CN110755175B - 一种一体化成型梯度降解机织人工韧带及其制备方法 - Google Patents

一种一体化成型梯度降解机织人工韧带及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述人工韧带为一体成型结构，其为两端由2‑10层管状或片状接结组织构成的股骨和胫骨骨隧道段、中间为关节腔游离段的三段式机织人工韧带；所述股骨和胫骨骨隧道段为多层经纱、纬纱构成的交织结构，各层之间则通过接结组织连接；所述关节腔游离段为平行排列的经纱。制备方法包括确定多层织物组织图、确定上机图、上机织造、后处理等步骤。本发明基于对织造参数和不同降解特性的纱线排布的调控，实现韧带的梯度化降解，减少植入后期应力屏蔽效应，达到人工韧带的三维拓扑结构与其生物力学性能、降解性能和组织诱导性能的协同响应。

Description

一种一体化成型梯度降解机织人工韧带及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带及其制备方法，属于人工韧带技术领域。
背景技术
前十字交叉韧带(ACL)是人膝关节中四个主要韧带之一，由滑膜组织包绕，连接股骨与胫骨，通过限制关节的活动性来维持膝关节稳定。在日常活动及体育运动中，复杂和突然的受力经常导致ACL损伤。ACL为致密结缔组织，血管化有限，损伤后不能自愈，临床上主要通过重建手术恢复膝关节的稳定性。在临床中自体移植物仍是ACL重建术的“金标准”，但自体移植存在诸多供区并发症。人工韧带取材方便、无供区并发症、无疾病传播风险，且具有足够的机械强度，逐渐引起临床和科研人员的重视。
人工韧带的首次出现可追溯至上世纪60年代，随着合成材料的不断发展以及对ACL纤维结构的认识的深入，
Figure BDA0002234107970000011
Figure BDA0002234107970000012
等纺织基人工韧带相继面世，其材料分别为PP、PET、PTFE 和碳素纤维等不可降解材料，成型方式包括机织、针织、编织及复合成型等。相比其他成型方式及结构，机织人工韧带可在植入初期为受损韧带提供足够的力学支撑强度，但机织结构密度和厚度较高，孔径小，孔隙率低，不利于自体细胞长入；且不可降解，在植入后期存在应力遮挡效应和长期炎症反应，大大降低了组织的再生。基于此，本专利提出一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带，通过选择不同的纺织结构参数，可获得2-10层管状或片状接结组织的机织结构，实现植入初期高强力学性能；各层之间通过接结组织连接，结构稳定，具有良好的耐磨性能和疲劳性能；通过调整不同降解特性的纱线排布，实现材料的三维拓扑结构与人工韧带的生物力学性能、降解性能和组织诱导性能的协同响应；可一体成型，无需对机织平布进行卷绕成型，避免复杂的二次加工以及致密的孔隙结构。目前基于纺织一体化微成型技术，实现具有三维拓扑结构、可诱导组织再生且具有梯度降解性能的多层机织人工韧带的相关研究未见报道。
因此，本发明旨在制备一种用于治疗韧带损伤，特别用于治疗前十字交叉韧带损伤的多层机织人工韧带，一体化制备具有2-10层管状或片状接结组织的三段式机织人工韧带，其股骨和胫骨骨隧道段为多层经纬纱交织结构，关节腔游离段为平行排列的经纱，各层之间则通过接结组织连接，其具有优异的力学性能、梯度降解性能和组织诱导性能。目前与本发明内容相关但具有实质性差别的专利是：①公开号为CN107970081A的发明专利提供了一种混合型人工韧带结构及制备方法。其为棒状三段式结构，两段骨隧道段由经纬纱交织而成，关节腔段仅含纬纱。纬纱包括可降解的第一纬纱与不可降解第二纬纱，第一纬纱与第二纬纱分区间隔配置。该专利可降解部分可为组织长入提供空间，不可降解部分提供永久强力支撑。但其成型方式为机织平布卷绕成型，非一体成型，需要二次手工加工，操作复杂；且卷绕成型结构稳定性差，第一纬纱降解后将导致结构松散，易受力伸长，产生疲劳失效；此外，其所用材料中的非降解部分，存在长期炎症反应。②公开号为CN102488570A的发明专利提供了一种包括承受载荷的复合纱线和束缚复合纱的地组织结构形成的针织人工韧带材料，该复合纱线采用耐磨聚酯丝包裹高强聚酯复丝组成，以衬纬方式织入地组织结构。该专利解决了人工韧带耐磨问题，但较高强力复合纱线的存在造成织物整体强力不匀，易产生应力集中，且材料均不可降解，存在长期炎症反应；此外，其针织结构的线圈孔径及孔隙过大，不利于植入后自体组织再生，且延伸性较大、刚度较低，植入后造成活动范围超出正常生理反应范围。
因此，上述公开专利所提出的多层结构需二次加工，无法一体成型；且所用主要材料为不可降解材料，无法满足移植物植入后生物力学、降解周期和组织再生速度相匹配问题。这与本专利一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带的结构设计及制备技术之间存在实质性的差异。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：制备一种梯度降解机织人工韧带，该人工韧带可一体化微成型，制作方法简单，结构参数可调，具有优异的力学性能和梯度降解性能。
