CN110585487A - 一种负载离子和几何图案信号的医用骨膜支架及其构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用离子和几何图案信号协同构建的医用骨膜支架及其构建方法，包括：内表面纤维层：由波浪形、取向排列、疏松多孔纤维构成，为可降解且可拉伸高分子材料，为骨膜支架提供几何图案信号递送；中间纤维层：由网格状纤维构成，为可降解且可拉伸高分子材料，为骨膜支架提供力学支撑；外表面纤维层：由无序、致密的复合纤维构成，为可降解高分子材料和离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒，为骨膜支架提供离子信号递送。本发明通过将离子和几何图案信号相结合可以实现仿生天然骨膜支架的构建，获得具有类似天然骨膜的力学、诱导骨成分再生和结构再建、诱导血管生成和抑制细菌增殖的功能，帮助损伤部位骨组织修复和功能稳定再建。

Description

一种负载离子和几何图案信号的医用骨膜支架及其构建方法
技术领域
本发明涉及一种仿生医用骨膜支架及其构建方法，具体涉及一种采用离子和几何图案信号协同构建的可以促进骨组织生长的医用骨膜支架及其构建方法，属于生物医用材料技术领域。
背景技术
支架是临床骨组织损伤修复中一种重要的功能材料。但是，目前支架材料缺乏在骨组织损伤部位，同时引导新骨成分与结构的生成能力。在人体中，骨膜是一种包裹在骨骼外表面的致密组织，主要由外层胶原纤维层(富含成纤维细胞和微血管)和内层成骨层(储存骨骼生长、愈合和重塑的骨祖细胞)组成，为骨组织生长提供不同类型的必须细胞如成骨细胞、内皮细胞、干细胞等。在骨组织新生过程中，骨膜中的微血管为细胞增殖、分化等活动提供所需营养和代谢产物运输[1]。现有体内和体外研究证实骨膜与生长因子、机械刺激等因素一起对骨组织生长起调节作用，是骨缺损愈合过程中的关键部件。骨膜的表面各向异性形貌特征与骨组织中胶原纤维和羟基磷灰石结构排列方向一致，引导骨组织轴向生长。同时，骨膜在大节段骨缺损修复中，能够抑制软组织和血管的侵犯。研究表明尤其在大节段骨损伤修复过程中，缺乏骨膜将导致修复部位成骨率显著降低和移植物坏死。但是，在临床上可供移植的骨膜来源非常有限。因此，设计和构建模拟天然骨膜功能的骨膜支架将为骨缺损修复提供有效的治疗途径。
目前骨膜支架的一种主要类型是脱细胞基质材料[2]。虽然这一类材料具有较好的仿生结构，但是其可塑造性低和具有免疫排斥与潜在致病源传染的风险。相比较，另一类骨膜支架来源于天然和合成生物材料，具有较好的工程加工性能和安全保证。这其中，临床上最重要的磷酸钙类骨材料与天然骨骼在化学成分上类似，具有优越的生物相容性、可降解性及良好的骨诱导特性。这种材料如磷酸三钙、羟基磷灰石等在植入体内后能够游离出钙离子和磷酸根离子被人体细胞吸收。这类生物陶瓷材料可以依据需求掺杂其他离子以赋予特定的生物活性作用[3-5]。通过将磷酸钙与高分子材料复合，现有研究已经发展出不同形式的骨膜支架(如纤维[6-7]和水凝胶[8])。同时，当前研究逐渐认识到材料的几何图案特征可以引导人体细胞排列，通过接触引导机制改变细胞微环境来影响细胞的增殖、粘附、迁移、及组织特异性基因表达。将钙磷纳米材料图案与高分子材料交联可以获得具有调控细胞形貌的骨膜支架[9]。但是，这些骨膜支架仅限于单层结构，缺乏有效聚集各种生物活性因子、材料图案特征、及细胞的能力，无法模拟天然骨膜的多层结构和区域功能异质性特征。
当前骨膜支架的材料设计简单且功能单一，无法满足临床骨组织损伤修复的复杂需求。本发明将发展功能复合型支架及其构建技术，在模仿天然骨膜的优异力学性能的基础上，同时赋予其引导骨成分新生和结构重建的功能、及诱导微血管形成的作用。这将为临床获得功能骨膜提供有效途径，以提升骨组织损伤修复与治疗效果。
