CN110037830B - 一种仿生全成型三相结构人工韧带及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种仿生全成型三相结构人工韧带及其制备方法，其特征在于，具有三相、核‑壳管状结构，所述的三相结构即两段端部骨隧道编织段和关节腔纤维束段；所述的核‑壳管状结构可在一体化制备壳层三相管状编织物的同时在其内部引入三相小径编织束作为核层。编织所用纱线具有不同的降解周期，可通过改变纱线配比以及装锭方式设计人工韧带的结构，使其具有良好的力学性能且实现周期可控梯度化降解，产生利于韧带细胞长入的三维通道，达到降解速率与自身组织再生速率相匹配的目的。织造完成后对试样进行清洗、热定型等后处理，最终制备得到一种仿生全成型三相结构人工韧带。

Description

一种仿生全成型三相结构人工韧带及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于治疗前交叉韧带损伤的仿生全成型三相结构人工韧带及其制备方法，属于生物医用纺织品制备技术领域。
背景技术
前交叉韧带(ACL)是膝关节内重要的韧带结构，主要功能是控制膝关节旋转，防止股骨后移或胫骨过度前移，维持膝关节稳定并协助控制膝关节旋转运动和侧方运动。在体育运动及日常活动中，前交叉韧带损伤十分常见。前交叉韧带损伤会降低膝关节稳定性，严重影响其运动功能。前交叉韧带为致密结缔组织，血管化程度低，难以内源性愈合，因此85％的前交叉韧带撕裂都需要通过手术进行重建。自体移植和异体移植物具有良好生物相容性，为临床首选，但存在取材受限、免疫排斥、对供区造成损伤等固有缺陷，而人工韧带由于其不存在来源不足的缺陷、、无疾病传播风险、机械强度高、早期重建效果好等明显优势，逐渐引起人们的重视。
目前临床上使用的人工韧带为LARS、Gore-Tex等人工韧带，均采用的不可降解材料，易磨损产生颗粒碎片，引起长期炎症反应，且存在应力屏蔽效应，影响组织良好再生。为规避不可降解材料缺陷，可降解人工韧带逐渐成为近年来研究热点。可降解材料在植入后可逐渐降解，降解产物随自身代谢排出体外，为自体细胞、组织再生提供空间。目前关于可降解人工韧带的研究集中于组织工程人工韧带，仿生设计主要为材料仿生，促进组织再生仍需依靠脱细胞基质、胶原和生长因子等仿生材料，且存在力学性能不足、韧带降解时间与新生组织生长速度不相匹配等问题。仅利用结构仿生促进组织良好再生，且具有高强度的可降解人工韧带尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种治疗前交叉韧带损伤疾病的仿生全成型三相结构人工韧带及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种仿生全成型三相结构人工韧带，其特征在于，包括由位于中部的关节腔纤维束段及位于两端的骨隧道编织段组成的三相结构，该三相结构为由核层及壳层组成的管状结构；壳层为三相管状编织物，三相管状编织物的中部为纤维束段，两端为编织段；核层为三相小径编织束，三相小径编织束的中部为纤维束段，两端为编织段；壳层包裹在核层外。
优选地，所述三相小径编织束的纤维束段与两端的编织段之间的两相交界处采用全成型编织方法实现清晰过渡。
优选地，所述三相小径编织束中每根编织束的直径为0.5-3mm。
优选地，所述三相管状编织物的纤维束段与两端的编织段之间的两相交界处采用全成型编织方法实现清晰过渡。
优选地，所述三相管状编织物的直径为3-9mm。
优选地，在制备所述三相管状编织物的同时在其内部引入1-217根所述三相小径编织束作为核层。
优选地，所述三相管状编织物所用纱线和所述三相小径编织束所用纱线由具有不同降解周期的纱线一、纱线二和纱线三按照特定比例配置而成，纱线一、纱线二和纱线三的降解周期依次为：5-18个月、3-11个月、1-8个月，在编织结构中纱线一、纱线二和纱线三所占比例依次为：50-80％、20-50％、10-30％。
优选地，所述纱线一、纱线二和纱线三选自以下组分材料：
组分为PCL、PLA、P4HB、PPDO、PHA、PLCL、PGA、PGLA的材料和/或组分为PCL、PLA、P4HB、PPDO、PHA、PLCL、PGA、PGLA的不同分子量的共聚物的材料。
优选地，单根纱线一、纱线二和纱线三的直径为0.1-1mm。
本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的仿生全成型三相结构人工韧带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，设计不同纱锭在编织机上的装载数量和位置，实现同种或不同种纱线在编织物中的交叉或平行排列，达到周期可控梯度化降解的目的；
第二步，三相小径编织束的织造
在编织机上进行三相小径编织束的织造，两端骨隧道区域为编织结构，中间关节腔区域为平行纤维束，两相界面清晰过渡；
第三步，在编织机上进行壳层三相管状编织物的成型织造
