CN111096827A - 人造半月板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种人造半月板至少包括第一层和第二层，该第二层至少部分地重叠设置在第一层之上，其中，第一层具有多个第一线状体，第一线状体沿第一方向延伸，第二层具有多个第二线状体，第二线状体沿第二方向延伸，第二方向与第一方向之间呈第一角度。该人造半月板还可进一步包括更多的层。该人造半月板能更好地兼容于人体中，且适于个性化设计。还公开了一种人造半月板的制造方法。

Description

人造半月板及其制造方法

技术领域

本发明涉及医疗移植物领域，具体涉及一种人造半月板的结构。此外，本发明还涉及制造人造半月板的方法。

背景技术

人体的膝关节由股骨下端、胫骨上端以及位于前方的髌骨组成。在股骨和胫骨的关节面之间垫有呈月牙形的软骨垫片，称之为“半月板”。半月板的作用是在膝关节活动的过程中减少关节面之间的摩擦和振动，使压力均匀分布。每个膝关节中包括两个半月板，即内侧半月板和外侧半月板，内侧半月板外缘较厚，内缘则比外缘薄得多，而外侧半月板则比内侧半月板略小，且较为丰满，近似于“O”形。

若膝关节动作不当，容易造成半月板损伤，例如因撕裂性外力造成半月板撕裂，或因研磨性外力而造成半月板磨损。

一般认为，半月板一旦损伤很难自我修复。若半月板损伤严重，就需要采用手术介入方式将损伤的半月板切除或取出。此外，为了至少部分地恢复膝关节的功能，在将损伤的半月板取出之后，可植入人造半月板。

目前临床应用的人造半月板大部分是用单一材料模制而成，形成与天然半月板相同或类似形状。但是，目前常用的人造半月板难以达到与天然半月板的形状结构完全相同。而且，目前常用的人造半月板一般为统一规格，因此无法完美地适用于不同的个体。

因此，在医疗移植物领域中，存在对改进的人造半月板的需求，以能够更好地兼容于人体中，此外还能够针对不同的个体进行个性化的设计。

发明内容

本发明是基于以上的现有技术所面对的问题而作出的，以解决上述问题中的至少一个。

本发明的人造半月板至少包括第一层和第二层，该第二层至少部分地重叠设置在第一层之上，其中，第一层具有多个第一线状体，第一线状体沿第一方向延伸，第二层具有多个第二线状体，第二线状体沿第二方向延伸，第二方向与第一方向之间呈第一角度。

通过上述第一形状提和第二线状体的延伸方向之间所成的角度，可使所形成的人造半月板具有网状结构，包括从其上表面贯穿到下表面的多个孔隙。而且，这些孔隙之间是相互连通的，而且这些互相连通的孔隙具有曲折的路径。这样，在将本发明的人造半月板植入到人体中之后，人体的细胞可生长到这些孔隙中并穿过孔隙，并且由于孔隙的曲折路径，生长好的组织会牢固地粘附于该人造半月板。这样，该人造半月板可更好地兼容于人体中。

此外，本发明的由丝状体组成的人造半月板的结构适于通过3D工艺来制造，从而可以在测量了患者的天然半月板的具体尺寸之后根据所测得的尺寸进行个性化的打印和制造。换言之，本发明的人造半月板适于个性化的设计。

对于上述人造半月板，其较佳地满足以下条件中的至少一种：

第一线状体和/或第二线状体的丝径为0.1～1mm；

第一角度为10～90度；以及

相邻的两个第一线状体之间的间距和/或相邻的两个第二线状体之间的间距为0.5～2mm。

上述第一线状体和第二线状体的尺寸和相互位置参数的设置可在人造半月板中形成尺寸更加适当的孔隙，以供人体细胞生长和通过。

本发明的人造半月板还包括第三层，其中，第三层与第一层和第二层至少部分地重叠设置，其中，第三层至少部分地重叠设置在第二层之上，并具有沿第三方向延伸的第三线状体，第三方向与第二方向之间呈第二角度。

就第三层而言，人造半月板还可满足以下条件中的至少一种：

第三线状体的丝径为0.1～1mm；

第二角度为10～90度；以及

相邻的两个第三线状体之间的间距为0.5～2mm。

进一步地，根据实际的需要，人造半月板可以进一步地包括更多的层，例如可以在第三层上形成第四层、在第四层上形成第五层、等等。

较佳地，第一线状体、与第一线状体呈第一角度的第二线状体以及与第二线状体呈第二角度的第三线状体形成沿着人造半月板的厚度方向延伸的贯穿孔隙。其中，贯穿孔隙的孔径在0～0.9mm的范围内。