为了解决上述问题，本发明提供了一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述人工韧带为一体成型结构，其为两端由2-10层管状或片状接结组织构成的股骨和胫骨骨隧道段、中间为关节腔游离段的三段式机织人工韧带；所述股骨和胫骨骨隧道段为多层经纱、纬纱构成的交织结构，各层之间则通过接结组织连接；所述关节腔游离段为平行排列的经纱。
优选地，所述管状或片状接结组织中表组织和里组织的织物组织为平纹、斜纹或缎纹。
优选地，所述管状或片状接结组织中表组织和里组织的复合结构为管状接结复合结构或片状接结复合结构。
优选地所述管状或片状接结组织的接结方法为下接上接结法、上接下接结法、联合接结法、接结经接结法或接结纬接结法，其中，接结点的数量为0-64 个/循环。
优选地，所述股骨和胫骨骨隧道段的经密为500-2000根/10cm，纬密为50-300 根/10cm。
优选地，所述经纱或纬纱中单根纱线的直径为0.1-0.40mm。
优选地，所述的经纱、纬纱的材质为蚕丝、PGA、PGLA、PGCL、PPDO、 PCL、PLA和P4HB单丝、复丝或编织线中的任意一种或几种的组合。
优选地，所述人工韧带的长度为6-15cm，宽度为2-10mm，厚度为1-5mm；其中，两段股骨和胫骨骨隧道段的长度均为2-5cm，关节腔游离段的长度为 2-5cm。
本发明还提供了上述一体化微成型梯度降解机织人工韧带的制备方法，其特征在于：
第一步、确定多层织物组织图：选择基础织物组织，以此基础织物组织作为双层表组织，确定双层里组织组织图及表/里组织复合方式，选择接结方法及接结点数量，得到双层组织组织图；以此组织图作为基础组织，重复上述步骤，即得多层织物组织图；
第二步、确定上机图：确定织物密度和穿综穿筘方式；
第三步、上机织造：确定不同降解特性的纱线排布；
第四步、后处理：织造完成后，将制得的人工韧带用乙醇清洁后，在25℃下烘干，并在50-105℃下热处理10-30min，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，得到一体化微成型梯度降解机织人工韧带。
优选地，所述人工韧带的三维拓扑结构的调控通过改变织造参数和梯度降解性能实现；所述人工韧带的生物力学性能的调控通过改变梯度降解性能和组织诱导性能实现。
优选地，所述人工韧带的梯度降解性能的调控通过改变不同降解特性的纱线排布实现；所述人工韧带的韧带组织诱导性能通过以下三点调控：①在植入初期韧带三维拓扑结构为细胞提供粘附位点；②植入后期韧带梯度降解出三维孔道为细胞长入提供空间；③植入后期部分纱线降解，避免应力遮挡效应，新生组织随即得到力学刺激。
优选地，所述人工韧带的孔径为250-400μm，孔隙率为75-90％；初始断裂强度为100-200Mpa，刚度为150-300N/mm，降解周期为6-18个月。
优选地，所述第二步中采用的穿综穿筘方式为顺穿法或分区穿法，所述的穿筘方法为2-16入/筘。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所制备的一体化微成型梯度降解机织人工韧带通过选择不同的纺织结构参数，可获得2-10层管状或片状接结组织机织结构，实现植入初期高强力学性能。
(2)本发明所制备的一体化微成型梯度降解机织人工韧带各层之间通过接结组织连接，结构稳定，具有良好的耐磨性能和疲劳性能。
(3)本发明所制备的一体化微成型梯度降解机织人工韧带通过调整织造参数和不同降解特性的纱线排布，实现韧带的梯度化降解，达到材料的三维拓扑结构与人工韧带的生物力学性能、降解性能和组织诱导性能的协同响应。
(4)本发明所制备的一体化微成型梯度降解机织人工韧带的多层结构可一体成型，无需对片状织物进行卷绕成型，避免复杂的二次加工以及致密的孔隙结构。
附图说明
图1为实施例1提供的一体化微成型梯度降解机织人工韧带的示意图；
图2为图1中Ⅰ部分的局部放大图；
图3为图1中Ⅱ部分的局部放大图；
图4a、4b、4c分别为平纹、斜纹、缎纹基础组织的示意图；
图5a、5b分别为管状接结复合结构、片状接结复合结构织物截面的示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1-3制得的人工韧带进行的各性能测试如下：
力学性能测试：参照YY_T0965-2014进行单轴向拉伸实验，确定所得韧带力学性能。
生物安全性评价：参照GB/T16886进行生物学评价。
降解性能实验：将制得的人工韧带材料植入动物前交叉韧带缺损模型，定期观察其降解情况。
实施例1
一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带的制备方法：
第一步，确定多层织物组织图。织物组织为斜纹；以此斜纹织物组织作为双层表组织，以管状接结复合方式得到双层组织组织图，接结方法为上接下接结法，接结点数量16个/循环；
第二步，确定上机图。经密：500根/10cm，纬密:50根/10cm，穿综方式为顺穿法，每筘穿入数：4入/筘，筘号200。
第三步，上机织造。表经31、表纬41所用纱线为0.2mm PGLA单丝，里经 32、里纬42所用纱线为0.2mm PPDO单丝。表经：里经＝1:1，表纬：里纬＝1:1，织物结构如图2所示。
