CN108498870A - 一种完整的生物型人工椎间盘及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于再生完整椎间盘的组织工程生物支架系统，包括髓核支架、纤维环支架、终板支架和外围弹性支撑环；髓核支架位于整个生物支架系统中心，纤维环支架周向围绕髓核支架布置，终板支架沿纤维环支架轴向设置，覆盖纤维环支架两端，外围弹性支撑环周向包覆纤维环支架和终板支架；髓核支架为可生物降解的水凝胶；纤维环支架为可生物降解的弹性膜经同轴缠绕组成的多层结构；终板支架为可生物降解的多孔材料；外围弹性支撑环为可生物降解的无孔弹性环。本发明还提供基于所述生物支架系统再生的完整的生物型人工椎间盘及其制备方法。本发明所述的生物型人工椎间盘具备完整的哺乳动物椎间盘构造，并具有接近天然椎间盘的生物力学性能。

Description

一种完整的生物型人工椎间盘及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物医用材料领域，具体涉及一种全椎间盘再生的组织工程方法及结构系统。
背景技术
腰背痛的主要原因来自于椎间盘的退行变。在临床上，需要用手术的方法切除破裂的椎间盘纤维环以防止对周围神经的压迫出现疼痛。采用金属移植物实现椎间盘融合是优选的方法。但是会让脊柱的灵活性降低，并且会加速临近椎间盘的退行变。
组织工程近年来用于椎间盘再生研究，但是大多数的组织工程方法瞄向椎间盘的一部分，如纤维环(AF)或者髓核(NP)，或者两种的组合，在针对AF的研究方面，Wan Y.等在Biomaterials 2008，29,643-652中采用脱钙胶原基质和合成材料PPCLM制成双向纤维环支架，并在PPCLM接种兔软骨细胞以模仿内层AF结构，获得了接近兔正常纤维环的力学强度；Xu H等在PLoS One 2014，9(1):E86723通过实验证实使用Triton X-100对天然猪椎间盘纤维环脱细胞可获得生物力学性能最接近正常猪纤维环的纤维环支架。在针对NP的研究方面，热点集中于注射型支架及其种子细胞来源的研究。Roughley P等在Biomaterials，2006，27：388-96证实了可注射的壳聚糖/甘油磷酸凝胶作为NP支架能够维持牛NP细胞的生存能力和功能；Richardson SM等在Biomaterials，2008，29：85-93研究认为壳聚糖/甘油磷酸凝胶作为NP支架在不同培养基中可诱导人类MSCs向类NP细胞分化。针对AF和NP两部分的组合研究包括：美国Mizuno课题小组2004年创新性地用聚乙醇酸-聚乳酸材料(PGA/PLLA)制成椭圆形的纤维环外形支架，并种植羊纤维环细胞，其中心部注入以藻酸盐凝胶复合的髓核细胞，从而制成一椎间盘样组织工程化复合物；US20170290953公开的仿生椎间盘包括髓核结构，所述髓核结构包含分泌亲水性蛋白质的第一群活细胞以及围绕并与髓核结构接触的环状纤维化结构，所述环状纤维化结构包含第二群活细胞和I型胶原，由于纤维环结构中的细胞介导的收缩，纤维环结构中的胶原原纤维在髓核周围环绕排列。虽然这些研究不断推动着椎间盘的组织工程再生技术发展，但是都未能涉及完整的椎间盘的组织工程再生。
人体椎间盘包含纤维环、髓核和终板三个部分。此三部分组合成封闭的腔室赋予椎间盘“强而韧”的力学特点。再生装置的用途无论是体外培养还是体内移植，都要充分考虑装置的高机械性能，如耐压、耐弯曲、可以形变以为种子细胞的分化和繁殖提供合适的应力环境。
还必须认识到，原始椎间盘是从胚胎逐步发育而来的，意味着其所经历的应力环境和组织工程椎间盘并不一致，组织工程椎间盘在移植时需要充分考虑其所面临的巨大应力环境。因此再生装置不但要能够有轻微弹性以为组织工程椎间盘的持续修复提供应力环境，而且还要足够强和韧以避免在巨大压力环境下结构破裂或丧失全部或者部分功能。
因此，有必要通过组织工程的再生方法提供一种完整的生物型人工椎间盘结构，其目的不仅是各部分的生物力学性能和组织结构特征接近天然椎间盘，更重要的是保障其在真实应用环境中的再生效果，以及再生后整个椎间盘结构的完整性。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种完整的生物型人工椎间盘，其具备完整的哺乳动物椎间盘构造，并具有接近天然椎间盘的生物力学性能，在体内真实环境和体外仿真环境下都能够获得理想的再生效果。
