CN108201632B - 一种关节软骨修复用支架 - Google Patents

Abstract

一种关节软骨修复用支架，自上而下依次由多孔高分子材料层和多孔盐层构成。该种支架以仿生为手段，通过合理地设计多孔高分子层、多孔盐层结构，有效地仿生了软骨结构，具有优良的力学性能，实现了良好的力的传递，具有大的比表面积，表面的粗糙度高，有利于贮存更多生长因子，具有良好的渗流特性，并有助于软骨细胞的迁移、寄居、分化、增值，是优良的关节软骨修复用支架。

Description

一种关节软骨修复用支架

技术领域

本发明涉及假体，具体涉及一种关节软骨修复用支架。

背景技术

人体关节软骨具有复杂的多层结构，人体运动时关节软骨承受较大的复杂载荷，当运动时，关节软骨承受的载荷甚至达到人的体重的7-9倍以上，这对关节软骨提出了很高的要求。由创伤和社会老龄化造成的软骨的发病率不断升高，而由于关节软骨没有血管、神经和淋巴系统，直径超过2-4mm的软骨缺损几乎不能完全自我修复，给患者造成很大的痛苦，软骨缺损的修复成为困扰临床治疗的棘手问题。临床上对软骨缺损修复主要采用自体、异体软骨移植和关节假体置换。自体软骨移植由于软骨组织的来源有限，极大地限制了此法在临床上的应用；同种异体软骨移植虽然软骨组织来源充足，但此法存在一定的免疫排斥问题；传统的人工关节置换使用年限短，且随着使用年限的增长，容易产生材料失效、老化等问题。近年来，随着组织工程技术的发展，组织工程化软骨被认为是最有应用前景的软骨修复方法。组织工程软骨修复是以软骨组织修复支架为载体，结合软骨种子细胞、生长因子，通过体内或体外培养构建软骨组织。在这一过程中软骨组织修复支架具有重要作用，它为细胞、组织的重建提供了必要的三维空间和力学支持，起到模拟细胞外基质的作用，具有良好的组织相容性，适合的孔径和孔隙率，利于软骨细胞的增殖和黏附，以及营养物质的渗入和细胞代谢产物的排出。因此需要软骨组织修复支架具有理想的三维微观结构，适合的力学性能，且具有与正常软骨组织相符的宏观形貌。国内外已经用组织工程技术对关节软骨开展了很多研究。

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Development of a cartilage composite utilizing porous tantalum fibrinand rabbit chondrocytes for treatment of cartilage defect（Jamil et al.Journal of Orthopaedic Surgery and Research (2015) 10:27）介绍了用血纤维蛋白做支架载体，培养兔软骨细胞，复合多孔钽，将复合植入体植入鼠背部进行试验，结果表明，促进了软骨细胞增殖与软骨组织形成。

尽管人们开展了不少研究，但关节软骨修复支架的结构仍不合理，未能有效地仿生人体关节软骨，没有软骨各层的功能或功能与天然软骨差别较大，力的传递不够理想，修复、再生效果不佳。

发明内容：

本发明的目的是提供一种结构合理，再生效果好的关节软骨修复用支架。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种关节软骨修复用支架，自上而下依次由多孔高分子材料层、多孔盐层构成。该种结构的材料有效地实现了人工关节软骨仿生，两层复合后能有效地用于仿生软骨结构，其中的多孔结构可使营养液、细胞贮存、传递，保证人工关节软骨进行修复。

