CN104667350B - 三层一体化复合支架及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三层一体化复合支架及其移植方法。该高仿生支架包括从上至下依次叠加的软骨层、中间过渡层和骨层，其中，软骨层由低浓度壳聚糖构成，中间层由高浓度壳聚糖和金属钛的混合物构成，骨层由金属“钛笼”和自体骨构成。该移植方法使用壳聚糖及金属“钛笼”作为支架材料，制作三层一体化复合支架；在该支架的软骨部分接种自体软骨细胞，体外培养；将该组织块移植入缺损部位前，取自体骨接种于支架的骨部分；最后按照自体骨‑软骨移植术的方式通过压配原理嵌入动物关节软骨缺损区。本发明的中间层起到了阻挡软骨细胞向下长入的作用，“钛笼”部分则起到一个固定自体骨，促进自体骨与宿主骨愈合的作用，从而达到治疗软骨损伤的目的。

Description

三层一体化复合支架及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种复合支架及其制作方法，特别涉及一种三层一体化复合支架及其制作方法，属于关节软骨缺损修复领域。

背景技术

创伤性关节软骨损伤及骨关节炎引起的软骨缺损是临床常见疾患，其有效的治疗一直是临床上亟待解决的难题。近年来国内外众多学者纷纷开展了运用组织工程软骨修复软骨缺损的研究工作。在大量基础研究和动物实验成功的基础上欧美国家在临床上已经获得了初步成功。

虽然应用组织工程软骨修复软骨缺损已经取得了可喜的结果，但在该领域还有很多问题尚待解决。特别是在临床应用中，组织工程软骨移植时固定困难、愈合慢、移植物易脱落、组织工程软骨与宿主软骨之间的整合不良。为了解决上述问题，人们从自体骨软骨移植术(马赛克手术)获得启示，通过在体外构建组织工程骨‐软骨复合组织块来修复软骨缺损，可以解决临床工作中组织工程软骨固定困难、愈合慢和界面整合不良等问题。为此，有学者提出双层一体化支架的概念，Gelinsky等运用矿化I型胶原，透明质酸等材料制作出双层一体化支架，然后接种种子细胞，体外培养出骨‐软骨复合组织块，并修复了软骨缺损，取得了良好的疗效。应用双层一体化支架在一定程度上解决了修复软骨缺损时出现的界面对合困难，技术要求高，界面愈合慢、易分层等问题。但是，随着双层支架研究的深入，有学者发现使用该类支架存在在同一支架上难以种植两种细胞，软骨细胞过度生长和潮线消失(潮线是关节软骨成熟的标志)等问题。

最近，人们提出了多层一体化支架的概念。Mohan等使用单一的PLGA(聚乳酸‐羟基乙酸共聚物)制作孔径呈梯度变化的多层一体化支架，以模拟软骨及软骨下骨的多层结构，能够较好的修复兔关节骨软骨缺损，而且缺损部位的软骨与软骨下骨之间形成了较好的潮线结构。众所周知，由于PLGA的弹性模量与骨的弹性模量相差较大，移植到骨内时易形变，难以达到压配固定。所以，PLGA常用于软骨组织工程，却不适用于骨组织工程。由此可见，使用单一的PLGA并不适用于修复骨软骨复合缺损。

发明内容

针对现有技术中软骨缺损修复领域存在的上述问题，本申请提供一种三层一体化复合支架及其制作方法。本发明通过创建三层一体化复合支架：软骨部分、中间过渡层，其中软骨部分为低密度的壳聚糖，中间过渡层为高密度的壳聚糖和金属钛的混合物。起到了阻挡软骨细胞向下长入的作用，并且通过在“钛笼”中植入自体骨取代了从前骨层种植成骨细胞的过程，解决了同一支架上难以种植两种细胞的难题，从而达到治疗软骨损伤的目的。

本发明的技术方案如下：

一种三层一体化复合支架，包括从上至下依次叠加的软骨层、中间过渡层和骨层，其中，所述软骨层由低浓度壳聚糖构成，所述中间层由高浓度壳聚糖和金属钛的混合物构成，所述骨层由金属“钛笼”和自体骨构成。