本发明的另一个目的在于：提供一种基于组织工程方法制备所述生物型人工椎间盘的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
首先，提供一种用于再生完整椎间盘的组织工程生物支架系统，它包括髓核支架、纤维环支架、终板支架和外围弹性支撑环；所述的髓核支架位于整个生物支架系统中心，所述的纤维环支架周向围绕所述的髓核支架布置，所述的终板支架沿所述纤维环支架轴向设置，覆盖所述的纤维环支架两端，所述的外围弹性支撑环周向包覆所述的纤维环支架和终板支架；所述的髓核支架为可生物降解的水凝胶；所述的纤维环支架为可生物降解的弹性膜经同轴缠绕组成的多层结构；所述的终板支架为可生物降解的多孔材料；所述的外围弹性支撑环为可生物降解的无孔弹性环。
本发明所述的生物支架系统中，所述的外围弹性支撑环为所述生物支架系统提供高径向压缩和横向拉伸强度，其弹性支撑力介于1200N～2200N之间，优选1500N～2000N。
所述外围弹性支撑环包括但不限于以下任意一种材料制备的无孔弹性环：聚己内酯聚乙二醇、聚己内酯、聚丙交酯己内酯、聚乙交酯丙交酯己内酯、聚氨酯、聚(苹果酸-1,8-辛二醇酯)、聚(苹果酸-聚己内酯)、聚(丁二酸己二酸丁二醇酯)(PBSA)或聚(己二酸对苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)；本发明优选支化聚己内酯中的任意一种。所述的无孔弹性环可以采用现有的多种方法制备，例如溶液浇筑或者3D成型方法。
本发明所述的生物支架系统中，所述的终板支架和纤维环支架可以作为相应的种子细胞的载体为终板和纤维环的再生分别提供适宜的条件，同时，所述的终板支架与所述的弹性多孔膜纤维环支架充分接触，其材料的多孔或多层特性可以使两者内部微观结构实现相通。
所述终板支架为可生物降解的多孔材料，优选的平均孔径为100-400μm，优选的孔隙率≥30％。制备所述多孔材料优选采用分子量为2,000～400,000的脂肪族聚内酯，更优选含有200～20,000分子量聚乙二醇醚嵌段的脂肪族聚内酯。所述的脂肪族聚内酯包括但不限于：聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA)、丙交酯-己内酯共聚物(PLC)、乙交酯-己内酯共聚物(PGC)、乙交酯-丙交酯-己内酯共聚物(PGLC)、聚丙交酯-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PLA)、聚乙交酯-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PGA)、聚己内酯-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PCL)、聚(丙交酯-乙交酯)-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PLGA)、聚(丙交酯-己内酯)-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PLC)、聚(乙交酯-己内酯)-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PGC)、聚(苹果酸-1,8-辛二醇酯)、聚(苹果酸-聚己内酯)、聚(丁二酸己二酸丁二醇酯)(PBSA)或聚(己二酸对苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)。可用于制备所述终板支架的方法包括但不限于微球烧结法、盐致孔、3d成型、静电纺丝等。
所述的用于制备纤维环支架的可生物降解的弹性膜既可以是多孔的弹性膜，也可以是致密的弹性膜。所述多孔的弹性膜优选的平均孔径为100-400μm，优选的孔隙率≥30％；所述致密的弹性膜厚度优选为2μm～30μm。制备所述弹性膜的原料包括但不限于聚己内酯聚乙二醇、聚己内酯、聚丙交酯己内酯、聚乙交酯丙交酯己内酯、聚氨酯、聚(苹果酸-1,8-辛二醇酯)、聚(苹果酸-聚己内酯)、聚(丁二酸己二酸丁二醇酯)或聚(己二酸对苯二甲酸丁二醇酯)中的任意一种；本发明优选支化聚己内酯中的任意一种。所述纤维环支架可以采用静电纺丝、致孔剂致孔、3D成型等方法获得，其中优选取向结构以达到最佳仿生目的，如采用静电纺丝取向纤维，纤维取向角度在20-45度。