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[9]张盛民,杨高洁,刘浩明,刘昱.一种基于仿生矿化钙磷纳米颗粒图案化的人工仿生骨膜及其制备方法.2015,CN105214138A
发明内容
为了解决现有人工骨膜设计功能单一、无法满足临床骨损伤修复需求、导致治疗效果不理想的技术问题，本发明的目的是在于提供了一种采用离子和几何图案信号协同构建的设计新颖、流程简便、操作性强的医用骨膜支架，通过将离子和几何图案信号相结合可以实现仿生天然骨膜支架的构建，获得具有类似天然骨膜的力学、诱导骨成分再生和结构再建、诱导血管生成和抑制细菌增殖的功能，帮助损伤部位骨组织修复和功能稳定再建。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种采用离子和几何图案信号协同构建的医用骨膜支架，包括三层纤维结构：
内表面纤维层：由波浪形、取向排列、疏松多孔纤维构成，为可降解且可拉伸高分子材料，为骨膜支架提供几何图案信号递送；
中间纤维层：由网格状纤维构成，为可降解且可拉伸高分子材料，为骨膜支架提供力学支撑；
外表面纤维层：由无序、致密的复合纤维构成，为70～95wt％的可降解高分子材料和5～30wt％的离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒，为骨膜支架提供离子信号递送。
优选的，所述可降解且可拉伸高分子材料和可降解高分子材料均选自聚己内酯及其衍生物、聚氨酯及其衍生物、胶原及其衍生物、丝素蛋白及其衍生物中的至少一种。
优选的，所述中间纤维层具有直线网格图案或者不同角度的折线网格图案，其中受拉伸方向为细纤维，非受拉方向为粗纤维；细纤维宽度为50～100μm、粗纤维宽度为100～300μm。
优选的，所述离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒中，离子选自铜、银、镁、钴和硅中的一种或几种，所述离子的掺杂量为占生物陶瓷微纳米颗粒的质量分数为0.3～5.7wt％。
优选的，所述生物陶瓷微纳米颗粒选自三磷酸钙及其衍生物、羟基磷灰石及其衍生物中的至少一种。
本发明还提供了上述医用骨膜支架的构建方法，包括如下步骤：
(1)可降解且可拉伸高分子材料配制成溶液后通过近场电流体直写技术获得图案化的中间纤维层，作为骨膜支架的支撑骨架；
(2)可降解且可拉伸高分子材料配制成溶液后在中间纤维层某一表面通过静电纺丝沉积内表面纤维层，再经单轴机械拉制技术得到取向性疏松多孔纤维，为骨膜支架递送几何图案信号；
(3)可降解高分子材料和离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒混合配制成溶液后在中间纤维层另一表面通过静电纺丝沉积外表面纤维层，为骨膜支架递送离子信号。
优选的，步骤(1)中，溶液中的可降解且可拉伸高分子材料的浓度为0.05～0.30g/ml，溶剂为二氯甲烷、氯仿、醋酸中的至少一种与甲醇、乙醇中的至少一种的混合溶剂，其体积之比为3:7～7:3。
优选的，步骤(1)中，近场电流体直写技术工艺参数为：溶液流速1～200μl/min、针尖-收集板距离0.1～4mm、电压0.5～4kV、针头内径0.06～0.72mm、直写平台移动速度10～300mm/s、收集板为半导体硅片、316L不锈钢片或铜片；中间纤维层平均宽度为50～300μm。
优选的，步骤(2)中，溶液中的可降解且可拉伸高分子材料的质量分数为5～15％，溶剂为二氯甲烷、氯仿、醋酸中的至少一种与甲醇、乙醇中的至少一种的混合溶剂，其体积之比为3:7～7:3。
