CN111388756B - 一种具有三层结构和各向异性的软骨支架及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有三层结构和各向异性的软骨支架及其制备方法，软骨支架由上层、中层和下层的三层结构组成；所述支架以可降解聚合物为基体，纤维素纤维为增强相。其中：若三层结构都位于正交xyz轴上的z轴，则上层所用的纤维素纤维形态平行于xy轴平面，中层所用的纤维素纤维形态随机分布，下层所用的纤维素纤维形态垂直于xy轴平面。制备方法包括：1)聚合物溶液的配制；2)CF浸润聚合物溶液；3)CNF聚合物溶液的配制；4)WCFB的制备；5)WCFB浸润聚合物溶液。本发明的优点是：与天然膝关节透明软骨结构相似，与天然软骨中软骨细胞的分布形态相同；支架良好的生物安全性：因为具有多孔结构，因此能够在组织修复中起到运输营养的作用。
Description
技术领域
本发明涉及材料组织工程技术领域，特别涉及一种具有三层结构和各向异性的软骨支架及其制备方法。
背景技术
材料组织工程是一个发展迅速的领域，它在材料科学和组织培养技术的发展中得到了融合，是一种体外或体内构建组织或器官的新兴学科。材料组织工程的重要目的是为了在体外制备出具有特定结构或者功能的组织或者支架，再植入体内实现组织的再生。
软骨作为人体组织的一个重要部分，因其不具有血管，一旦受到物理或者病理性的破坏，很难进行自我修复，所以借助组织工程中的支架技术对受损部位进行填充并引导组织修复是再生医学中的一种基本方法。但是成年人的软骨组织，尤其是膝关节软骨组织并不是一个均匀的组织，它在不同的空间中具有不同的理化性质，显然，普通的各向同性支架对引导缺损软骨组织修复后的结果很难得到各向异性的新生组织。因此，通过制备具有各向异性的支架来实现新生软骨组织的各向异性是一个关节软骨因其承受人体大部分重量而容易损坏，关节软骨中的透明软骨主要分为上，中，下三层。每层的理化性质各不相同：上层区域胶原纤维和软骨细胞平行于软骨表面，中层区域胶原纤维和软骨细胞呈随机分布，而下层区域胶原纤维和软骨细胞垂直于软骨表面。
目前现有技术一般是通过计算机对打印的形状进行设计后，再用专门适合打印的材料和3D打印机将支架打印出来。如公开号为CN102499799A的发明专利，一种具有三层结构和各向异性的心脏支架及其制备方法；这种方案的缺陷在于需要合适打印的材料，组成支架的材料类型有限，具有局限性，且成本太高，需要昂贵的3D打印机。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种具有三层结构和各向异性的软骨支架及其制备方法，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种具有三层结构和各向异性的软骨支架，由上层、中层和下层的三层结构组成；所述支架以可降解聚合物为基体，纤维素纤维为增强相，按照每层结构的体积份数百分比为：上层10-20％，中层40-60％，下层30-40％；
其中：若三层结构都位于正交xyz轴上的z轴，则上层所用的纤维素纤维形态平行于xy轴平面，中层所用的纤维素纤维形态随机分布，下层所用的纤维素纤维形态垂直于xy轴平面。
进一步地，所述的上层和中层的纤维素纤维为棉花纤维素纤维CF和纤维素纳米纤维CNF的任意一种或两种，下层的纤维素纤维为木纤维块WCFB。
进一步地，所述的可降解聚合物所用单体为丙烯酰胺AM、丙烯酸钠AANa和聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA中的任意一种或多种。
本发明还公开了一种具有三层结构和各向异性的软骨支架的制备方法，包括以下步骤：
1)聚合物溶液的配制：按比例将聚合物单体和引发剂A加入到溶剂A中,搅拌超声使其均匀分布；
2)CF浸润聚合物溶液：CF裁剪后堆积成0.1-10mm的高度，将步骤1)中的溶液滴加至CF上，真空处理使得聚合物溶液完全浸润CF；
3)CNF聚合物溶液的配制：将1w/v％-15w/v％的CNF加入到步骤1)中的溶液，搅拌1-3天使CNF分散均匀；