本发明所述的生物支架系统中，所述的可生物降解的水凝胶包括但不限于壳聚糖、聚乙二醇、海藻酸钠、透明质酸或纤维素中的任意一种或其组合。
在此基础上，本发明进一步提供一种完整的生物型人工椎间盘，它是利用本发明所述的生物支架系统负载种子细胞后经定向分化诱导、同步再生髓核、纤维环和终板而得到的全椎间盘；所述再生的纤维环和终板组织紧密结合，形成内置有再生髓核的密封结构，具有生物活性。
本发明所述的人工椎间盘中，所述的种子细胞可以是现有技术中可用于诱导分化再生椎间盘组织的各种细胞，优选间充质干细胞(MSC)、多态潜能干细胞(iPS)等；所述种子细胞可以在本发明所述的生物支架内的髓核支架、纤维环支架和/或终板支架内接种，接种密度约6-10×106个/ml，接种后加入不同的生长因子进行诱导分化，从而得到髓核、纤维环和终板等不同的组成单元。
本发明所述的人工椎间盘是各部分在同一环境下同步再生得到的构造完整的椎间盘，具备完全的生物学功能。本发明的人工椎间盘既可以通过体外的模拟再生环境再生成型后再植入体内，也可以经过定向诱导分化后植入体内进行再生。
本发明还提供制备所述的完整的生物型人工椎间盘的方法，包括：
1)制备1份可生物降解的水凝胶A备用；
2)制备1份可生物降解的弹性膜，并将所述的弹性膜经同轴缠绕组成多层结构的环状体B；
3)制备2份可生物降解的多孔材料C；
4)制备1份可生物降解的无孔弹性环状材料D，所述的D高度是步骤2)制备的B的1.2～2倍；
5)用1份步骤3)制备的C封住步骤4)制备的D的一端；将步骤2)制备的B置于D内；在B内注入步骤1)制备的A；用步骤3制备的另1份C填充或封闭D的另一端；得到椎间盘再生支架；
6)分别在步骤5)得到的所述椎间盘再生支架的B、A和C接种种子细胞；
7)对步骤6)接种了种子细胞的椎间盘再生支架实施定向分化诱导，然后在体外或体内继续培养直到再生出完整的椎间盘。
本发明优选的所述方法中，步骤3)所述的可生物降解的多孔材料C通过3D成型方法制备，具体包括：将含有200～20,000分子量聚乙二醇醚嵌段的脂肪族聚内酯先制成细丝，然后用所述的细丝为原料经熔融沉积成型(FDM)制成预设孔径的多孔片材。所述的脂肪族聚内酯包括但不限于：聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA)、丙交酯-己内酯共聚物(PLC)、乙交酯-己内酯共聚物(PGC)、乙交酯-丙交酯-己内酯共聚物(PGLC)、聚丙交酯-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PLA)、聚乙交酯-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PGA)、聚己内酯-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PCL)、聚(丙交酯-乙交酯)-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PLGA)、聚(丙交酯-己内酯)-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PLC)、聚(乙交酯-己内酯)-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PGC)、聚(苹果酸-1,8-辛二醇酯)、聚(苹果酸-聚己内酯)、聚(丁二酸己二酸丁二醇酯)(PBSA)或聚(己二酸对苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)。
本发明优选的所述方法中，步骤4)所述的可生物降解的无孔弹性片材D通过3D成型方法制备，具体包括：将聚己内酯，进一步优选支化聚己内酯中的任意一种先制成细丝，然后用所述的细丝为原料经熔融沉积成型(FDM)制成无孔环状材料。
本发明还提供所述的生物支架系统在椎间盘体外再生中的应用。
与现有技术相比，本发明的方法具有以下几方面有益效果：
1.着眼于整个椎间盘再生，方便临床移植。