优选的，步骤(2)中，静电纺丝工艺参数为：溶液流量为5～100μL/min、针尖-收集板距离：80～250mm、电压：8～25kV、针头内径0.06～0.72mm；内表面纤维平均直径为0.5～20μm。
优选的，步骤(2)中，单轴机械拉制技术工艺参数为：温度0～50℃、应变速率为5～50mm/min、预定应变值为200～800％。本发明采用的单轴机械拉伸技术为中间纤维层辅助制备波浪形、取向排列、疏松多孔纤维的方法，适用于大面积纤维制备，拉伸前样品面积为大于50cm2(长度大于10cm、宽度大于5cm)。
优选的，步骤(3)中，可降解高分子材料在溶液中的浓度为0.05～0.15g/ml，离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒在溶液中的浓度为0.01～0.05g/ml，溶剂为二氯甲烷、氯仿、醋酸中的至少一种与甲醇、乙醇中的至少一种的混合溶剂，其体积之比为3:7～7:3；溶液配制方式为：将离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒与溶剂在超声作用下分散30min，然后在60rpm/min条件下加入可降解高分子材料，持续旋转至少12h即得。
优选的，步骤(3)中，静电纺丝工艺参数为：溶液流量为5～100μl/min、针尖-收集板距离：80～250mm、电压：8～25kV、针头内径0.06～0.72mm；外表面纤维平均直径为0.5～20μm。
优选的，所述离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒的合成方法为：根据磷离子与钙离子和掺杂的离子之和的比例为1.67(磷离子：钙离子和掺杂的离子＝1.67)，在搅拌条件下，将磷酸盐水溶液与钙盐和掺杂的离子盐的水溶液混合，再通过浓氨水调节反应溶液pH为8～10.5，以维持碱性条件至少1h，反应后所得溶液在室温静置冷却24h，经固液分离、洗涤、干燥后研磨成粉末，在氮气保护气氛中于1000℃下热处理4h得到离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒。
本发明的仿生医用骨膜支架及其构建方法：首先通过近场电流体直写技术得到图案化的纤维支撑骨架；随后利用静电纺丝技术和单轴机械拉制技术相结合，制备出高度取向性排列、高比表面积、高孔隙率的波浪形纤维；同时，在支撑骨架的另一侧面利用掺杂技术和静电纺丝技术相结合，制备出载有离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒的复合纤维。在上述仿生医用骨膜支架的功能设计上，通过生物陶瓷微纳米颗粒释放的离子信号和取向性纤维递送的几何图案信号线索，可以分别促进骨成分和结构协同再生，而离子的释放可以促进血管、神经等主要骨膜组成新生和促抗菌、促成骨钙化等性能。在取向性纤维制备过程中，支撑骨架可以使得静电纺丝得到的纤维受力更为均匀，不易出现断裂。同时，支撑骨架可以防止拉制过程中静电纺丝得到的纤维横向堆积，保持了纤维间的孔隙结构。上述两种效应使得单轴机械拉伸可以大面积制备高取向性、高孔隙率的纤维，提高取向性纤维在组织工程中的适用性。
与现有骨膜支架相比，本发明具有以下优点：