4)WCFB的制备：将樟子松或榉木的树木的木质部取出裁剪后置于50-60℃，含有2-6wt％的亚氯酸钠的醋酸/醋酸盐缓冲液中处理0.5-2天，取出用去离子水和乙醇轮洗三次，经冷冻干燥技术得到WCFB；
5)WCFB浸润聚合物溶液：将WCFB加入到步骤1)中的溶液，抽真空三次使得聚合物溶液充分进入WCFB中；
6)将步骤5所得材料作为下层，步骤3所得溶液加到步骤5所得材料上面作为中层，步骤2所得材料作为上层，最后单体进行聚合形成软骨支架。
进一步地，步骤1)中所述的聚合物比例为10-30wt％，引发剂A包括：2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮I2959，引发剂比例为0.05-0.5w/v％，溶剂A包括磷酸盐缓冲液PBS。
进一步地，步骤2)中CF裁剪面积为0.1-5cm2。
进一步地，步骤4)中醋酸/醋酸盐溶液的pH值为4.6，木质部取出裁剪成体积为0.01-2.5cm3。
进一步地，步骤6)中单体进行聚合为紫外光射线引发10-30min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
具有与天然膝关节透明软骨相似的结构，通过纤维素纤维构建的各向异性结构能够调控黏附在支架上细胞的形态，使得细胞的分布形态与天然软骨中软骨细胞的分布形态相同；支架良好的生物安全性：以可降解的聚合物为基体，生物相容性的纤维素作为增强体，通过调节纤维素纤维的种类和数量能够制备出不同的力学性能的支架；下层选用的纤维素纤维因为具有多孔结构，因此能够在组织修复中起到运输营养的作用。
附图说明
图1是本发明实施例软骨支架的结构示意图；
图2是本发明实施例软骨支架上层纤维的俯视图；
图3是本发明实施例软骨支架下层纤维樟子松的俯视图；
图4是本发明实施例软骨支架的降解曲线图；
图5是本发明实施例软骨支架下层纤维樟子松的运输高度曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1、2所示，一种具有三层结构和各向异性的软骨支架，包括：上层1、中层2和下层3的三层结构组成；每层结构中的纤维素纤维在支架基材空间中的形态和分布形式不同；该支架以可降解聚合物为基体，纤维素纤维为增强相，按照每层结构的体积分数百分比为：上层1为10-20％，中层2为40-60％，下层3为30-40％。
其中：若三层结构都位于正交xyz轴上的z轴，则上层所用的纤维素纤维形态平行于xy轴平面，中层所用的纤维素纤维形态随机分布，下层所用的纤维素纤维形态垂直于xy轴平面。
所述的纤维素纤维为棉花纤维素纤维CF，纤维素纳米纤维CNF和木纤维块WCFB三种纤维素纤维。所述的可降解聚合物所用单体为丙烯酰胺PAM，丙烯酸钠PAANa和聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA中的一种或者多种。
本发明提供了一种具有三层结构和各向异性的软骨支架及其制备方法，该方法包括以下步骤：
1)可降解聚合物的溶液配制：按比例将上述聚合物单体和引发剂A加入到溶剂A中,搅拌超声使其均匀分布。
所述的聚合物比例为10-30wt％，引发剂A包括2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮I2959，引发剂比例为0.05-0.5w/v％，溶剂A包括磷酸盐缓冲液PBS。
2)CF浸润聚合物溶液：CF裁剪成面积为0.1-5cm2，堆积成0.1-10mm的高度，将步骤1)中的溶液滴加至CF上，真空处理使得聚合物溶液完全浸润CF。
3)CNF聚合物溶液的配制：将1-15w/v％的CNF加入到步骤1)中的溶液，搅拌1-3天使CNF分散均匀。
4)WCFB的制备：将樟子松(如图3所示)或榉木的木质部取出裁剪成0.01-2.5cm3体积放入置于50-60℃，含有2-6wt％的亚氯酸钠的醋酸/醋酸盐缓冲液(pH值为4.6)中处理0.5-2天，取出用去离子水和乙醇轮洗三次，经冷冻干燥技术得到WCFB。