进一步说，所述的关节软骨修复用支架，所述多孔盐层为多孔无机盐层或/和多孔有机盐层。

进一步说，所述的关节软骨修复用支架，所述多孔无机盐层为羟基磷灰石层，或磷酸三钙层，成分越接近钙化层组织，它与其他多孔材料层复合后的结构将更有利于人工关节修复。

进一步说，所述的关节软骨修复用支架，所述多孔高分子材料层为凝胶状高分子材料，它越接近软骨组织与性能，它与其他多孔材料层复合后的结构将更有利于人工关节修复。

进一步说，所述的关节软骨修复用支架，所述多孔高分子材料层的多孔高分子材料为多级孔材料，材料本体是以材料孔径大小进行分级的孔腔，及围绕形成孔腔的腔壁构成，呈三维空间围绕构成上级大孔腔的腔壁上设置下级小孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通，该种结构大大增大了材料的比表面积，增大了材料表面的粗糙度，有利于贮存更多生长因子，有利于软骨细胞的寄居、增值、分化。

进一步说，所述的关节软骨修复用支架，所述多孔盐层的孔径为3μm -10μm，该种结构的多孔盐层与其他多孔材料层复合的设置可以使人工关节修复用材料具有较好的渗流特性，一方面可使骨髓中的细胞、营养液等通过，同时一定程度上隔绝软骨与软骨下骨，使受力时关节腔的液体压力适度释放缓冲又不下降过多。

进一步说，所述的关节软骨修复用支架，所述多孔高分子材料层分为三层，与所述多孔盐层相连接的底层孔径为10μm-20μm，中间层孔径为3μm-10μm，顶层孔的最大尺寸不大于5μm，该种结构的多孔高分子材料层与其他多孔材料层复合后，可以有效地仿生软骨和软骨下骨结构特别有助于实现软骨再生，如从细胞生长角度，有助于软骨细胞寄居、分化、增值；从力学角度，可以用于承受剪切载荷和用于承受法向压力载荷；或者将所述多孔高分子材料层分为两层，与所述多孔盐层相连接的底层的孔径由所述多孔盐层相邻的表面上从10μm-20μm逐渐减小过渡到与顶层相邻的表面上在孔径达到3μm -10μm，顶层孔的孔径最大尺寸不大于5μm，也具有上述多孔高分子材料层分为三层基本相当的效果。

进一步说，所述的关节软骨修复用支架，上述的多孔高分子材料层，不论是三层还是两层，其底层或中间层或者这两层为多级孔材料，有利于贮存更多生长因子，有利于软骨细胞的寄居、增值、分化。

进一步说，所述的关节软骨修复用支架，所述分为三层的高分子材料层中的中间层与底层中至少有一层的孔均为非圆孔，所有非圆孔长轴方向与所述多孔盐层表面垂直，非圆孔长轴与短轴之比不小于1.2，采用该结构的人工关节修复用材料可以使得其中的高分子材料层具有更强的抗压能力；或者分为两层的高分子材料层中的底层的孔均为非圆孔，所有非圆孔长轴方向与所述多孔盐层表面垂直，非圆孔长轴与短轴之比不小于1.2，也能使得其中的高分子材料层具有更强的抗压能力。

进一步说，所述的关节软骨修复用支架，所述分为三层或两层的多孔高分子材料层的顶层由多层高分子材料层构成，且每层厚度为100nm-1μm，

进一步说，所述多孔高分子材料层的顶层由静电纺丝制备而成，具有更加良好的抗磨、抗剪切能力，且再生效果更好。

本发明的有益效果：

本发明提供的关节软骨修复用支架，以仿生为手段，通过合理地设计多孔高分子材料层、多孔盐层的结构，仿生关节软骨结构，使得该软骨修复用材料植入后能承受大的剪切载荷，较强的抗磨能力，具有很强的抗压能力，实现了良好的力的传递，具有优良的力学性能；同时，该关节软骨修复用支架具有大的比表面积，表面的粗糙度高，有利于贮存更多生长因子，有利于软骨细胞的寄居、增值、分化；而且，该关节软骨修复用支架具有良好的渗流特性，其孔径设计既有利于细胞、营养液迁移，又有助于维持关节内的液体具有适当的压力；该人工关节修复用材料的孔径、材料设计又有助于细胞的迁移、寄居、分化、增值，因而它是真正的关节软骨修复、再生材料。