1、在骨膜支架功能设计上，本发明采用单元式分层设计通过离子和几何图案信号相结合的方法，使其具备仿生天然骨膜在新骨生成和损伤修复中关键的生理作用。本发明提出的骨膜支架采用高分子材料和离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒，具有生物可降解能力和优良的组织相容性，其中高分子材料纤维与离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒相结合可以赋予复合纤维多样的生物活性和显著增强的机械性能，从而分别提升支架与天然骨膜的生物与力学适配性。本发明提出的骨膜支架系统仿生天然骨膜关键生理作用，其中磷酸钙生物陶瓷释放出的钙离子、磷酸根离子等具有高效通过骨传导和骨诱导途径促进骨成分再生的能力，取向性纤维递送的几何图案信号可以通过引导成骨细胞定向排列形成与天然骨组织近似的有序结构，离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒释放出的离子等通过刺激内皮细胞可诱导血管形成以维持新生骨组织功能。
2、在骨膜支架构建方法上，本发明采用近场电流体直写纤维支撑骨架辅助单轴拉伸获取大面积、疏松取向性纤维。传统静电纺丝技术制备各向异性纤维，需要借助特殊收集装置(如高速旋转盘或心轴等)使得纤维定向排列。这些纤维堆积严重、纤维间孔隙小、纤维制备面积受限，使得静电纺丝纤维作为组织工程支架的优势丧失(如与细胞外基质类似的结构特征、高比表面积、大面积获取等)，难以用于骨膜支架构建。本发明提出的单轴机械拉伸通过纤维支撑骨架可以使静电纺丝纤维在拉伸过程中均匀受力、防止纤维断裂，从而实现纤维重新排列和大面积取向性纤维制备。同时，支撑骨架可以有效避免静电纺丝纤维在拉伸过程中的横向堆积，从而维持甚至增加拉伸纤维间孔隙尺寸。此外，近场电流体直写纤维支撑骨架的设计使得拉伸后纤维薄膜可以独立存在、更具有操作性。
综上所述，本发明基于离子和几何图案信号协同作用提出功能复合型骨膜支架的构建方法，所获得的骨膜支架具有促进骨成分再生、引导结构重建、及诱导血管生成作用。本发明功能复合型骨膜支架的构建方法中单轴机械拉制不仅赋予纤维取向性排列和大面积可控制备，同时保持了纤维间的孔隙尺寸。本发明所述仿生医用骨膜支架的构建方法过程简单，支架成分与结构可控，具有仿生天然骨膜关键生理作用的功能，可作为骨膜补丁用于骨断裂连接区域缝合或者包覆于骨植入支架表面帮助缺损骨膜再生，具有潜在的临床应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1中的Cu-TCP微纳米颗粒材料的超景深三维显像系统图。
图2为本发明实施例1中的近场电流体直写技术获得的图案化的中间纤维层，其中(a)为光学图片；(b)为电子扫描显微镜图。
图3为本发明实施例1和对比例1中的纤维的单轴机械拉制光学图片，其中(a)为对比例1制得的普通无序的PCL静电纺丝纤维；(b)为实施例1通过近场电流体直写与静电纺丝制得的复合纤维层。
图4为本发明实施例1中的单轴机械拉制技术得到的取向性疏松纤维层，其中(a)为光学图片；(b)为电子扫描显微镜图。
图5为本发明实施例1构建的医用骨膜支架，其中(a)为光学图片；(b)和(c)为电子扫描显微镜图。
图6为实施例1构建的骨膜支架和对比例1的普通无序的PCL静电纺丝纤维层与成骨纤维细胞培养7天的激光共聚焦显微镜图片，其中(a)为细胞生长于骨膜支架的内表面纤维层；(b)为细胞生长于普通无序的PCL静电纺丝纤维层。
图7为实施例1构建的骨膜支架和对比例1的普通无序的PCL静电纺丝纤维层的力学测试的应力-应变曲线图，其中(a)为普通无序的PCL静电纺丝纤维层；(b)为骨膜支架。
具体实施方式
为了更好地理解本发明说明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种采用离子和几何图案信号协同构建的仿生医用骨膜支架通过如下方法制备得到：
第一步：中间纤维层(纤维支撑骨架)的制备