作为本发明的进一步改进，所述软骨层厚度为2～4mm，中间过渡层厚度为2mm，骨层厚度为6mm。

作为本发明的进一步改进，所述低浓度壳聚糖浓度为0.5％，高浓度壳聚糖浓度为2％。

作为本发明的进一步改进，所述金属“钛笼”的直径为6mm，孔径为500μm，为一个中空的杯状结构。

作为本发明的进一步改进，所述金属“钛笼”厚度为1.5mm，自体骨埋植部分直径为3mm，支架本身并不包含自体骨，自体骨为后期埋植入体内时取自患者本身。

一种三层一体化复合支架的制作方法，所述金属“钛笼”采用3D打印技术制成，并经过热弧化处理，有利于成骨细胞的附着，具体包括如下步骤：

第一步，进行支架三维孔隙结构设计，根据设计结构在计算机控制下采用金属粉末材料进行金属3D打印制造，形成多孔金属支架，该多孔金属支架呈三维立体网状结构，内部存在有多个孔隙，孔隙的尺寸为300－1500μm，孔隙率为60％－85％；

第二步，将壳聚糖与乙酸溶液混和制备成浓度为1wt％－5wt％的聚合物溶液，并在常温下进行抽真空，去除溶液内残留的气泡；

第三步，将所制备的多孔金属支架放入到与其外形相当的容器内，再将聚合物溶液浇注到该多孔金属支架中，使溶液充满所述多孔金属支架内所有的孔隙，然后进行冷冻。

一种上述三层一体化复合支架的移植方法，采用压配原理嵌入动物关节损伤区，具体包括如下步骤：使用壳聚糖及金属“钛笼”作为支架材料，制作三层一体化复合支架；在该支架的软骨部分接种自体软骨细胞，体外培养；将该组织块移植入缺损部位前，取自体骨接种于支架的骨部分；最后按照自体骨-软骨移植术的方式通过压配原理嵌入动物关节软骨缺损区。

本发明的有益效果如下：

①克服了在一体化复合支架上同时种植两种细胞的困难，获得了更加接近正常生理结构的骨-软骨复合组织块，有效地提高了一体化复合支架修复软骨缺损的成功率；

②虽然软骨细胞大小为5～10μm，但如“迷宫”一般的小孔径中间过渡层(隔离带)，增加了软骨细胞向下迁移的难度，可以有效地限制种子细胞的迁移；

③由于骨层植入了自体松质骨，可以快速形成软骨下骨，提供上层组织工程软骨足够的营养支持，避免软骨细胞的退变；

④操作简单，成本低廉，适合临床推广。

附图说明

图1是三层一体化复合支架侧视图；

图2是三层一体化复合支架剖视图；

图3是三层一体化复合支架试制品；

图4是金属“钛笼”俯视图(为中空结构)。

图中：1、上层；2、中间层；3、下层；4、网状多孔结构底部；5、网状多孔结构；6、自体骨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种三层一体化复合支架的结构如图1和图2所示，包括从上至下依次叠加的软骨层(上层1)、中间过渡层(中间层2)和骨层(下层3)，其中，所述软骨层由低浓度壳聚糖构成，所述中间层由高浓度壳聚糖和金属钛的混合物构成，中间层起到了阻挡软骨细胞向下长入的作用，所述骨层由金属“钛笼”和自体骨构成，“钛笼”部分则起到一个固定自体移植骨和促进移植骨与宿主骨愈合的作用。

作为本发明的优选实施例：

(1)所述软骨层厚度为2～4mm，中间过渡层厚度为2mm，骨层厚度为6mm。

(2)所述低浓度壳聚糖浓度为0.5％，高浓度壳聚糖浓度为2％。

(3)所述金属“钛笼”的直径为6mm，孔径为500微米，为一个中空的杯状结构，采用3D打印技术制成，并经过热弧化处理，有利于成骨细胞的附着，厚度为1.5mm，自体骨埋植部分直径为3mm。支架本身并不包含自体骨，自体骨为后期埋植入体内时取自患者本身。

(4)金属“钛笼”为实验室自己制作，制作方法如下：

第一步，利用CAD软件进行支架三维孔隙结构设计，根据设计结构在计算机控制下采用金属粉末材料进行金属3D打印制造，形成多孔金属支架，该多孔金属支架呈三维立体网状结构(网状多孔结构5)，内部存在有多个孔隙，类似于蜂窝结构，孔隙的尺寸为300－1500μm，孔隙率为60％－85％，网状多孔结构底部4与中间过渡层(中间层2)相衔接；