编织时，在制备壳层三相管状编织物时，三相小径编织束以内衬管的方式引入作为人工韧带的力学支撑结构。
第四步，织造完成后，将制得的管状人工韧带进行超声波清洗后烘干，并在50-200℃温度下进行热处理10-60min，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，最终得到如权利要求1所述的一种仿生全成型三相结构人工韧带。
优选地，仿生全成型三相结构人工韧带的长度为5-11cm，直径为3-9mm，其中，两端的骨隧道编织段的长度均为2-4cm，关节腔纤维束段的长度为1-3cm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明所制备的仿生全成型三相结构人工韧带的结构与人体前交叉韧带极其相似，两端编织结构致密，关节腔内平行纤维束部分与人体韧带胶原纤维形态相呼应，有利于韧带成纤维细胞的附着和生长。
(2)本发明所制备的仿生全成型三相结构人工韧带通过选择不同比例的可降解纱线与设计纱锭在编织机上的装载方式，实现对三维细胞生长通道的调控，从而利于诱导宿主细胞的取向生长。
(3)本发明所制备的仿生全成型三相结构人工韧带的核壳管状结构，采用特殊的编织方式，使两段端部骨隧道编织段与关节腔纤维束段交界处清晰过渡。
附图说明
图1A至图1C所示，为仿生全成型三相结构人工韧带示意图，其中1、2、3、4、5分别表示两段端部骨隧道编织段、关节腔纤维束段、壳层、三相小径编织束、核层；
图2所示为三种不同降解周期的纱线以四种不同配比以及装锭方式的上机示意图(以24锭编织机为例)，图2中A、B、C分别表示纱线A、纱线B和纱线C。I与II表示纱线A、纱线B和纱线C所占比例依次为：50％、37.5％和12.5％；III与Ⅳ表示纱线A、纱线B和纱线C所占比例依次为50％、25％和25％。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
将以下实施例制备得到的仿生全成型三相结构人工韧带进行力学性能测试及降解性能实验，所得仿生全成型三相结构人工韧带，断裂强度为60-150MPa，6-16个月可完全降解，其中：
力学性能测试：参照YY_T0965-2014进行单轴向拉伸试验，确定所得人工韧带断裂强度；进行残余延长量试验，确定所得人工韧带的残余延长量；进行疲劳磨损和疲劳扭转试验，验证所得人工韧带的疲劳性能。
降解性能实验：将制得的人工韧带材料植入大鼠皮下，定期观察其3、6、9、12、15个月时的降解情况。
实施例1
如图1所示的仿生全成型三相结构人工韧带的制备方法为：
第一步，确定纱线及韧带结构参数。纱线A、纱线B、纱线C分别为PPDO、PGCL、PGLA，单根纱线直径为0.3mm，完全降解时间分别为11个月、9个月、4个月，三种纱线所占比例依次为40％、40％和20％，所述仿生全成型三相结构人工韧带直径为5.7mm，核层三相小径编织束直径为1.8mm，骨隧道编织段长3mm，关节腔纤维束段长2.5mm。
第二步，三相小径编织束的织造。将纱锭按照特定装载方式安装在24锭编织机上，不加内衬管，直接编织成两端为骨隧道编织区域，采用规则编织的方法，中间为关节腔纤维束区域，两相交界处界限分明。
第三步，在织机上进行管状人工韧带的成型织造。在织造皮层三相管状织物的同时，喂入7根三相小径编织束作为内衬力学支撑结构，采用全成型法，两端为规则编织，中间部分不编织为平行纤维束，两相清晰过渡。
第四步，织造完成后，将制得的管状人工韧带进行超声波清洗后在37℃烘干，并在85℃温度下进行热处理30min，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，最终得到一种仿生全成型三相结构人工韧带。
最后，制备得到的一种仿生全成型三相结构人工韧带的断裂强度为70MPa，进行10万次疲劳磨损和疲劳扭转试验后人工韧带均未发生断裂。将制得的人工韧带材料植入大鼠皮下，3个月降解25％、6个月降解50％，9个月降解80％，完全降解时间为11个月。
实施例2
如图1所示的仿生全成型三相结构人工韧带的制备方法为：
第一步，确定纱线及韧带结构参数。纱线A、纱线B、纱线C分别为P4HB、PPDO、PGCL，单根纱线直径为0.3mm，完全降解时间分别为15个月、11个月、6个月，三种纱线所占比例依次为50％、37.5％和12.5％，所述仿生全成型三相结构人工韧带直径为6.2mm，核层三相小径编织束直径为2mm，骨隧道编织段长3mm，关节腔纤维束段长2.5mm。
第二步，三相小径编织束的织造。将纱锭按照特定装载方式安装在24锭编织机上，不加内衬管，直接编织成两端为骨隧道编织区域，采用规则编织的方法，中间为关节腔纤维束区域，两相交界处界限分明。
第三步，在织机上进行管状人工韧带的成型织造。在织造皮层三相管状织物的同时，喂入7根三相小径编织束作为内衬力学支撑结构，采用全成型法，两端为规则编织，中间部分不编织为平行纤维束，两相清晰过渡。