按设计称取1g PCL加入到实验瓶中，加入3.5ml二氯甲烷和1.5ml乙醇，充分溶解6小时后形成PCL直写溶液。设置近场电流体直写参数为溶液流速100μl/min、针尖-收集板距离2mm、电压4kV、直写针头内直径0.52mm直写平台移动速度1(垂直与拉伸方向)20mm/s、直写平台移动速度2(平行与拉伸方向)60mm/s。设计直写图案为直线网格图案(面积：70×70cm2)，并将直写溶液加入微注射泵，直写的纤维支撑骨架。
第二步：内表面纤维层(几何图案信号递送纤维层)的制备
按设计取0.5g的PCL加入到实验瓶中，加入3.5ml二氯甲烷和1.5ml甲醇，充分溶解6小时后形成PCL静电纺丝溶液。设置静电纺丝参数：溶液流速12μl/min、针尖-收集板距离12cm、电压12kV、纺丝针头内直径0.26mm将第一步获得的纤维支撑骨架转移到静电纺丝收集板上，并将纺丝PCL溶液加入微注射泵，按设定参数进行纺丝30min得到无序PCL纤维层。将获得的复合纤维薄膜在25℃条件下进行匀速拉伸(应变速率：20mm/min)到预定应变值300％，释放拉力后获得取向性疏松纤维层。
第三步：外表面纤维层(离子信号递送纤维层)的制备
Cu-TCP制备：
在90℃的搅拌条件下，将0.667mol/L的(NH4)2HPO4溶液逐滴加入到0.05mol/L的CuCl2和0.95mol/L的CaCl2的混合溶液中，通过浓氨水调节反应溶液pH值为8，保持时间为1h，反应后获得的悬浊液在室温静置冷却24h，经固液分离、洗涤、干燥后研磨成粉末，在氮气保护气氛中于1000℃下热处理4h得到铜掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒；
按设计，取0.6g的PCL和0.18g的Cu-TCP(Cu掺杂量为1.3wt％)，分别溶解和分散于二氯甲烷3.5mL和甲醇1.5mL溶液中，得到含有Cu-TCP纳米颗粒的均一分散体系。PCL/Cu-TCP分散体系静电纺丝设置参数为溶液流速12μl/min、针尖-收集板距离12cm、电压12kV、纺丝针头内直径0.26mm。将第二步中获得的取向性、疏松纤维复合薄膜转移到收集板上，使得纤维支撑骨架向上，按照设定参数进行纺丝形成PCL/Cu-TCP纤维(30min)，最终获得仿生医用骨膜支架。
实施例2
第一步：中间纤维层(纤维支撑骨架)的制备
按设计称取1.25g PCL加入到实验瓶中，加入4.0ml二氯甲烷和1.0ml乙醇，充分溶解6小时后形成PCL直写溶液。设置近场电流体直写参数为溶液流速100μl/min、针尖-收集板距离2mm、电压4kV、直写针头内直径0.52mm、直写平台移动速度1(垂直与拉伸方向)20mm/s、直写平台移动速度2(平行与拉伸方向)60mm/s。设计直写图案为30°波折网格图案(面积：70×70cm2)，并将直写溶液加入微注射泵，直写的纤维支撑骨架。
第二步：内表面纤维层(几何图案信号递送纤维层)的制备
按设计取0.75g的PCL加入到实验瓶中，加入3.5ml二氯甲烷和1.5ml乙醇，充分溶解6小时后形成PCL静电纺丝溶液。设置静电纺丝参数：溶液流速15μl/min、针尖-收集板距离15cm、电压15kV、纺丝针头直径0.26mm。将第一步获得的纤维支撑骨架转移到静电纺丝收集板上，并将纺丝PCL溶液加入微注射泵，按设定参数进行纺丝30min得到无序PCL纤维层。将获得的复合纤维薄膜在25℃条件下进行匀速拉伸(应变速率：20mm/min)到预定应变值400％，释放拉力后获得取向性疏松纤维层。
第三步：外表面纤维层(离子信号递送纤维层)的制备
Si,Ag-HA制备：