第四步，后处理。织造完成后，将制得的多层机织人工韧带用乙醇清洁后在 25℃下烘干，并在90℃温度下进行热处理10-30min，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，最终得到一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带，两段骨隧道段长度均为2cm，关节腔游离段长度为2cm，厚度为1.5mm，宽度为2mm。孔径为250μm，孔隙率为90％。
最后，制备得到的一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带的断裂强度为100MPa，刚度为150N/mm，生物相容性良好。将制得的人工韧带材料植入新西兰大白兔前交叉韧带缺损动物模型，3个月力学强度为正常对照20％，6个月力学强度为正常对照30％，再生胶原纤维取向较好，材料完全降解时间为6个月。
如图1-3所示，为本实施例提供的一体化微成型梯度降解机织人工韧带的示意图，以4层结构为例，所述人工韧带为一体成型结构，其为2-10层管状或片状接结组织构成的两端为股骨和胫骨骨隧道段1、中间为关节腔游离段2的三段式机织人工韧带；所述股骨和胫骨骨隧道段1为多层经纱3、纬纱4构成的交织结构；所述关节腔游离段2为平行排列的经纱3。其中，经纱3包括上层表经31、上层里经32、下层表经33及下层里经34，纬纱4包括上层表纬41、上层里纬 42、下层表纬43及下层里纬44(图2所示)。所述管状或片状接结组织5中表组织和里组织的织物组织为平纹51(图4a所示)、斜纹52(图4b所示)或缎纹 53(图4c所示)。所述管状接结复合结构54如图5a所示，片状接结复合结构 55如图5b所示)。
实施例2
一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带的制备方法：
第一步，确定多层织物组织图。织物组织为平纹；以此平纹织物组织作为双层表组织，以片状接结复合方式得到双层组织组织图，接结方法为下接上接结法，接结点数量32个/循环；以此双层组织组织图作为下层表组织组织图，以片状接结复合方式得到四层组织组织图，接结方法为下接上接结法，接结点数量32个/ 循环。
第二步，确定上机图。经密：1200根/10cm，纬密:150根/10cm，穿综方式为顺穿法，每筘穿入数：8入/筘，筘号200。
第三步，上机织造。上层表经31和下层里经34所用纱线为3股0.1mm PGA 单丝编织线，上层里经32、表纬41和下层表经33、里纬44所用纱线为3股0.1mm PCL单丝编织线。上/下层表经：里经＝1:1，上层表纬：里纬＝1:0，下层表纬：里纬＝0:1。
第四步，后处理。织造完成后，将制得的多层机织人工韧带用乙醇清洁后在 25℃下烘干，并在50℃温度下进行热处理10-30min，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，最终得到一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带，两段骨隧道段长度分别为3cm，关节腔游离段长度为2cm，厚度为2.5mm，宽度为3.8mm。孔径为350μm，孔隙率为85％。
最后，制备得到的一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带的断裂强度为140MPa，刚度为230N/mm，生物相容性良好。将制得的人工韧带材料植入比格犬前交叉韧带缺损动物模型，3个月力学强度为正常对照25％，6个月力学强度为正常对照40％，1年力学强度为正常对照60％，再生胶原纤维取向及成熟度均接近对照组，材料完全降解时间为1年。
实施例3
一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带的制备方法：
第一步，确定多层织物组织图。织物组织为平纹；以此平纹织物组织作为双层表组织，以片状接结复合方式得到双层组织组织图，接结方法为下接上接结法，接结点数量64个/循环；以此组织图作为基础组织，接结方法为上接下接结法，重复上述步骤3次，即可得到10层织物组织图。
第二步，确定上机图。经密：2000根/10cm，纬密:300根/10cm，穿综方式为分区穿法，每筘穿入数：16入/筘，筘号200。
第三步，上机织造。1、2层表经、表纬所用纱线为0.4mm PGA单丝，里经、里纬所用纱线为0.4mm P4HB单丝；3、4层表经、表纬所用纱线为0.4mm PGLA 单丝，里经、里纬所用纱线为0.4mm PPDO单丝；5、6层表经、表纬所用纱线为0.4mm PGCL单丝，里经、里纬所用纱线为0.4mm PCL单丝；7、8层纱线排布同1、2层；9、10层纱线排布同3、4层。所有层表经：里经＝1:1，表纬：里纬＝1:1。
第四步，后处理。织造完成后，将制得的多层机织人工韧带用乙醇清洁后在 25℃下烘干，并在50℃温度下进行热处理10-30min，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，最终得到一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带，两段骨隧道段长度分别为5cm，关节腔游离段长度为3cm，厚度为5mm，宽度为10mm。孔径为400μm，孔隙率为75％。