第四步，织造完成后，将制得的管状人工韧进行超声波清洗后在37℃烘干，并在85℃温度下进行热处理30min，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，最终得到一种仿生全成型三相结构人工韧带。
最后，制备得到的一种仿生全成型三相结构人工韧带的断裂强度为90MPa，进行10万次疲劳磨损和疲劳扭转试验后人工韧带均未发生断裂。将制得的人工韧带材料植入大鼠皮下，3个月降解15％、6个月降解30％，9个月降解50％，12个月降解80％，完全降解时间为13个月。
实施例3
图1所示的仿生全成型三相结构人工韧带的制备方法为：：
第一步，确定纱线及韧带结构参数。纱线A、纱线B、纱线C分别为P4HB、PPDO、PGCL，单根纱线直径为0.3mm，完全降解时间分别为15个月、11个月、6个月，三种纱线所占比例依次为60％、30％和10％，所述仿生全成型三相结构人工韧带直径为7.1mm，核层三相小径编织束直径为2.3mm，骨隧道编织段长3mm，关节腔纤维束段长2.5mm。
第二步，三相小径编织束的织造。将纱锭按照特定装载方式安装在24锭编织机上，不加内衬管，直接编织成两端为骨隧道编织区域，采用规则编织的方法，中间为关节腔纤维束区域，两相交界处界限分明。
第三步，在织机上进行管状人工韧带的成型织造。在织造皮层三相管状织物的同时，喂入7根三相小径编织束作为内衬力学支撑结构，采用全成型法，两端为规则编织，中间部分不编织为平行纤维束，两相清晰过渡。
第四步，织造完成后，将制得的管状人工韧进行超声波清洗后在37℃烘干，并在85℃温度下进行热处理30min，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，最终得到一种仿生全成型三相结构人工韧带。
最后，制备得到的一种仿生全成型三相结构人工韧带的断裂强度为100MPa，进行10万次疲劳磨损和疲劳扭转试验后人工韧带均未发生断裂。将制得的人工韧带材料植入大鼠皮下，3个月降解10％、6个月降解25％，9个月降解45％，12个月降解70％，完全降解时间为15个月。

Claims (8)

1.一种仿生全成型三相结构人工韧带，其特征在于，包括由位于中部的关节腔纤维束段及位于两端的骨隧道编织段组成的三相结构，该三相结构为由核层及壳层组成的管状结构；壳层为三相管状编织物，三相管状编织物的中部为纤维束段，两端为编织段；核层为三相小径编织束，三相小径编织束的中部为纤维束段，两端为编织段；壳层包裹在核层外；
所述三相管状编织物所用纱线和所述三相小径编织束所用纱线由具有不同降解周期的纱线一、纱线二和纱线三按照特定比例配置而成，纱线一、纱线二和纱线三的降解周期依次为：5-18个月、3-11个月、1-8个月，在编织结构中纱线一、纱线二和纱线三所占比例依次为：50-80％、20-50％、10-30％。
2.如权利要求1所述的一种仿生全成型三相结构人工韧带，其特征在于，所述三相小径编织束的纤维束段与两端的编织段之间的两相交界处采用全成型编织方法实现清晰过渡。
3.如权利要求1所述的一种仿生全成型三相结构人工韧带，其特征在于，所述三相小径编织束中每根编织束的直径为0.5-3mm。
4.如权利要求1所述的一种仿生全成型三相结构人工韧带，其特征在于，所述三相管状编织物的纤维束段与两端的编织段之间的两相交界处采用全成型编织方法实现清晰过渡。
5.如权利要求1所述的一种仿生全成型三相结构人工韧带，其特征在于，所述三相管状编织物的直径为3-9mm。
6.如权利要求1所述的一种仿生全成型三相结构人工韧带，其特征在于，在制备所述三相管状编织物的同时在其内部引入1-217根所述三相小径编织束作为核层。
7.如权利要求1所述的一种仿生全成型三相结构人工韧带，其特征在于，所述纱线一、纱线二和纱线三选自以下组分材料：
组分为PCL、PLA、P4HB、PPDO、PHA、PLCL、PGA、PGLA的材料和/或组分为PCL、PLA、P4HB、PPDO、PHA、PLCL、PGA、PGLA的不同分子量的共聚物的材料。
8.一种如权利要求1所述的仿生全成型三相结构人工韧带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，设计不同纱锭在编织机上的装载数量和位置，实现同种或不同种纱线在编织物中的交叉或平行排列，达到周期可控梯度化降解的目的；
第二步，三相小径编织束的织造
在编织机上进行三相小径编织束的织造，两端骨隧道区域为编织结构，中间关节腔区域为平行纤维束，两相界面清晰过渡；
第三步，在编织机上进行壳层三相管状编织物的成型织造
编织时，在制备壳层三相管状编织物时，三相小径编织束以内衬管的方式引入作为人工韧带的力学支撑结构；
第四步，织造完成后，将制得的管状人工韧带进行超声波清洗后烘干，并在50-200℃温度下进行热处理15-60min，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，最终得到如权利要求1所述的一种仿生全成型三相结构人工韧带。
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