将0.625mol/L的Ca(OH)2溶液和0.03mol/L的AgNO3溶液混合后逐滴加入到0.445mol/L的H3PO4和0.065mol/L的SiC8H20O4的混合溶液中，通过浓氨水调节反应溶液pH值为10.5，保持时间为1h，反应后获得悬浊液在室温静置冷却24h，经固液分离、洗涤、干燥后研磨成粉末，在氮气保护气氛中于1000℃下热处理4h得到Si和Ag掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒；
按设计，取0.75g的PCL和0.24g的Si,Ag-HA(Si掺杂量为0.8wt％的、Ag掺杂量为1.6wt％的)，分别溶解和分散于二氯甲烷4.0mL和1.0mL甲醇溶液中，得到含有Si,Ag-HA纳米颗粒的均一分散体系。PCL/Si,Ag-HA分散体系静电纺丝设置参数为溶液流速15μl/min、针尖-收集板距离15cm、电压15kV、纺丝针头内直径0.30mm。将第二步中获得的取向性、疏松纤维复合薄膜转移到收集板上，使得纤维支撑骨架向上，按照设定参数进行纺丝形成PCL/Si,Ag-HA纤维(30min)，最终获得仿生医用骨膜支架。
实施例3
第一步：中间纤维层(纤维支撑骨架)的制备
按设计称取0.75g PCL加入到实验瓶中，加入4.5ml二氯甲烷和0.5ml乙醇，充分溶解6小时后形成PCL直写溶液。设置近场电流体直写参数为溶液流速100μl/min、针尖-收集板距离2mm、电压4kV、直写针头直径0.52mm、直写平台移动速度1(垂直与拉伸方向)20mm/s、直写平台移动速度2(平行与拉伸方向)60mm/s。设计直写图案为60°波折网格图案(面积：70×70cm2)，并将直写溶液加入微注射泵，直写的纤维支撑骨架。
第二步：内表面纤维层(几何图案信号递送纤维层)的制备
按设计取0.5g的PCL加入到实验瓶中，加入4.5ml二氯甲烷和0.5ml甲醇，充分溶解6小时后形成PCL静电纺丝溶液。设置静电纺丝参数：溶液流速15μl/min、针尖-收集板距离15cm、电压20kV、纺丝针头内直径0.26mm。将第一步获得的纤维支撑骨架转移到静电纺丝收集板上，并将纺丝PCL溶液加入微注射泵，按设定参数进行纺丝30min得到无序PCL纤维层。将获得的复合纤维薄膜在25℃条件下进行匀速拉伸(应变速率：20mm/min)到预定应变值500％，释放拉力后获得取向性疏松纤维层
第三步：外表面纤维层(离子信号递送纤维层)的制备
Cu-TCP和Si,Ag-HA混合物制备：
在90℃的搅拌条件下，将0.667mol/L的(NH4)2HPO4溶液逐滴加入到0.05mol/L的CuCl2和0.95mol/L的CaCl2的混合溶液中，通过浓氨水调节反应溶液pH值为8，保持时间为1h，反应后获得悬浊液在室温静置冷却24h，经固液分离、洗涤、干燥后研磨成粉末，在氮气保护气氛中于1000℃下热处理4h得到铜掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒；
将0.625mol/L的Ca(OH)2溶液和0.03mol/L的AgNO3溶液混合后逐滴加入到0.445mol/L的H3PO4和0.065mol/L的SiC8H20O4的混合溶液中，通过浓氨水调节反应溶液pH值为10.5，保持时间为1h，反应后获得悬浊液在室温静置冷却24h，经固液分离、洗涤、干燥后研磨成粉末，在氮气保护气氛中于1000℃下热处理4h得到Si和Ag掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒；
将制备的两种掺杂的生物陶瓷纳米颗粒按照质量比例1：1研磨混合，即可得到Cu-TCP和Si,Ag-HA混合物。
