丙烯酸按照质量比80：20配置成质量百分浓度为15%的溶液，通入氩气赶出溶液中的氧气，加入臭氧化后的PET材料于70℃直接封闭聚合反应1个小时，得到人工韧带。

实施例4

将20克苯乙烯磺酸钠加入100毫升的水与乙醇的混合溶液，水与乙醇的体积比为1：9，70℃加热，待苯乙烯磺酸钠溶解后将溶液过滤，滤液放置4度冰箱过夜，待晶体析出后，过滤烘干待用。

将甲基丙烯酸（MA）通过蒸馏，得到纯化后的甲基丙烯酸，避光氩气下保存在4度冰箱。

将需要处理的PET材料的韧带放入200毫升蒸馏水中，开启氧气瓶（0.6L/每分钟），通过臭氧生成器，将臭氧（O³）导入蒸馏水中，共反应10分钟。

将重结晶后的苯乙烯磺酸钠晶体与纯化后的甲基丙烯酸按照质量比50：50配置成质量百分浓度为15%的溶液，通入氩气赶出溶液中的氧气，加入臭氧化后的PET材料于70℃直接封闭聚合反应1个小时，得到人工韧带。

实施例5

将20克苯乙烯磺酸钠加入100毫升的水与乙醇的混合溶液，水与乙醇的体积比为1：9，70℃加热，待苯乙烯磺酸钠溶解后将溶液过滤，滤液放置4度冰箱过夜，待晶体析出后，过滤烘干待用。

将甲基丙烯酸（MA）通过蒸馏，得到纯化后的甲基丙烯酸，避光氩气下保存在4度冰箱。

将需要处理的PET材料的韧带放入200毫升蒸馏水中，开启氧气瓶（0.6L/每分钟），通过臭氧生成器，将臭氧（O³）导入蒸馏水中，共反应10分钟。

将重结晶后的苯乙烯磺酸钠晶体与纯化后的甲基丙烯酸按照质量比20：80配置成质量百分浓度为15%的溶液，通入氩气赶出溶液中的氧气，加入臭氧化后的PET材料于70℃直接封闭聚合反应1个小时，得到人工韧带。

实施例6

将需要处理的PET材料的韧带放入200毫升蒸馏水中，开启氧气瓶（0.6L/每分钟），通过臭氧生成器，将臭氧（O³）导入蒸馏水中，共反应10分钟。

将苯乙烯磺酸钠，甲基丙烯酸，甲基丙烯酸甲酯按照质量比为30：40：30的配置成质量百分浓度为15%的溶液，通入氩气赶出溶液中的氧气，加入臭氧化后的PET材料于65℃直接封闭聚合反应2个小时。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种人工韧带，由内至外依次包括内芯和外层；

所述内芯为臭氧氧化的聚对苯二甲酸乙二醇酯；

所述外层为多聚糖或由含亲水性基团的烯类单体聚合得到的聚合物；

所述外层接枝于所述内芯的自由基位点上。

2.根据权利要求1所述的人工韧带，其特征在于，所述含亲水性基团的烯类单体为丙烯酸，甲基丙烯酸，异丁烯酸甲酯，丙烯酰胺N-苯基磺酸钠，甲基丙烯酰胺N-苯基磺酸钠，苯乙烯磺酸钠和乙二醇甲基丙烯酸酯磷酸盐类中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的人工韧带，其特征在于，所述多聚糖为葡萄糖、果糖或蔗糖的聚合物。

4.一种人工韧带的制备方法，包括以下步骤：

（A）将聚对苯二甲酸乙二醇酯材料的韧带与臭氧反应，得到带有自由基的聚对苯二甲酸乙二醇酯；

（B）在惰性气体保护下，将含单体分子的溶液与所述带有自由基的聚对苯二甲酸乙二醇酯进行封闭聚合反应，得到人工韧带；

所述单体分子为糖类化合物或含亲水性基团的烯类单体。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（B）中，所述含单体分子的溶液的质量百分浓度为10～40%。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（B）中，所述含亲水性基团的烯类单体为丙烯酸，甲基丙烯酸，异丁烯酸甲酯，丙烯酰胺N-苯基磺酸钠，甲基丙烯酰胺N-苯基磺酸钠，苯乙烯磺酸钠和乙二醇甲基丙烯酸酯磷酸盐类中的一种或多种。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（B）中，所述糖类化合物为葡萄糖、果糖、蔗糖或多聚糖。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（A）中，所述反应在蒸馏水中进行。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（B）中，所述封闭聚合反应的温度为60～80℃。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（B）中，所述封闭聚合反应的时间为0.5～4小时。

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