用来制成半月板的材料包括聚氨酯。该材料可以更好地模拟天然半月板的特性，如弹性、强度等。

更佳地，制成半月板的材料还可以包括以下材料中的至少一种：聚碳酸酯、羟基磷灰石和聚碳酸酯型聚氨酯。

为了更好地使人造半月板兼容于人体，在人造半月板的表面上涂敷有和/或在人造半月板内渗入有胶原蛋白、水凝胶和生长因子中的至少一种。

此处，生长因子包括CTGF和TGFβ3中的至少一种。

本发明还涉及一种制造上述人造半月板的方法，该方法包括如下步骤：

使用溶剂来溶解用于制造人造半月板的材料，形成溶液；

采用所述溶液进行低温打印，其中沿所述第一方向打印多个所述第一线状体，从而形成所述第一层，然后沿所述第二方向打印多个所述第二线状体，从而在所述第一层上形成所述第二层，由此形成所述人造半月板的坯件；以及

对所述人造半月板的所述坯件进行冻干，使所述溶剂挥发，以形成所述人造半月板。

进一步地，该方法还包括：

在形成人造半月板的坯件的过程中，即，在对坯件进行冻干之前，还沿第三方向打印多个第三线状体，从而在第二层上形成第三层，其中，第三方向与第二方向呈第二角度。

由于本发明的人造半月板适于根据不同的个体进行个性化的设计，因此上述方法相应地还可包括如下步骤：通过CT扫描建立个体数据，并基于该个体数据建立打印模型。后续的低温打印可基于该打印模型来进行。

较佳地，上述用来制造人造半月板的材料至少包括聚氨酯，而溶剂选自以下材料中的至少一种：1,4-二氧六环、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、氯仿和乙腈。

较佳地，冻干溶液的温度在-20～-70℃的范围内。此外，低温打印的温度范围在-18～-30℃之间。

进一步地，该方法还可包括：利用负压，将胶原蛋白、水凝胶和生长因子中的至少一种施加到人造半月板的表面和内部。这样，通过施加负压，不但可使这些材料涂敷在人造半月板的各表面上，还可使这些材料沿着该人造半月板的网状结构的孔隙渗入到人造半月板的内部，涂敷在内部的各层的各线状体的表面上。

在上述方法中，除非有明确的说明或者可以毫无疑义地得出各步骤之间的顺序，对各步骤的顺序没有严格的限制，可以根据实际生产需求调整各步骤的顺序。

附图说明

在附图中：

图1示出了本发明的人造半月板的俯视图；

图2示出了示例性的三层结构人造半月板的分解图；

图3示出了图2所示的各层所组成的人造半月板的局部放大图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当了解，附图中所示的仅仅是本发明的较佳实施例，其并不构成对本发明的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本发明进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，这些都落在本发明的保护范围之内。

此外，在此要说明的是，在本文中使用的诸如“上”、“上方”、“下”“下方”之类的表示方向、方位的术语是以图中所示的状态为基准的，在实际使用时，各部分之间的相对位置关系会有所变化。

图1示出了本发明的人造半月板1的俯视图。该人造半月板1呈现多层结构，且构成该多层结构的各个层互相至少部分地重叠，并形成网状结构。本发明的人造半月板1包括至少两层、较佳地为三层或更多层的结构。以下将以三层结构的人造半月板1为例对本发明进行描述，以便于理解本发明的实质精神。

图2示出了具有三层结构的人造半月板1的分解图，其中将人造半月板1的第一层10、第二层20和第三层30显示为互相分开。

在图2中，第一层10是位于最下面的一层，其中，第一层10中包括多个第一线状体11，这些第一线状体11彼此之间大致平行地延伸，具体来说是基本上沿着第一方向X1延伸。本领域技术人员可知，不必严格地要求第一层10中的各第一线状体11互相间平行，只要大致互相平行，从而基本上都沿着第一方向X1延伸，也同样在本发明的保护范围之中。