附图说明

下面将结合附图与实施例对本发明作进一步阐述。

图1为本发明关节软骨修复用支架结构示意图。

图2为多级孔材料结构示意图。

图3为图2的A向局部放大图。

图4为实施例4高分子材料层结构示意图。

图5为实施例4高分子材料层顶层静电纺丝层结构示意图。

图6为所述高分子材料层中孔结构中的非圆孔长轴、短轴示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作说明，实施方式以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施方式。

如图1所示为人工关节修复用材料结构示意图，1为多孔高分子材料层，2为多孔盐层。

如图2所示为多级孔材料结构示意图，该多级孔材料为二级孔材料，3为大孔腔，4为大孔腔的腔壁，5为大孔腔的腔壁2上的小孔腔，图3显示的图2的A向局部放大图显示了大孔腔3的腔壁4的横截面，6为其横截面上小孔腔5的腔壁，小孔腔5通过通道7与其他小孔腔贯通，由图可以看出，大孔腔3与小孔腔5也是相互贯通的。

图4为实施例4高分子材料层结构示意图，8为高分子材料层顶层，9为高分子材料层中间层，10 为高分子材料层底层。

如图5为实施例4高分子材料层顶层静电纺丝层结构示意图。11 为丝，12为相邻纺丝层的丝，13为11与12的夹角。

如图6所示为所述高分子材料层中孔结构中的非圆孔长轴、短轴示意图，14为非圆孔，长轴15为非圆孔14内最长的两点连线，长轴15两边各自非圆孔上离长轴最远点绘出的平行线16、17的连接线段为短轴18，短轴18与长轴15垂直。

以下详细给出本发明的实施例：

实施例1

本实施例的关节软骨修复用支架，自上而下依次由多孔高分子材料层1、多孔盐层2构成。多孔高分子材料层1采用聚己内酯，其孔径为3-10μm，孔隙率为60%，厚度为2mm，多孔盐层2为多孔无机盐层，采用多孔羟基磷灰石，其孔径为3μm-5μm，孔隙率为42%，厚度为1mm。该关节软骨修复用支架的制备方法是：以聚己内酯为基体，氯化钠为致孔剂，采用溶媒浇铸法制得多孔高分子材料层，然后用真空冷冻干燥技术在聚己内酯一表面上制备多孔羟基磷灰石层，即制得本实施例的关节软骨修复用支架。

实施例2

本实施例的关节软骨修复用支架与实施例1相似，不同之处为多孔盐层2采用磷酸三钙材料，孔径为5μm-10μm，多孔高分子材料层采用Ⅰ型胶原和海藻酸钠，孔径为3μm -20μm。制备方法是：将Ⅰ型胶原和海藻酸钠制成浆料，然后冷冻干燥制成凝胶状多孔材料作为多孔高分子材料层1，用实施例1相同的制备方法制备多孔磷酸三钙层，即制得本实施例的关节软骨修复用支架。

实施例3

本实施例的关节软骨修复用支架的多孔高分子材料层采用左旋聚乳酸PLLA，该层多孔材料为多级孔材料，其孔腔为两级，第一级孔腔（大孔腔）的孔径为6-20μm，第二级孔腔（小孔腔）位于第一级孔腔（大孔腔）的腔壁上，其孔径为400nm-600nm，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通，多孔高分子材料层厚度为2.5mm，制备方法是：将左旋聚乳酸PLLA与乙酸、400nm-600nm的氯化钠颗粒制成浆料，然后冷冻干燥制成多孔凝胶状材料，然后用热水反复沥滤，形成多级孔结构材料作为多孔高分子材料层1，如图2、图3所示。用有机盐果糖磷酸制成浆料，铺在高分子层上，然后冷冻干燥制成凝胶状多孔材料作为多孔盐层，厚度为1mm，进而制成本实施例的关节软骨修复用支架。