现有技术中，一部分研究着眼于椎间盘髓核或纤维环的再生，部分再生的椎间盘组织在临床的移植修复中难度较大，体外培养和研究的应用价值也有限。还有一部分研究着眼于椎间盘假体的制备，但通常制备的假体缺乏生物活性，在机械性能和生物学性能等方面都不能达到或接近天然椎间盘的水平。本发明的人工椎间盘通过组织工程学的方法再生得到，不论是整体构造还是生物学性能，都与天然椎间盘高度符合。
2.全椎间盘仿生结构设计，密封空间保证获得足够高的力学性能，比单纯纤维环/髓核结构设计压缩强度提高至少20％以上，压缩强度可高达2000N，远大于人体腰椎间盘最大约1200N压力。
3.外周密封高强度弹性体可以防止移植入体内后周围神经和血管的长入，为椎间盘后续修复提供了良好的局部环境。
4.本发明的全椎间盘仿生结构，提供了体外培养下的生物机械学、分子生物学研究平台，有助于阐明在周期应力环境下和是否灌流培养环境下椎间盘分化、增殖的一系列分子机制。
附图说明
图1是实施例1、2制备的组织工程生物支架系统的纵向剖面结构示意图。
图2是实施例1、2制备的组织工程生物支架封闭前的实物图。
图3是实施例1、2制备的组织工程生物支架完成装配后的实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但不应该将此理解为本发明所涉及的主题仅限于下述实施例。
以下实施例中所使用的所有化合物及试剂均为现有产品，或可由现有方法制备的产品。
为了阐述方便，以下实施例以圆形结构为例制备所述的生物支架，实际应用中所述生物支架的外形尺寸可以根据需要进行个性化设计。
实施例1：可再生椎间盘的组织工程生物支架
一种可再生椎间盘的组织工程生物支架，其结构如图1所示，包括髓核支架1、纤维环支架2、终板支架3和外围弹性支撑环4；髓核支架1位于整个生物支架系统中心，纤维环支架2周向围绕髓核支架1布置，终板支架3沿纤维环支架2轴向设置，覆盖纤维环支架2的两端，外围弹性支撑环4周向包覆纤维环支架2和终板支架3。
髓核支架1为壳聚糖聚乙二醇交联水凝胶。
纤维环支架2为PBAT弹性多孔膜纤维经同轴缠绕组成的多层结构，多孔膜平均孔径为100-400μm，孔隙率≥30％；
终板支架3为PCL经3D成型方法制备的多孔材料，平均孔径为100-400μm，孔隙率≥30％；
外围弹性支撑环4为PCL制备的无孔弹性环，其弹性支撑力介于1500N～2000N。
本实施例的生物支架制备方法如下：
1.水凝胶的制备
首先将水溶性壳聚糖配成2.5％(w/v)浓度溶液，加入200μl的交联剂HDI-PEG600-HDI快速混合，得到透明水凝胶。
2.无孔弹性环的制备
利用PCL(Mn＝8万)制备成直径1.75mm的丝，利用熔融沉积成型(FDM)方式制备成具有弹性的环型，其中弹性环的外径14mm，壁厚1mm，高度12mm。
3.纤维环缠绕薄膜的制备
利用吹膜机将PBAT淀粉复合物进行吹膜，吹膜温度最高不超过140℃，薄膜厚度50μm，而后在65度水中洗涤淀粉致孔。再将薄膜裁成宽0.7cm、长90cm的纤维，以同轴的缠绕方式缠绕成纤维环，厚度为1.8mm。
4.多孔终板支架的制备
利用PCL(Mn＝8万)制备成直径1.75mm的丝，建模，利用FDM方式制备成两个多孔圆片(如图2左侧)。其中孔直径在0.35μm。
5.组织工程生物支架的装配
先将步骤4制备的一个多孔圆片作为下终板支架装配到步骤2制备的无孔弹性环下端，而后在无孔弹性环内加入步骤3制备的纤维环，再注入步骤1制备的水凝胶(如图2所示)，最后利用步骤4制备的另一个多孔圆片作为上终板支架封闭无孔弹性环上端，得到装配好的可再生椎间盘的组织工程生物支架，其整体形态如图3所示。
实施例2：可再生椎间盘的组织工程生物支架
一种可再生椎间盘的组织工程生物支架，其结构如图1所示，包括髓核支架1、纤维环支架2、终板支架3和外围弹性支撑环4；髓核支架1位于整个生物支架系统中心，纤维环支架2周向围绕髓核支架1布置，终板支架3沿纤维环支架2轴向设置，覆盖纤维环支架2的两端，外围弹性支撑环4周向包覆纤维环支架2和终板支架3。
髓核支架1为海藻酸钠水凝胶。
纤维环支架2为PBSA弹性多孔膜纤维经同轴缠绕组成的多层结构，多孔膜平均孔径为100-400μm，孔隙率≥30％；
终板支架3为支化PCL经3D成型方法制备的多孔材料，平均孔径为100-400μm，孔隙率≥30％；
