CN103536964A - 一种同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法。其制备方法是：基于低温沉积制造技术，采用气动式供料的同轴喷头结构，分别在以明胶为壳层材料和以β-磷酸三钙与海藻酸钠为芯层材料的料筒内施加气压，使壳层溶液和芯层溶液从两个同轴但不同直径的喷嘴中挤出，并在低温成形室中沉积在三自由度的运动接收板上，依次叠加得到具有三维贯通孔隙结构的骨组织工程支架，然后经过冷冻干燥处理最终制备出同轴复合结构骨组织工程支架。本发明的制备同轴复合结构骨组织工程支架，能够制备出既满足力学性能要求，又具有良好的骨传导性能和生物相容性的骨组织工程支架。整个制备过程工艺简单、设备成本低廉，对骨组织的修复意义重大。

Description

一种同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法

技术领域

本发明涉及一种同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法，属于生物制造领域。

背景技术

每年全世界因交通事故、自然灾害、疾病等导致骨折和骨损伤患者数以千万计，传统的骨缺损治疗方法有自体骨移植、同种异体骨移植和人工骨移植等。这些方法虽然在实验和临床治疗起到了一定的成果，但均因各种因素使其在临床应用受到一定限制：自体骨移植安全性高，有良好的骨诱导性，但供体来源往往有限，而且手术时间长，并发症多，是一种“以创伤治疗创伤”的方法；同种异体骨移植植入后容易吸收，而且容易感染，排斥反应重；人工骨移植原材料孔隙率变异较大，成骨困难，而且来源有限。相关研究表明，骨组织工程技术是目前解决骨缺损修复最为有效的技术，其核心技术之一是构建骨组织工程支架。

骨组织工程是一个能够提供可行的骨再生替代品的新兴领域，它的核心是制备出由细胞与支架构成的三维贯通的复合结构，是为未完全分化的细胞提供近似体内生长环境和营养，使这些细胞分化成具有特定功能的细胞，最终形成满足人体要求的骨组织。

明胶作为胶原的一种水解产物，其作为支架材料的优点是：（1）来源广泛；（2）价格低廉；（3）生物相容性好；（4）对人体无毒无抗原（无抗原性）；（5）对人体和环境无害；（6）亲水性基团多，容易成形。采用明胶作为支架材料，可以用来模拟骨组织细胞外基质（ECM），以提高支架的亲水性，从而提高细胞粘附、爬入、增殖、分化等能力；然而，明胶也有着机械强度不足、力学性能差等缺点。海藻酸钠作为一种具有良好的生物降解性和生物相容性，以及良好的机械性能的生物材料，被广泛应用于组织工程领域，包括再生的皮肤、骨、软骨等。钙磷陶瓷类材料如β-磷酸三钙（β-TCP）由于其化学组成元素与骨无机物成分相似，可作为骨修复及再生的良好替代物；同时β-TCP具有良好的骨传导性能和生物相容性，植入动物体内后，骨与材料能直接融合，并可提高支架的强度；但由于其脆性大，韧性较差，难以成形，且不易吸收或降解速率与新骨形成不相匹配，应用受到限制。可见，单一材料往往无法满足组织工程对支架的所有要求。因此，为了使制备的骨组织工程支架既满足力学性能，又具有良好的生物相容性，制造出一款同时满足两种要求的骨组织工程支架至关重要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有骨组织工程支架在制备技术方面的不足，提出一种基于低温沉积制造技术，且采用气动式供料装置的同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明提出的同轴复合结构骨组织工程支架，采用同轴结构的喷头装置制备出一种核-壳结构的三维贯通骨组织工程支架，制备出的骨组织工程支架既满足力学性能要求，又具有良好的骨传导性能和生物相容性，且具有一定的材料梯度与结构梯度，提高了细胞在支架表面粘附、增殖和分化能力，有利于骨组织的修复。

根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：

一种同轴复合结构组织工程支架的制备方法，其特征在于：基于低温沉积制造技术，且采用气动式供料的同轴喷头机构进行制备，包括如下制备步骤：

1）配制芯层溶液和壳层溶液；

2）将芯层溶液装入芯层料筒（12）中，将壳层溶液装入壳层料筒（11）中；

3）将试验装置置于低温成形室中，开启空气压缩机给芯层、壳层两个料筒（11，12）提供稳定气源，将三自由度的运动接收板（7）的驱动电机上电，运行PLC程序，按照设定好的扫描路径规划往复循环扫描，在三自由度的运动接收板（7）上堆积成形骨组织工程支架；