按设计，取0.5g的PCL和0.30g的Cu-TCP(Cu掺杂量为1.3wt％)和Si,Ag-HA(Si掺杂量为0.8wt％的、Ag掺杂量为1.6wt％的)混合物，分别溶解和分散于二氯甲烷4.5mL和0.5mL甲醇溶液中，得到含有Cu-TCP/Si,Ag-HA纳米颗粒的均一分散体系。PCL/Cu-TCP/Si,Ag-HA分散体系静电纺丝设置参数为溶液流速12μl/min、针尖-收集板距离12cm、电压12kV、纺丝针头内直径0.34mm。将第二步中获得的取向性、疏松纤维复合薄膜转移到收集板上，使得纤维支撑骨架向上，按照设定参数进行纺丝形成PCL/Cu-TCP/Si,Ag-HA纤维(30min)，最终获得仿生医用骨膜支架。
对比例1
按设计称量取0.5g的PCL加入到实验瓶中，加入3.5ml二氯甲烷和1.5ml甲醇，充分溶解6小时后形成PCL静电纺丝溶液。设置静电纺丝参数：溶液流速12μl/min、针尖-收集板距离12cm、电压12kV、纺丝针头内直径0.26mm，并将纺丝PCL溶液加入微注射泵，按设定参数进行纺丝30min得到普通无序的PCL静电纺丝纤维。
如图3所示，在预定应变为300％的拉伸过程中，中间纤维层与内表面纤维层复合层无明显断裂和横向收缩，复合层保持整体完整；而单独的静电纺丝得到的普通无序的PCL静电纺丝纤维层发生断裂且薄膜两侧横向收缩明显。
如图6所示，骨膜支架的内表面纤维层具有调控细胞呈取向性排列的作用；而普通无序的PCL静电纺丝纤维层则引导细胞无序排列。
如图7所示，骨膜支架的应力-应变曲线具有较高的杨氏模量和弹性比例极限，在保持柔韧性的同时具有增强的抗塑性变形能力，而普通无序的PCL静电纺丝纤维层则杨氏模量和弹性比例极限较低，易发生塑性变形。

Claims (10)

1.一种采用离子和几何图案信号协同构建的医用骨膜支架，其特征在于，包括三层纤维结构：
内表面纤维层：由波浪形、取向排列、疏松多孔纤维构成，为可降解且可拉伸高分子材料，为骨膜支架提供几何图案信号递送；
中间纤维层：由网格状纤维构成，为可降解且可拉伸高分子材料，为骨膜支架提供力学支撑；
外表面纤维层：由无序、致密的复合纤维构成，为70～95wt％的可降解高分子材料和5～30wt％的离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒，为骨膜支架提供离子信号递送。
2.根据权利要求1所述的一种采用离子和几何图案信号协同构建的医用骨膜支架，其特征在于：所述可降解且可拉伸高分子材料和可降解高分子材料均选自聚己内酯及其衍生物、聚氨酯及其衍生物、胶原及其衍生物、丝素蛋白及其衍生物中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种采用离子和几何图案信号协同构建的医用骨膜支架，其特征在于：所述中间纤维层具有直线网格图案或者不同角度的折线网格图案，其中受拉伸方向为细纤维，非受拉方向为粗纤维；细纤维宽度为50～100μm、粗纤维宽度为100～300μm。
4.根据权利要求1所述的一种采用离子和几何图案信号协同构建的医用骨膜支架，其特征在于：所述离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒中，离子选自铜、银、镁、钴和硅中的一种或几种，所述离子的掺杂量为占生物陶瓷微纳米颗粒的质量分数为0.3～5.7wt％。
5.根据权利要求1所述的一种采用离子和几何图案信号协同构建的医用骨膜支架，其特征在于：所述生物陶瓷微纳米颗粒选自三磷酸钙及其衍生物、羟基磷灰石及其衍生物中的至少一种。
6.权利要求1-5任一项所述的一种采用离子和几何图案信号协同构建的医用骨膜支架的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)可降解且可拉伸高分子材料配制成溶液后通过近场电流体直写技术获得图案化的中间纤维层，作为骨膜支架的支撑骨架；