外围弹性支撑环4为支化PCL制备的无孔弹性环，其弹性支撑力介于1500N～2000N。
本实施例的生物支架制备方法如下：
1.水凝胶的制备
按照常规方法，用钙离子交联制备海藻酸钠水凝胶，备用。
2.无孔弹性环的制备
利用支化PCL(Mn＝8万)制备成直径1.75mm的丝，利用熔融沉积成型(FDM)方式制备成具有弹性的环型，其中弹性环的外径16mm，壁厚2mm，高度12mm；经检测，该弹性环的压缩强度为1603.9N，最大力形变位移为4.24mm。
3.纤维环支架缠绕薄膜的制备
利用吹膜机将PBSA淀粉复合物进行吹膜，吹膜温度最高不超过140℃，薄膜厚度50μm，而后在65度水中洗涤淀粉致孔。再将薄膜裁成宽0.7cm、长90cm的纤维，以同轴缠绕方式缠绕成纤维环支架，厚度为1.8mm。
4.多孔终板支架的制备
利用PCL(Mn＝8万)制备成直径1.75mm的丝，建模，利用FDM方式制备成两个多孔圆片(如图2左侧)。其中孔直径在0.35μm。
5.组织工程生物支架的装配
先将步骤4制备的一个多孔圆片作为下终板支架装配到步骤2制备的无孔弹性环下端，而后在无孔弹性环内加入步骤3制备的纤维环支架，再注入步骤1制备的作为髓核支架的水凝胶(如图2所示)，最后利用步骤4制备的另一个多孔圆片作为上终板支架封闭无孔弹性环上端，得到装配好的可再生椎间盘的组织工程生物支架，其整体形态如图3所示。
实施例3：接种了种子细胞的组织工程生物支架
在实施例2步骤1、3、4制备的水凝胶(髓核支架)、纤维环支架和多孔终板支架中接种间充质干细胞(MSC)，接种密度约6-10×106个/ml，接种后加入不同的生长因子进行诱导分化，而后再将负载细胞的各组成单元进行装配，得到可再生全椎间盘的生物支架。
所得的接种了种子细胞的生物支架，既可以在体外培养再生出全椎间盘后移植入体内，也可以先移植入体内，在真实环境中完成再生。
实验例：
对本发明的生物支架及其部件进行力学性能测试，受试样品分别是：
实施例1步骤2制备的弹性环(I)、实施例2步骤2制备的弹性环(II)、实施例2步骤5制备的生物支架(III)。
大致方法如下：将测试样品置于万能实验机压盘之间，微调压盘和样品之间距离，使得压力显示在1-10N之间，而后清零。设定测试速度为50mm/min，回位速度在30mm/min，变形达到6mm时停机。实验机会自动记录机器最大压缩力和最大形变位移。
实验结果如下表1所示：
表1
样品 压缩力(N) 最大力形变位移(mm)
I 701.5 2.79
II 1603.9 4.24
III 1994.7 4.65
此外，实验还观察到，样品编号III的生物支架在大于1000N的压力下仍然完整，未发生组织结构和密闭性的破坏，纵向的压力转化为水平方向的扩张力，使支架侧壁暂时向外鼓起，待压力卸载后仍可恢复至原始状态。

Claims (10)

1.一种用于再生完整椎间盘的组织工程生物支架系统，它包括髓核支架、纤维环支架、终板支架和外围弹性支撑环；所述的髓核支架位于整个生物支架系统中心，所述的纤维环支架周向围绕所述的髓核支架布置，所述的终板支架沿所述纤维环支架轴向设置，覆盖所述的纤维环支架两端，所述的外围弹性支撑环周向包覆所述的纤维环支架和终板支架；所述的髓核支架为可生物降解的水凝胶；所述的纤维环支架为可生物降解的弹性膜经同轴缠绕组成的多层结构；所述的终板支架为可生物降解的多孔材料；所述的外围弹性支撑环为可生物降解的无孔弹性环。
2.权利要求1所述的生物支架系统，其特征在于，所述的外围弹性支撑环弹性支撑力介于1200N～2200N之间，优选1500N～2000N。
3.权利要求1所述的生物支架系统，其特征在于，所述外围弹性支撑环包括但不限于以下任意一种材料制备的无孔弹性环：聚己内酯聚乙二醇、己内酯、聚丙交酯己内酯、聚乙交酯丙交酯己内酯、聚氨酯、聚(苹果酸-1,8-辛二醇酯)、聚(苹果酸-聚己内酯)、聚(丁二酸己二酸丁二醇酯)或聚(己二酸对苯二甲酸丁二醇酯)；优选支化聚己内酯中的任意一种。