5)WCFB浸润聚合物溶液：将WCFB加入到步骤1)中的溶液，抽真空三次使得聚合物溶液充分进入WCFB中。
6)将步骤5)所得材料作为底层，步骤3)所得溶液加到步骤5)所得材料上面作为中层，步骤2)所得材料置于最上层最为上层，在紫外光射线引发10-30min的条件下单体进行聚合形成软骨支架。
步骤6)中所述一定条件包括紫外光射线引发10-30min。
如图4所示，可以看出本发明不同于其他的组织工程中的永久植入物。并且支架的降解时间跟新生组织生长所需要的时间相近。意味着支架植入体内时，缺损组织的生长速度和支架的降解速度相近，因此支架不会阻新生组织的生长。因此能够更好的促进软骨组织的修复。
如图5所示，可以看出本发明的软骨支架下层纤维樟子松的运输高度曲线，证明了本发明能够在组织修复中起到运输营养的作用。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种具有三层结构和各向异性的软骨支架，其特征在于：由上层、中层和下层的三层结构组成；所述支架以可降解聚合物为基体，纤维素纤维为增强相，按照每层结构的体积份数百分比为：上层10-20％，中层40-60％，下层30-40％；
其中：若三层结构都位于正交xyz轴上的z轴，则上层所用的纤维素纤维形态平行于xy轴平面，中层所用的纤维素纤维形态随机分布，下层所用的纤维素纤维形态垂直于xy轴平面。
2.根据权利要求1所述的一种具有三层结构和各向异性的软骨支架，其特征在于：所述的上层和中层的纤维素纤维为棉花纤维素纤维CF和纤维素纳米纤维CNF的任意一种或两种，下层的纤维素纤维为木纤维块WCFB。
3.根据权利要求1所述的一种具有三层结构和各向异性的软骨支架，其特征在于：所述的可降解聚合物所用单体为丙烯酰胺AM、丙烯酸钠AANa和聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA中的任意一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种具有三层结构和各向异性的软骨支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)聚合物溶液的配制：按比例将聚合物单体和引发剂A加入到溶剂A中,搅拌超声使其均匀分布；
2)CF浸润聚合物溶液：CF裁剪后堆积成0.1-10mm的高度，将步骤1)中的溶液滴加至CF上，真空处理使得聚合物溶液完全浸润CF；
3)CNF聚合物溶液的配制：将1w/v％-15w/v％的CNF加入到步骤1)中的溶液，搅拌1-3天使CNF分散均匀；
4)WCFB的制备：将樟子松或榉木的树木的木质部取出裁剪后置于50-60℃，含有2-6wt％的亚氯酸钠的醋酸/醋酸盐缓冲液中处理0.5-2天，取出用去离子水和乙醇轮洗三次，经冷冻干燥技术得到WCFB；
5)WCFB浸润聚合物溶液：将WCFB加入到步骤1)中的溶液，抽真空三次使得聚合物溶液充分进入WCFB中；
6)将步骤5所得材料作为下层，步骤3所得溶液加到步骤5所得材料上面作为中层，步骤2所得材料作为上层，最后单体进行聚合形成软骨支架。
5.根据权利要求4所述的一种具有三层结构和各向异性的软骨支架，其特征在于：步骤1)中所述的聚合物比例为10-30wt％，引发剂A包括：2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮I2959，引发剂比例为0.05-0.5w/v％，溶剂A包括磷酸盐缓冲液PBS。
6.根据权利要求4所述的一种具有三层结构和各向异性的软骨支架，其特征在于：步骤2)中CF裁剪面积为0.1-5cm2。
7.根据权利要求4所述的一种具有三层结构和各向异性的软骨支架，其特征在于：步骤4)中醋酸/醋酸盐溶液的pH值为4.6，木质部取出裁剪成体积为0.01-2.5cm3。
8.根据权利要求4所述的一种具有三层结构和各向异性的软骨支架，其特征在于：步骤6)中单体进行聚合为紫外光射线引发10-30min。
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