类似地，也可以将多孔高分子材料层制成三级以上的多级孔材料层。

实施例4

本实施例的关节软骨修复用支架，自上而下依次由多孔高分子材料层、多孔盐层构成。多孔高分子材料层分为三层，靠近多孔盐层的底层10采用Ⅱ型胶原和透明质酸，其孔径为10μm-20μm，孔隙率为63%，厚度为1.5mm，中间层9采用Ⅱ型胶原和透明质酸，孔径为3μm-10μm，孔隙率为50%，厚度为1mm，顶层8采用聚乙醇酸，孔的最大尺寸为5μm，孔隙率为40%，厚度为0.5mm。多孔盐层为多孔无机盐层，采用多孔磷酸三钙，其孔径为3μm-6μm，孔隙率为45%，厚度为0.5mm。

该关节软骨修复用支架的制备方法如下：

（1）将Ⅱ型胶原和透明质酸制成浆料，然后冷冻干燥制成凝胶状的多孔高分子材料层底层10。

（2）将Ⅱ型胶原和透明质酸制成浆料铺在多孔高分子材料层底层表面，然后冷冻干燥制成凝胶状的多孔高分子材料层中间层9。

（3）用聚乙醇酸在多孔高分子材料层中间层表面通过静电纺丝制得凝胶状的多孔高分子材料层顶层8，纺丝时，丝的直径控制在100nm，纺丝时，使丝平行，间距为5μm，逐层纺丝，每层丝11的方向与相邻层丝11的方向成的角度13为80°角，参见图5。

（4）用实施例1相同的制备方法制备多孔磷酸三钙层，即制得本实施例的关节软骨修复用支架。

实施例5

本实施例的关节软骨修复用支架与实施例4相似，不同之处为多孔高分子材料层底层为多级孔材料，其孔腔为两级，第一级孔腔（大孔腔）的孔径为10-20μm，第二级孔腔（小孔腔）位于第一级孔腔（大孔腔）的腔壁上，其孔径为600nm-800nm，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。该层制备方法与实施例3相似。

类似地，也可以将多孔高分子材料层中间层做成多级孔材料，或者将多孔高分子材料层底层与中间层均做成多级孔材料。

实施例6

本实施例的关节软骨修复用支架的多孔高分子材料层为底层与顶层两层，底层采用Ⅰ型胶原和硫酸软骨素作为原材料，与多孔盐层相连接的底层的孔径由与多孔盐层相邻的表面上10μm-20μm逐渐减小过渡到与顶层相邻的表面上3μm -10μm，厚度为2.5mm，用低温快速成形技术制备高分子材料层底层，制备方法为：设计多孔高分子材料层底层三维模型，保持-170℃，通过设备的喷嘴将Ⅰ型胶原、硫酸软骨素和乙酸配置的溶液挤出，按照上述底层三维模型逐层堆积成形，然后冷冻干燥制成凝胶状的多孔高分子材料层底层。多孔高分子材料层顶层材料与制备方法与实施例4相同，厚度为0.5mm，多孔盐层采用羟基磷灰石制备，孔径为3μm -10μm，孔隙率为46%，厚度为0.5mm，制备方法与实施例1相同。

实施例7

本实施例的关节软骨修复用支架与实施例6相似，不同之处为多孔高分子材料层底层为多级孔材料，其孔腔为两级，第一级孔腔（大孔腔）孔径为：由与多孔盐层相邻的表面上10μm-20μm逐渐减小过渡到与顶层相邻的表面上3μm -10μm，第二级孔腔（小孔腔）位于第一级孔腔（大孔腔）的腔壁上，其孔径为300nm-600nm，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。该层制备方法与实施例6相似，制备时，在Ⅰ型胶原、硫酸软骨素和乙酸配置的溶液中加入粒径为300 nm-600nm的氯化钠颗粒，多级孔制备方法与实施例3相同。