最后，制备得到的一种一体化微成型梯度降解机织人工韧带的断裂强度为200MPa，刚度为300N/mm，生物相容性良好。将制得的人工韧带材料植入约克夏猪交叉韧带缺损动物模型，3个月力学强度为正常对照35％，6个月力学强度为正常对照51％，1年力学强度为正常对照70％，18个月力学强度为正常对照 90％，韧带组织成型良好，腱骨界面间接止点形成，材料完全降解时间为18个月。

Claims (13)

1.一种一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述人工韧带为一体成型结构，其为两端由2-10层管状或片状接结组织构成的股骨和胫骨骨隧道段(1)、中间为关节腔游离段(2)的三段式机织人工韧带；所述股骨和胫骨骨隧道段(1)为多层经纱(3)、纬纱(4)构成的交织结构，各层之间则通过2-10层管状或片状接结组织连接；所述关节腔游离段(2)为平行排列的经纱(3)；
所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带的制备方法：
第一步、确定多层织物组织图：选择基础织物组织，以此基础织物组织作为双层表组织，确定双层里组织组织图及表/里组织复合方式，选择接结方法及接结点数量，得到双层组织组织图；以此组织图作为基础组织，重复上述步骤，即得多层织物组织图；
第二步、确定上机图：确定织物密度和穿综穿筘方式；
第三步、上机织造：确定不同降解特性的纱线排布；
第四步、后处理：织造完成后，将制得的人工韧带用乙醇清洁后，在25℃下烘干，并在50-105℃下热处理10-30min，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，得到一体化成型梯度降解机织人工韧带。
2.如权利要求1所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述管状或片状接结组织(5)中表组织和里组织的织物组织为平纹(51)、斜纹(52)或缎纹(53)。
3.如权利要求1所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述管状或片状接结组织(5)中表组织和里组织的复合结构为管状接结复合结构(54)或片状接结复合结构(55)。
4.如权利要求1所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述管状或片状接结组织(5)的接结方法为下接上接结法、上接下接结法、联合接结法、接结经接结法或接结纬接结法，其中，接结点的数量为0-64个/循环。
5.如权利要求1所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述股骨和胫骨骨隧道段(1)的经密为500-2000根/10cm，纬密为50-300根/10cm。
6.如权利要求1所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述经纱(3)或纬纱(4)中单根纱线的直径为0.1-0.40mm。
7.如权利要求1所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述的经纱(3)、纬纱(4)的材质为蚕丝、PGA、PGLA、PGCL、PPDO、PCL、PLA和P4HB中的任意一种或几种的组合。
8.如权利要求1所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述的经纱(3)、纬纱(4)为单丝、复丝或编织线中的任意一种或几种的组合。
9.如权利要求1所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述人工韧带的长度为6-15cm，宽度为2-10mm，厚度为1-5mm；其中，两段股骨和胫骨骨隧道段(1)的长度均为2-5cm，关节腔游离段(2)的长度为2-5cm。
10.如权利要求1所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述人工韧带的三维拓扑结构的调控通过改变织造参数和梯度降解性能实现；所述人工韧带的生物力学性能的调控通过改变梯度降解性能和组织诱导性能实现。
11.如权利要求1所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述人工韧带的梯度降解性能的调控通过改变不同降解特性的纱线排布实现；所述人工韧带的韧带组织诱导性能通过以下三点调控：①在植入初期韧带三维拓扑结构为细胞提供粘附位点；②植入后期韧带梯度降解出三维孔道为细胞长入提供空间；③植入后期部分纱线降解，避免应力遮挡效应，新生组织随即得到力学刺激。
12.如权利要求1所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述人工韧带的孔径为250-400μm，孔隙率为75-90％；初始断裂强度为100-200Mpa，刚度为150-300N/mm，降解周期为6-18个月。
13.如权利要求1所述的一体化成型梯度降解机织人工韧带，其特征在于，所述第二步中采用的穿综穿筘方式为顺穿法或分区穿法，所述的穿筘方法为2-16入/筘。
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