(2)可降解且可拉伸高分子材料配制成溶液后在中间纤维层某一表面通过静电纺丝沉积内表面纤维层，再经单轴机械拉制技术得到取向性疏松多孔纤维，为骨膜支架递送几何图案信号；
(3)可降解高分子材料和离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒混合配制成溶液后在中间纤维层另一表面通过静电纺丝沉积外表面纤维层，为骨膜支架递送离子信号。
7.根据权利要求6所述的一种采用离子和几何图案信号协同构建的医用骨膜支架的构建方法，其特征在于：步骤(1)中，溶液中的可降解且可拉伸高分子材料的浓度为0.05～0.30g/ml，溶剂为二氯甲烷、氯仿、醋酸中的至少一种与甲醇、乙醇中的至少一种的混合溶剂，其体积之比为3:7～7:3；
近场电流体直写技术工艺参数为：溶液流速1～200μl/min、针尖-收集板距离0.1～4mm、电压0.5～4kV、针头内径0.06～0.72mm、直写平台移动速度10～300mm/s、收集板为半导体硅片、316L不锈钢片或铜片；中间纤维层平均宽度为50～300μm。
8.根据权利要求6所述的一种采用离子和几何图案信号协同构建的医用骨膜支架的构建方法，其特征在于：步骤(2)中，溶液中的可降解且可拉伸高分子材料的质量分数为5～15％，溶剂为二氯甲烷、氯仿、醋酸中的至少一种与甲醇、乙醇中的至少一种的混合溶剂，其体积之比为3:7～7:3；
静电纺丝工艺参数为：溶液流量为5～100μL/min、针尖-收集板距离：80～250mm、电压：8～25kV、针头内径0.06～0.72mm；内表面纤维平均直径为0.5～20μm；
单轴机械拉制技术工艺参数为：温度0～50℃、应变速率为5～50mm/min、预定应变值为200～800％。
9.根据权利要求6所述的一种采用离子和几何图案信号协同构建的医用骨膜支架的构建方法，其特征在于：步骤(3)中，可降解高分子材料在溶液中的浓度为0.05～0.15g/ml，离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒在溶液中的浓度为0.01～0.05g/ml，溶剂为二氯甲烷、氯仿、醋酸中的至少一种与甲醇、乙醇中的至少一种的混合溶剂，其体积之比为3:7～7:3；溶液配制方式为：将离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒与溶剂在超声作用下分散30min，然后在60rpm/min条件下加入可降解高分子材料，持续旋转至少12h即得；
步骤(3)中，静电纺丝工艺参数为：溶液流量为5～100μl/min、针尖-收集板距离：80～250mm、电压：8～25kV、针头内径0.06～0.72mm；外表面纤维平均直径为0.5～20μm。
10.根据权利要求6-9任一项所述的一种采用离子和几何图案信号协同构建的医用骨膜支架的构建方法，其特征在于：所述离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒的合成方法为：根据磷离子与钙离子和掺杂的离子之和的比例为1.67(磷离子：钙离子和掺杂的离子＝1.67)，在搅拌条件下，将磷酸盐水溶液与钙盐和掺杂的离子盐的水溶液混合，再通过浓氨水调节反应溶液pH为8～10.5，以维持碱性条件至少1h，反应后所得溶液在室温静置冷却24h，经固液分离、洗涤、干燥后研磨成粉末，在氮气保护气氛中于1000℃下热处理4h得到离子掺杂的生物陶瓷微纳米颗粒。
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