实施例8

本实施例的关节软骨修复用支架，自上而下依次由多孔高分子材料层、多孔盐层构成。多孔高分子材料层分为三层，靠近多孔盐层的底层采用Ⅳ型胶原和硫酸肝素制成的多孔凝胶状材料，其孔最大尺寸为20μm，孔隙率为52%，厚度为1.3mm，中间层为采用Ⅳ型胶原和硫酸肝素制成的凝胶状多孔材料，其孔最大尺寸为10μm，孔隙率为48%，厚度为1mm，顶层采用血纤维蛋白制成的多孔凝胶状材料，孔的最大尺寸为4μm，孔隙率为44%，厚度为0.5mm。多孔盐层为多孔有机盐层，采用多孔葡糖磷酸，其孔径为6μm-10μm，孔隙率为43%，厚度为1mm。

该关节软骨修复用支架的制备方法如下：

（1）将葡糖磷酸制成溶液，然后冷冻干燥，制成多孔盐层。

（2）用低温快速成形技术制备多孔高分子材料层底层：设计多孔高分子材料层底层三维模型，设计多孔高分子材料层底层的孔为椭球孔，孔均匀分布，相互贯通，孔的长轴与短轴之比为1.2，长轴长度为20μm，所有孔长轴方向与所述多孔盐层表面垂直，将多孔盐层放置在低温快速成形设备的成形室内，保持-165℃，用多孔盐层表面作基底，通过设备的喷嘴将Ⅳ型胶原和硫酸肝素配置的溶液挤出，按照上述底层三维模型逐层堆积成形，然后冷冻干燥制成凝胶状的多孔高分子材料层底层。

（6）用上述（5）类似的方法在多孔高分子材料层底层上制备多孔高分子材料层中间层，设计孔为椭球孔，孔均匀分布，相互贯通，孔的长轴与短轴之比为1.3，长轴长度为10μm。

（7）用血纤维蛋白在多孔高分子材料层中间层表面通过静电纺丝制得凝胶状的多孔高分子材料层顶层，类似实施例4，纺丝时丝的直径取550nm。纺丝完成后即制得本实施例的关节软骨修复用支架。

实施例9

本实施例与实施例8相似，不同之处为多孔盐层用甘油磷酸盐制备，多孔高分子材料层分为二层，底层为聚乙二醇与明胶制成的梯度多孔凝胶状材料，该层与多孔盐层相连接的面的孔的最大尺寸为20μm，其孔的长轴与短轴之比为1.5，逐渐减小过渡到与多孔高分子材料层顶层相连接的面的孔的最大尺寸为10μm，其孔的长轴与短轴之比为1.5，该层制备方法与实施例8相似；多孔高分子材料层顶层用丝素蛋白通过静电纺丝制得凝胶状的多孔高分子材料层，纺丝时丝的直径为1μm，制备方法类似实施例4。

将家犬骨髓基质干细胞培养到第三代后分散于培养液中，接种于上述实施例6的关节软骨修复用支架，培养7天后将其与孔隙率为78%，孔径为400μm-500μm的多孔钽复合后植入家犬胫骨关节的软骨-软骨下骨缺损处14周，通过组织学观察表明，软骨缺损基本得到修复。

Claims (5)

1.一种关节软骨修复用支架，其特征在于：所述支架自上而下依次由多孔高分子材料层和多孔盐层构成；所述多孔高分子材料层的多孔高分子材料为多级孔材料，材料本体是以材料孔径大小进行分级的孔腔，及围绕形成孔腔的腔壁构成，呈三维空间围绕构成上级大孔腔的腔壁上设置下级小孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。

2.如权利要求1所述的关节软骨修复用支架，其特征在于：所述多孔盐层为多孔无机盐层或/和多孔有机盐层。

3.如权利要求2所述的关节软骨修复用支架，其特征在于：所述多孔无机盐层为羟基磷灰石层或磷酸三钙层。

4.如权利要求1或2或3所述的关节软骨修复用支架，其特征在于：所述多孔高分子材料层为凝胶状高分子材料。

5.如权利要求1或2或3所述的关节软骨修复用支架，其特征在于：所述多孔盐层的孔径为3μm -10μm。

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