较佳地，第一线状体11的丝径可在0.1～1mm的范围内，并且相邻的两个第一线状体11之间的间距(或者说是相邻的两个第一线状体11之间的垂直距离)可在0.5～2mm的范围内选择。此处，当第一层10的第一线状体11并不是严格地互相平行，而只是大致平行的情形中，此处的“间距”也可认为是相邻的第一线状体11之间的平均间距。在本发明中，在整个第一层10的范围内，各相邻的第一线状体11之间的间距可以是基本恒定的。不过，根据具体的应用场合和需要，第一线状体11之间的间距也可以是不同的。例如，从人造半月板1的边缘向中间递增或递减，或者从一侧边缘向另一侧边缘递增，等等。

上述有关第一线状体11的尺寸的选取是考虑了人造半月板1的通常尺寸，并且考虑到要确保最终形成的人造半月板1中可形成合适的孔隙，由此得出的较佳的尺寸范围。

在第一层10上方的是第二层20，该第二层20包括多个第二线状体21。与第一线状体11类似，这些第二线状体21彼此之间大致平行地延伸，并且基本上是沿着第二方向X2延伸。如图2中所示的，第二方向X2与第一方向X1之间形成第一角度α。第二层20可至少部分地重叠在第一层10上，从而与第一层10一起形成网状的结构，并且对于第一层10和第二层20的组合来说，形成从顶面(或者说是第二层20的上表面)到底面(或者说是第一层10的下表面)的贯穿孔隙。

该第一角度α较佳地在10～90度的范围内。并且，与第一线状体11相同，第二线状体21的丝径可在0.1～1mm的范围内，并且相邻的两个第二线状体21之间的间距也同样地可在0.5～2mm的范围内。并且，第二线状体21之间的间距也可以是恒定的或变化的。

在第二层20上方的是第三层30，该第三层30至少部分地重叠在第二层20上，且包括多个第三线状体31。同样地，该第三层30中的第三线状体31彼此大致平行地延伸，并且基本上是沿着第三方向X3延伸。如图2中所示的，第三方向X3与第二方向之间形成第二角度β。该第二角度β也可在10～90度的范围内选取。

此外，第三线状体31的尺寸同样可如下地设置：其丝径可在0.1～1mm的范围内，且相邻的两个第三线状体31之间的间距在0.5～2mm的范围内。并且，相邻的两个第三线状体31之间的上述间距也可以是恒定的或变化的。

图3示意性地示出了本发明的人造半月板1的局部放大视图，具体为图2所示的第一～第三层重叠在一起而形成人造半月板1的一种示例性结构。图3中更清楚地显示，第一线状体11、第二线状体21和第三线状体31的延伸方向互相间依次转过选定的角度，从而互相交叉，形成网状结构，并具有多个贯穿孔隙40。并且，由于人造半月板1是通过多层的线状体互相交叉重叠而形成的网状结构，其中形成的贯穿孔隙40是相互间贯通的。

此外，该贯穿孔隙40的孔径较佳地是在0～0.9mm的范围内。该孔径可通过适当的设置各层中的线状体的丝径、间距、不同层中线状体延伸方向的相互角度等参数来设置。

如上所述，本发明的人造半月板1可还包括三层以上的结构，相邻两层中的线状体相互呈一定的角度，该角度可以是恒定的，也可以根据需要而变化。即，以上述三层结构为例，第一角度α和第二角度β可以是相同的，也可以是不同的。

在本发明中，采用生物兼容的弹性材料来形成该人造半月板1。例如，可使用聚氨酯(PU)作为制造该人造半月板1的材料。PU具有足够的弹性来模拟天然半月板的性能，同时又具有生物兼容性。除了PU之外，还可考虑其它的材料，例如还可采用聚碳酸酯(PC)。这样，本发明的人造半月板1可模拟天然半月板的弹性。

在本发明中，还考虑了采用PC和PU混合材料来制造人造半月板1。其中，PC和PU之间的比例可如下设置：20:80、30:70、40:60等，以满足对弹性的要求，同时还能保持所需的强度。

除此之外，用来制造人造半月板1的材料中还可包括聚碳酸酯型聚氨酯(PCU)、羟基磷灰石(HA)等。此外，为了提高人造半月板1的生物活性，还可在制造人造半月板1的材料中加入生长因子。进一步地，还可在人造半月板1中涂敷生长因子。例如，人造半月板1的上表面、下表面、各个层中的各线状体表面上都可涂敷由该生长因子。此外，还可选择性地涂敷诸如胶原蛋白、水凝胶等材料，以提高人造半月板1在人体中的适应性，有利于细胞的生长和附着。关于生长因子，可包括CTGF和TGFβ3中的至少一种。