4.权利要求1所述的生物支架系统，其特征在于，所述终板支架采用分子量为2,000～400,000的脂肪族聚内酯制备，优选含有200～20,000分子量聚乙二醇醚嵌段的脂肪族聚内酯；所述的脂肪族聚内酯优选：聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA)、丙交酯-己内酯共聚物(PLC)、乙交酯-己内酯共聚物(PGC)、乙交酯-丙交酯-己内酯共聚物(PGLC)、聚丙交酯-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PLA)、聚乙交酯-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PGA)、聚己内酯-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PCL)、聚(丙交酯-乙交酯)-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PLGA)、聚(丙交酯-己内酯)-聚乙二醇嵌段共聚物
(PEG-b-PLC)、聚(乙交酯-己内酯)-聚乙二醇嵌段共聚物(PEG-b-PGC)、聚(苹果酸-1,8-辛二醇酯)、聚(苹果酸-聚己内酯)、聚(丁二酸己二酸丁二醇酯)或聚(己二酸对苯二甲酸丁二醇酯)。
5.权利要求1所述的生物支架系统，其特征在于，所述的可生物降解的弹性膜的制备材料选自聚己内酯聚乙二醇、己内酯、聚丙交酯己内酯、聚乙交酯丙交酯己内酯、聚氨酯、聚(苹果酸-1,8-辛二醇酯)、聚(苹果酸-聚己内酯)、聚(丁二酸己二酸丁二醇酯)或聚(己二酸对苯二甲酸丁二醇酯)中的任意一种；优选支化聚己内酯中的任意一种。
6.权利要求1所述的生物支架系统，其特征在于，所述的可生物降解的水凝胶为壳聚糖、聚乙二醇、海藻酸钠、透明质酸或纤维素中的任意一种或其组合。
7.一种完整的生物型人工椎间盘，它是利用权利要求1所述的生物支架系统负载种子细胞后经定向分化诱导、同步再生髓核、纤维环和终板而得到的全椎间盘；所述再生的纤维环和终板组织紧密结合，形成内置有再生髓核的密封结构，具有生物活性。
8.权利要求7所述的人工椎间盘，所述的种子细胞是间充质干细胞(MSC)或多态潜能干细胞(iPS)。
9.制备权利要求7所述的完整的生物型人工椎间盘的方法，包括：
1)制备1份可生物降解的水凝胶A备用；
2)制备1份可生物降解的弹性膜，并将所述的弹性膜经同轴缠绕组成多层结构的环状体B；
3)制备2份可生物降解的多孔材料C；
4)制备1份可生物降解的无孔弹性环状材料D，所述的D高度是步骤2)制备的B的1.2～2倍；
5)用1份步骤3)制备的C封住步骤4)制备的D的一端；将步骤2)制备的B置于D内；在B内注入步骤1)制备的A；用步骤3制备的另1份C填充或封闭D的另一端；得到椎间盘再生支架系统；
6)分别在步骤5)得到的所述椎间盘再生支架系统的B、A和C接种种子细胞；
7)对步骤6)接种了种子细胞的椎间盘再生支架实施定向分化诱导，然后在体外或体内继续培养直到再生出完整的椎间盘。
10.权利要求1所述的生物支架系统在椎间盘体外再生中的应用。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111346261A (zh) * 2020-02-25 2020-06-30 浙江大学 一种经双侧亲和修饰的拟髓核支架-干细胞组合材料
CN113040982A (zh) * 2021-03-03 2021-06-29 中山大学 一种仿生纤维环支架及其制备方法
CN113262329A (zh) * 2021-04-21 2021-08-17 成都理工大学 一种羟基磷灰石/聚己内酯/聚乙二醇复合骨支架材料
CN113576719A (zh) * 2021-07-14 2021-11-02 天津市天津医院 仿生微通道一体化椎间盘支架及制备方法和应用

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4911718A (en) * 1988-06-10 1990-03-27 University Of Medicine & Dentistry Of N.J. Functional and biocompatible intervertebral disc spacer
US5171281A (en) * 1988-08-18 1992-12-15 University Of Medicine & Dentistry Of New Jersey Functional and biocompatible intervertebral disc spacer containing elastomeric material of varying hardness