4）把制备好的骨组织工程支架置于冷冻干燥机中，去除支架中的水分，最终得到同轴复合结构骨组织工程支架。

所述同轴喷头机构包括：密封盖（10）、壳层料筒（11）、芯层料筒（12）、喷嘴转接头（13）、壳层喷嘴（14）、芯层喷嘴（15）和气管接头（16），所述壳层料筒（11）套在芯层料筒（12）之外，该两个料筒（11，12）的上端由密封盖（10）封口，且通过密封盖（10）上安装的气管接头（16）分别接通气源；壳层料筒（11）和芯层料筒（12）的下端有锥形腔体分别通过喷嘴转接头（13）连接壳层喷嘴（14）和芯层喷嘴（15）。

所述步骤1）中的芯层溶液材料为浓度为（19~21）%的β-磷酸三钙与海藻酸钠1:1溶液，壳层溶液材料为浓度（19~21）%的明胶。

所述芯层喷嘴（15）直径为0.3~0.5mm，壳层喷嘴（14）直径为0.9~1.2mm。

所述步骤3）中低温成形室的温度为-30~-10℃，两个料筒（11,12）的气压强度为0.15~0.3MPa。

所述步骤4）骨组织工程支架置于冷冻干燥机中，冷冻温度为-40~-30℃，抽真空为30~60MPa，冷冻干燥30~50h。

本发明与现有技术相比较具有以下突出实质性特点和显著技术进步：

1)        本发明的制备同轴复合结构骨组织工程支架，将机械性能较好的β-磷酸三钙与海藻

酸钠生物材料作为芯层材料，将亲水性较好的明胶生物材料作为壳层材料时，所制备出的支架既满足力学性能的要求，又具有良好的骨传导性能和生物相容性，可以很好的促进细胞的粘附、增殖及分化；

2)        通过合理控制与调节同轴挤出供料装置中的气压调节模块，并结合气压检测模块，

可以实现内外料筒中压力调节的快速响应，从而能够有效调节内外喷嘴中浆料的挤出量，得到具有不同截面大小及不同核-壳层材料配比的纤维，可以制备具有一定材料梯度与结构梯度的骨组织工程支架；

3)        将生物材料与药物或活性因子混合制备的溶液作为芯层材料，将聚合物作为壳层材

料，这样负载于支架纤维芯层的药物或活性因子通过扩散释放和降解释放的方式转移到外环境中，避免了药物或活性因子突释的发生；

4)        本发明提出的同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法具有制备工艺简单、设备成

本低廉，具有十分可观的经济和社会效益。

附图说明

图1为同轴复合结构组织工程支架的供料装置与成形系统示意图。

其中：1.上位机，2.主控制器，3.气压驱动模块，4.气压调节模块，5.气压检测模块，

6.同轴喷头机构，7.三自由度的运动接收板，8核层材料，9.壳层材料。

图2为同轴喷头机构的机械结构示意图。

其中：10.密封盖，11.壳层料筒，12.芯层料筒，13.喷嘴转接头，14.壳层喷嘴，15.芯层喷嘴，16.气管接头。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参考图1和图2，本同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：基于低温沉积制造技术，且采用气动式供料的同轴喷头机构进行制备，包括如下制备步骤：

1）配制芯层溶液和壳层溶液；

2）将芯层溶液装入芯层料筒（12）中，将壳层溶液装入壳层料筒（11）中；

3）将试验装置置于低温成形室中，开启空气压缩机给芯层、壳层两个料筒（11，12）提供稳定气源，将三自由度的运动接收板（7）的驱动电机上电，运行PLC程序，按照设定好的扫描路径规划往复循环扫描，在三自由度的运动接收板（7）上堆积成形骨组织工程支架；

4）把制备好的骨组织工程支架置于冷冻干燥机中，去除支架中的水分，最终得到同轴复合结构骨组织工程支架。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于，所述同轴喷头机构包括：密封盖（10）、壳层料筒（11）、芯层料筒（12）、喷嘴转接头（13）、壳层喷嘴（14）、芯层喷嘴（15）和气管接头（16），所述壳层料筒（11）套在芯层料筒（12）之外，该两个料筒（11，12）的上端由密封盖（10）封口，且通过密封盖（10）上安装的气管接头（16）分别接通气源；壳层料筒（11）和芯层料筒（12）的下端有锥形腔体分别通过喷嘴转接头（13）连接壳层喷嘴（14）和芯层喷嘴（15）。