本发明采用低温3D打印技术来制造以上所述的人造半月板1。该方法具体如下：

首先，提供用来制造人造半月板1的材料。该材料的例子已经详细地在上文中公开了。下面，以PU为例进行描述，但以上所公开的其它材料或材料组合也在本发明的保护范围之内。

在准备好材料之后，用溶剂来溶解该材料，形成制造人工半月板1的材料的溶液。在制备好溶液之后，在低温环境下使用该溶液进行打印，特别是进行3D打印，然后再进行冻干处理。此处，所谓的“冻干”是指在相比溶剂的沸点要低的温度下冷却溶液，进而通过使溶剂挥发而去除溶液中的溶剂。这样，可以形成低温打印材料，用于形成本发明的人造半月板1。

此处，对于用来溶解诸如PU之类的材料的溶剂，通常可从以下材料中地选择：1,4-二氧六环(溶点11℃，沸点101.1℃)、二甲基亚砜(DMSO)(溶点18.4℃，沸点189℃)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(溶点18.4℃，沸点189℃)、二氯甲烷、氯仿和乙腈等。其中，通过对溶液进行冻干使其中的溶剂挥发，可保证无残留地去除其中的溶剂，留下低温打印材料。在上述举例的溶剂中，1,4-二氧六环对于3D打印工艺尤其合适。

此外，在上述冻干步骤中，对溶液进行冻干的温度应在溶剂的沸点以下。进一步地具体来说，该冻干温度可以设置在0～-70℃的范围内，较佳地可在-20～-70℃的范围内。

在用溶剂溶解材料以形成溶液之后，使用3D打印机来打印形成本发明的人造半月板1。具体来说，首先沿着第一方向X1打印多个第一线状体11，这些第一线状体11形成人造半月板1的第一层10。接着，沿着第二方向X2，在已经打印好的第一层10上打印多个第二线状体21，这样，这些第二线状体21形成至少部分地、较佳地完全重叠在第一层10上的第二层20。第一层10的第一线状体11和第二层20的第二线状体21形成网状结构。

根据具体的人造半月板1的结构，尤其是根据构成该人造半月板1的层数，可重复以上打印第一层10和第二层20的步骤。每次打印的方向相对于前一次的打印方向转过预定的角度，例如以上所提到的在10～90度范围内的第一角度α和第二角度β等。例如，对于图2和3所示的结构，在打印好第二层20之后，需要在第二层20上再打印第三层30。由此，形成人造半月板1的坯件。

接着，对该人造半月板1的坯件进行冻干处理，使溶液中的溶剂挥发，由此最终形成人造半月板1。

在上述方法中，低温打印的温度至少应在室温以下，较佳地可以在-30℃～室温的范围内，较佳地是可在-18～-30℃的范围之内。

较佳地，在低温打印以形成人造半月板1之后，可对该人造半月板1涂敷生长因子、胶原蛋白、水凝胶等材料。具体来说，首先将这些材料施加到人造半月板1的表面上，例如施加在上表面、下表面上等，然后对人造半月板1施加负压，比如将人造半月板1放置在抽吸源上，利用抽吸力，使这些涂敷材料流经该人造半月板1的网状结构中的孔隙，在此过程中，上述生长因子、胶原蛋白、水凝胶之类的材料可渗入人造半月板1内部，并涂敷到各层、各线状体的表面上。

以上对本发明的较佳实施方式进行了描述。在上述较佳实施方式的基础上，可以对本发明进行各种等效的改型、修改和变换，它们同样在本发明的保护范围之内。

例如，以上提到各层中的线状体的间距可以是平均的，也可以是变化的。在此基础上，可以将不同层的相邻线状体之间的间距设置为互相不同。例如，在图2所示的三层结构的人造半月板1中，可以将位于中间的第二层20中的第二线状体21之间的间距设置为较大，而位于两侧的第一层10中的第一线状体11之间的间距较小。而在三层以上的结构中，该间距可以是从上往中间递增，然后再从中间往下递减。

此外，除了以上提到的用于制造人造半月板1的材料和用于溶解该材料的溶剂的具体种类之外，还可选择其它具有类似特性的已知材料，其中，对于人造半月板制造材料，需要其具有可模拟天然半月板的弹性和强度，且具有适当的生物兼容性，而对于溶剂，则其应当适于通过冻干工艺而被无残留地去除，且可得到更加适应低温3D打印工艺的低温打印材料。