US20030045939A1 (en) * 2001-08-24 2003-03-06 Simon Casutt Artificial intervertebral disc
US20040034427A1 (en) * 2002-08-19 2004-02-19 Goel Vijay K. Bioartificial intervertebral disc
JP2005152501A (ja) * 2003-11-28 2005-06-16 Kyocera Corp 人工髄核ディスクおよびその製造方法
CN101836907A (zh) * 2009-03-20 2010-09-22 王黎明 硬终板-软髓核一体化编织人工腰椎间盘假体
CN102098985A (zh) * 2008-07-18 2011-06-15 埃因霍芬理工大学 包括凝胶材料芯和纺织套的假体及其制造方法和用途
CN105708584A (zh) * 2016-01-18 2016-06-29 无锡宝通医疗投资有限公司 一种一体式仿生型人工颈椎间盘

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4911718A (en) * 1988-06-10 1990-03-27 University Of Medicine & Dentistry Of N.J. Functional and biocompatible intervertebral disc spacer
US5171281A (en) * 1988-08-18 1992-12-15 University Of Medicine & Dentistry Of New Jersey Functional and biocompatible intervertebral disc spacer containing elastomeric material of varying hardness
US20030045939A1 (en) * 2001-08-24 2003-03-06 Simon Casutt Artificial intervertebral disc
US20040034427A1 (en) * 2002-08-19 2004-02-19 Goel Vijay K. Bioartificial intervertebral disc
JP2005152501A (ja) * 2003-11-28 2005-06-16 Kyocera Corp 人工髄核ディスクおよびその製造方法
CN102098985A (zh) * 2008-07-18 2011-06-15 埃因霍芬理工大学 包括凝胶材料芯和纺织套的假体及其制造方法和用途
CN101836907A (zh) * 2009-03-20 2010-09-22 王黎明 硬终板-软髓核一体化编织人工腰椎间盘假体
CN105708584A (zh) * 2016-01-18 2016-06-29 无锡宝通医疗投资有限公司 一种一体式仿生型人工颈椎间盘

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111346261A (zh) * 2020-02-25 2020-06-30 浙江大学 一种经双侧亲和修饰的拟髓核支架-干细胞组合材料
CN113040982A (zh) * 2021-03-03 2021-06-29 中山大学 一种仿生纤维环支架及其制备方法
CN113040982B (zh) * 2021-03-03 2022-04-05 中山大学 一种仿生纤维环支架及其制备方法
CN113262329A (zh) * 2021-04-21 2021-08-17 成都理工大学 一种羟基磷灰石/聚己内酯/聚乙二醇复合骨支架材料
CN113576719A (zh) * 2021-07-14 2021-11-02 天津市天津医院 仿生微通道一体化椎间盘支架及制备方法和应用

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