第二步，将壳聚糖与0.2Mol/L的乙酸溶液混和制备成浓度为1wt％－5wt％的聚合物溶液，并在常温下进行抽真空，去除溶液内残留的气泡；

第三步，将所制备的多孔金属支架放入到与其外形相当的容器内，再将聚合物溶液浇注到该多孔金属支架中，使溶液充满所述多孔金属支架内所有的孔隙，然后进行冷冻。

图3是三层一体化复合支架试制品；图4是金属“钛笼”俯视图(为中空结构)。

本发明的三层一体化复合支架模拟正常生理情况下软骨与软骨下骨的多层结构，其中软骨部分为低密度的壳聚糖，中间过渡层(仿潮线结构)为高密度的壳聚糖和金属钛的混合物，骨部分为金属“钛笼”加自体骨移植的混合物。该结构增加了软骨细胞向下迁移的难度，可以有效的减少种子细胞的迁移，实现损伤软骨细胞的愈合；模拟正常生理情况下软骨与软骨下骨的多层结构；更有利于软骨与软骨下骨之间潮线结构的形成；不影响软骨与骨部分的细胞因子的交换。

本发明的三层一体化复合支架采用压配原理嵌入动物关节损伤区，包括如下步骤：使用壳聚糖及金属“钛笼”作为支架材料，制作三层一体化复合支架。在该支架的软骨部分接种自体软骨细胞，体外培养8周。将该组织块移植入缺损部位前，取自体骨6接种于支架的骨部分，最后按照自体骨-软骨移植术(马赛克)的方式通过压配原理嵌入动物关节软骨缺损区，以期达到修复软骨缺损的目的。

综上所述，本发明公开了一种修复软骨缺损时出现的界面对合困难，技术要求高，界面愈合慢、易分层等问题的新型解决方法。该发明采用三层一体化复合支架代替原有的自体骨软骨移植术、双层化支架。该三层仿生支架分别是：软骨部分、中间过渡层，其中软骨部分为低密度的壳聚糖，中间过渡层为高密度的壳聚糖和金属钛的混合物。该方法中间层起到了阻挡软骨细胞向下长入的作用，“钛笼”部分则起到固定自体移植骨和促进移植骨与宿主骨愈合的作用，从而达到治疗软骨损伤的目的，同时可以解决临床上出现的诸多治疗困难问题。

从上述技术方案的描述可以看出，本发明具备如下优点：

①克服了在一体化复合支架上同时种植两种细胞的困难，获得了更加接近正常生理结构的骨-软骨复合组织块，有效地提高了一体化复合支架修复软骨缺损的成功率；

②虽然软骨细胞大小为5～10μm，但如“迷宫”一般的小孔径中间过渡层(隔离带)，增加了软骨细胞向下迁移的难度，可以有效地限制种子细胞的迁移；

③由于骨层植入了自体松质骨，可以快速形成软骨下骨，提供上层组织工程软骨足够的营养支持，避免软骨细胞的退变；

④操作简单，成本低廉，适合临床推广。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种三层一体化复合支架，其特征在于，包括从上至下依次叠加的软骨层、中间过渡层和骨层，其中，所述软骨层由低浓度壳聚糖构成，所述中间过渡层由高浓度壳聚糖和金属钛的混合物构成，所述骨层由金属“钛笼”和自体骨构成；所述金属“钛笼”的直径为6mm，孔径为500μm，为一个中空的“杯状”结构；所述低浓度壳聚糖浓度为0.5％，高浓度壳聚糖浓度为2％。

2.根据权利要求1所述的三层一体化复合支架，其特征在于，所述软骨层厚度为2～4mm，中间过渡层厚度为2mm，骨层厚度为6mm。

3.根据权利要求1或2所述的三层一体化复合支架，其特征在于，所述金属“钛笼”厚度为1.5mm，自体骨埋植部分直径为3mm，“钛笼”本身并不包含自体骨，自体骨为后期埋植入体内时取自患者本身。

4.一种权利要求1至3中任意一项所述的三层一体化复合支架的制作方法，其特征在于，所述金属“钛笼”采用3D打印技术制成，并经过热弧化处理，有利于成骨细胞的附着，具体包括如下步骤：

第一步，进行支架三维孔隙结构设计，根据设计结构在计算机控制下采用金属粉末材料进行金属3D打印制造，形成多孔金属支架，该多孔金属支架呈三维立体网状结构，内部存在有多个孔隙，孔隙的尺寸为300－1500μm，孔隙率为60％－85％；

第二步，将壳聚糖与乙酸溶液混和制备成浓度为1wt％－5wt％的聚合物溶液，并在常温下进行抽真空，去除溶液内残留的气泡；

第三步，将所制备的多孔金属支架放入到与其外形相当的容器内，再将聚合物溶液浇注到该多孔金属支架中，使溶液充满所述多孔金属支架内所有的孔隙，然后进行冷冻。