再比如，本发明的人造半月板1的结构适于针对不同的个体进行个性化设计。由此，在以上所述的人造半月板的相应制造方法中，在该方法的最初对人体进行CT扫描，基于扫描到的数据建立模型，后续的低温3D打印依据该模型进行。

Claims (16)

1.一种人造半月板，其特征在于，所述人造半月板至少包括第一层和第二层，所述第二层至少部分地重叠设置在所述第一层之上，其中，所述第一层具有多个第一线状体，所述第一线状体沿第一方向延伸，所述第二层具有多个第二线状体，所述第二线状体沿第二方向延伸，所述第二方向与所述第一方向之间呈第一角度。

2.如权利要求1所述的人造半月板，其特征在于，所述人造半月板满足以下条件中的至少一种：

所述第一线状体和/或所述第二线状体的丝径为0.1～1mm；

所述第一角度为10～90度；以及

相邻的两个所述第一线状体之间的间距和/或相邻的两个所述第二线状体之间的间距为0.5～2mm。

3.如权利要求1或2所述的人造半月板，其特征在于，所述人造半月板还包括第三层，所述第三层与所述第一层和所述第二层至少部分地重叠设置，其中，所述第三层至少部分地重叠设置在所述第二层之上，并具有沿第三方向延伸的第三线状体，所述第三方向与所述第二方向之间呈第二角度。

4.如权利要求3所述的人造半月板，其特征在于，所述人造半月板满足以下条件中的至少一种：

所述第三线状体的丝径为0.1～1mm；

所述第二角度为10～90度；以及

相邻的两个所述第三线状体之间的间距为0.5～2mm。

5.如权利要求3所述的人造半月板，其特征在于，所述第一线状体、与所述第一线状体呈所述第一角度的所述第二线状体以及与所述第二线状体呈所述第二角度的所述第三线状体形成沿着所述人造半月板的厚度方向延伸的贯穿孔隙。

6.如权利要求5所述的人造半月板，其特征在于，所述贯穿孔隙的孔径在0～0.9mm的范围内。

7.如权利要求1所述的人造半月板，其特征在于，制成所述人造半月板的材料包括聚氨酯。

8.如权利要求1所述的人造半月板，其特征在于，制成所述人造半月板的材料还包括以下材料中的至少一种：聚碳酸酯、羟基磷灰石和聚碳酸酯型聚氨酯。

9.如权利要求1所述的人造半月板，其特征在于，在所述人造半月板的表面上涂敷有和/或在所述人造半月板内渗入有胶原蛋白、水凝胶和生长因子中的至少一种。

10.如权利要求9所述的人造半月板，其特征在于，所述生长因子包括CTGF和TGFβ3中的至少一种。

11.一种制造如权利要求1所述的人造半月板的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

使用溶剂来溶解用于制造所述人造半月板的材料，形成溶液；

采用所述溶液进行低温打印，其中沿所述第一方向打印多个所述第一线状体，从而形成所述第一层，然后沿所述第二方向打印多个所述第二线状体，从而在所述第一层上形成所述第二层，由此形成所述人造半月板的坯件；以及

对所述人造半月板的所述坯件进行冻干，使所述溶剂挥发，以形成所述人造半月板。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述人造半月板还包括第三层，所述第三层与所述第一层和所述第二层至少部分地重叠设置，其中，所述第三层至少部分地重叠设置在所述第二层之上，并具有沿第三方向延伸的第三线状体，所述第三方向与所述第二方向之间呈第二角度；并且，所述方法还包括：

在进行所述冻干之前，还沿第三方向打印多个第三线状体，从而在所述第二层上形成第三层，其中，所述第三方向与所述第二方向呈第二角度。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过CT扫描建立个体数据，并基于所述个体数据建立打印模型。

14.如权利要求11～13中任一项所述的方法，其特征在于，所述材料至少包括聚氨酯，而所述溶剂选自以下材料中的至少一种：1,4-二氧六环、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、氯仿和乙腈。

15.如权利要求11～13中任一项所述的方法，其特征在于，冻干所述溶液的温度在-20～-70℃的范围内；和/或

所述低温打印的温度范围在-18～-30℃之间。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：利用负压，将胶原蛋白、水凝胶和生长因子中的至少一种施加到所述人造半月板的表面和内部。

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