所述步骤1）中的芯层溶液材料为浓度为（19~21）%的β-磷酸三钙与海藻酸钠1:1溶液，壳层溶液材料为浓度（19~21）%的明胶。

所述芯层喷嘴（15）直径为0.3~0.5mm，壳层喷嘴（14）直径为0.9~1.2mm。

所述步骤3）中低温成形室的温度为-30~-10℃，两个料筒（11,12）的气压强度为0.15~0.3MPa。

所述步骤4）骨组织工程支架置于冷冻干燥机中，冷冻温度为-40~-30℃，抽真空为30~60MPa，冷冻干燥30~50h。

实施例三：

    本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

1）准确称取10g天然大分子胶原的衍生物—明胶，使其搅拌溶解于去离子水中，配制浓度为（19~21）%的明胶浆料作为壳层材料；并按1:1的比例称取β-磷酸三钙与海藻酸钠各5g粉末，然后均匀混合并溶解于去离子水中，配制浓度为（19~21）%的β-磷酸三钙与海藻酸钠混合溶液作为芯层材料；

2）将浓度为（19~21）%的β-磷酸三钙与海藻酸钠1:1混合溶液装入芯层料筒中，将浓度为（19~21）%的明胶浆料装入壳层料筒中，其中：芯层喷头直径为0.3mm，壳层喷头直径为1.0mm；

3）将试验装置置于-30℃的低温成形室中，开启空气压缩机给芯层、壳层两个料筒提供稳定气源，调节气压调节模块中的调压阀，使上位机实时监视到的芯层料筒压力为0.19MPa，壳层料筒压力0.16MPa，将三自由度的运动接收板的电机上电，扫描间距设为1.5mm，运行PLC程序，按照设定好的扫描路径规划往复循环扫描，最终在三自由度的运动接收板上堆积成形骨组织工程支架；

4）把制备好的骨组织工程支架放入冷冻干燥机中，将冷冻温度设置成-35℃，抽真空为45MPa，冷冻干燥35小时，去除支架中的水分，最终得到同轴复合结构骨组织工程支架。

实施例四：

本实施例与实施例三基本相同，不同之处在于，成形室温度为-25℃，扫描间距为1.7mm，芯层料筒压力为0.18MPa，壳层料筒压力0.16MPa，芯层喷头直径为0.4mm，壳层喷头直径为1.1mm。

实施例五：

本实施例与实施例三基本相同，不同之处在于，成形室温度为-20℃，扫描间距为1.6mm，芯层料筒压力为0.17MPa，壳层料筒压力0.15MPa，芯层喷头直径为0.3mm，壳层喷头直径为1.0mm。

上述只是本发明优选的几种实施方式，但不构成对本发明的限制，只要是采用与本发明等同的技术方案也应当在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：基于低温沉积制造技术，且采用气动式供料的同轴喷头机构进行制备，包括如下制备步骤：

1）配制芯层溶液和壳层溶液；

2）将芯层溶液装入芯层料筒（12）中，将壳层溶液装入壳层料筒（11）中；

3）将试验装置置于低温成形室中，开启空气压缩机给芯层、壳层两个料筒（11，12）提供稳定气源，将三自由度的运动接收板（7）的驱动电机上电，运行PLC程序，按照设定好的扫描路径规划往复循环扫描，在三自由度的运动接收板（7）上堆积成形骨组织工程支架；

4）把制备好的骨组织工程支架置于冷冻干燥机中，去除支架中的水分，最终得到同轴复合结构骨组织工程支架。

2.按照权利要求1所述的一种同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述同轴喷头机构包括：密封盖（10）、壳层料筒（11）、芯层料筒（12）、喷嘴转接头（13）、壳层喷嘴（14）、芯层喷嘴（15）和气管接头（16），所述壳层料筒（11）套在芯层料筒（12）之外，该两个料筒（11，12）的上端由密封盖（10）封口，且通过密封盖（10）上安装的气管接头（16）分别接通气源；壳层料筒（11）和芯层料筒（12）的下端有锥形腔体分别通过喷嘴转接头（13）连接壳层喷嘴（14）和芯层喷嘴（15）。

3.按照权利要求1所述的一种同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的芯层溶液材料为浓度为（19~21）%的β-磷酸三钙与海藻酸钠1:1溶液，壳层溶液材料为浓度（19~21）%的明胶。

4.按照权利要求2所述的一种同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述芯层喷嘴（15）直径为0.3~0.5mm，壳层喷嘴（14）直径为0.9~1.2mm。

5.按照权利要求1所述的一种同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中低温成形室的温度为-30~-10℃，两个料筒（11,12）的气压强度为0.15~0.3MPa。

6.按照权利要求1所述的一种同轴复合结构骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述步骤4）骨组织工程支架置于冷冻干燥机中，冷冻温度为-40~-30℃，抽真空为30~60MPa，冷冻干燥30~50h。

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