CN111449804B - 一种组织工程支架矿化方法 - Google Patents

一种组织工程支架矿化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111449804B
CN111449804B CN202010190434.8A CN202010190434A CN111449804B CN 111449804 B CN111449804 B CN 111449804B CN 202010190434 A CN202010190434 A CN 202010190434A CN 111449804 B CN111449804 B CN 111449804B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mineralization
bone
mineralized
scaffold
tissue engineering
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010190434.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111449804A (zh
Inventor
吕红斌
史强
胡建中
陈灿
赵春风
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xiangya Hospital of Central South University
Original Assignee
Xiangya Hospital of Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xiangya Hospital of Central South University filed Critical Xiangya Hospital of Central South University
Priority to CN202010190434.8A priority Critical patent/CN111449804B/zh
Publication of CN111449804A publication Critical patent/CN111449804A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111449804B publication Critical patent/CN111449804B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/08—Muscles; Tendons; Ligaments
    • A61F2/0811—Fixation devices for tendons or ligaments
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/025—Other specific inorganic materials not covered by A61L27/04 - A61L27/12
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/12—Phosphorus-containing materials, e.g. apatite
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/16—Macromolecular materials obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/18—Macromolecular materials obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2240/00—Manufacturing or designing of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
    • A61F2240/001—Designing or manufacturing processes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2400/00—Materials characterised by their function or physical properties
    • A61L2400/12—Nanosized materials, e.g. nanofibres, nanoparticles, nanowires, nanotubes; Nanostructured surfaces
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/06—Materials or treatment for tissue regeneration for cartilage reconstruction, e.g. meniscus
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/10—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of tendons or ligaments

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Rheumatology (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Rehabilitation Therapy (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

本申请属于组织工程领域，涉及一种组织工程支架矿化装置以及组织工程支架梯度矿化的方法。所述组织工程支架矿化装置包含微量泵，其用于控制矿化液的输出；注射器；其用于储藏矿化液，并在微量泵的控制下输出矿化液；以及矿化槽，其用于接收矿化液；其中，所述矿化槽设有带斜度的支撑架，用于放置组织工程支架。所述组织工程支架矿化装置可以自动而精准地对骨腱界面支架进行梯度矿化。

Description

一种组织工程支架矿化方法
技术领域
本申请属于组织工程领域，涉及一种组织工程支架矿化装置以及组织工程支架矿化方法。
背景技术
以下内容仅为申请人对相关技术领域知识的认知，并不必然构成现有技术。
组织工程支架是指能与组织活体细胞结合并能植入生物体的不同组织，并根据具体替代组织具备的功能的材料。界面组织是指如韧带到骨骼，肌腱到骨骼和软骨到骨骼等不同组织类型的交接处。
近年来，界面组织工程正蓬勃发展，而研究核心和难点均包括了钙化层结构的重建(Seidi,Azadeh,et al."Gradient biomaterials for soft-to-hard interfacetissue engineering."Acta biomaterialia 7.4(2011):1441-1451.)。Allan等通过分离于牛关节的软骨细胞放入多孔磷酸钙(porous calciumpolyphosphate,CPP)，并让细胞在b-甘油磷酸(10mM，b-GP)存在的条件下生长，构建的具有钙化层界面的骨软骨复合支架(Allan,K.S.,et al."Formation of biphasic constructs containing cartilage witha calcified zone interface."Tissue engineering 13.1(2007): 167-177.)。Cheng等首次利用MSCs和胶原微球技术在体外合成高度仿生的钙化层结构，其中具备功能性的肥大软骨细胞、Ⅱ型和Ⅹ型胶原、相同程度的钙盐沉积以及垂直走向的胶原纤维(Cheng,Hiu-wa,et al."In vitro generation of an osteochondral interface from mesenchymalstem cell–collagen microspheres."Biomaterials 32.6(2011):1526-1535.)。Shi等通过重力作用滴加矿化液到凝胶支架上实现梯度矿化(Shi,Dongjian,et al."Preparationand properties of dopamine-modified alginate/chitosan–hydroxyapatitescaffolds with gradient structure for bone tissue engineering."Journal ofBiomedical Materials Research Part A 107.8 (2019):1615-1627)。
尽管如此，成功地在体外形成了连续的，精确的钙化组织界面尚未见报道。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本申请提供了一种组织工程支架矿化装置以及一种组织工程支架矿化方法。
本申请的目的之一在于提供一种能够精准矿化的组织工程支架矿化装置和方法。
本申请的另一目的在于提供一种操作简便的组织工程支架矿化装置和方法。
本申请的另一目的在于提供一种结构简单的组织工程支架矿化装置。
本申请的上述目的通过以下技术手段实现：
一方面，本申请提供了一种组织工程支架矿化装置，其包含：
(1)微量泵；用于控制矿化液输出到矿化槽；
(2)注射器；用于储藏矿化液，并在微量泵的控制下输出矿化液；以及
(3)矿化槽；用于接收矿化液；
其中，所述矿化槽内设有带斜度的支撑架；所述支撑架用于放置组织工程支架。
在一些实施方式中，所述支撑架的斜度为30°±5°；优选30°±4°；优选30°±3°；优选 30°±2°；优选30°±1°；优选30°。
在一些实施方式中，所述矿化槽和支撑架为一体，不可拆卸。又或者，所述矿化槽和支撑架可分离。
在一些实施方式中，所述支撑架为一平面。
在另一些实施方式中，所述支撑架为一网面。
在一些实施方式中，所述矿化装置还含有矿化液输送管道。
在一些实施方式中，所述矿化液输送管道一端连接注射器的输出端，另一端连接矿化槽。在一些优选的实施方式中，所述矿化液输送管道连接到矿化槽的槽壁下部。
在另一些实施方式中，所述矿化液输送管道一端连接注射器的输出端，另一端伸入矿化槽。
在一些优选的实施方式中，所述伸入矿化槽的矿化液输送管道向下延伸所对应的矿化槽的位置低于组织工程支架放置的位置，此种情况下可以使组织工程支架在较为稳定的状态下矿化，而不是矿化液直接滴到组织工程支架上或者组织工程支架上方。
在一些实施方式中，所述矿化装置还含有同步辐射微束荧光分析仪，用于解析正常组织界面(如骨腱界面)的矿物质元素含量的空间分布特点。
在一些实施方式中，所述组织工程支架包含但不限于界面组织工程支架。
在一些具体的实施方式中，所述界面组织工程支架包括骨腱界面支架、韧带-骨骼界面支架和/或软骨-骨骼界面支架。
在一个示范性的实施方式中，所述界面组织工程支架选自骨腱界面支架。
在一个可选的实施方式中，所述骨腱界面支架可选自专利CN110448732A中公开的书页支架。
在一些实施方式中，本申请的矿化装置，通过将组织工程支架放置于矿化装置中，基于同步辐射微束荧光分析技术解析的正常骨腱界面矿物元素(钙)含量的空间分布特点(由潮线区到钙化纤维软骨，矿物元素在潮线位置开始呈现指数增长)，构建了矿物元素在骨腱界面分布的数字模型。然后利用微量泵中控制矿化液速率和时间，将矿化液纳米簇溶液匀速滴加至矿化装置中，由于支撑架的斜度设计，组织工程支架在纳米簇溶液中浸泡的时间不同，骨腱界面组织工程支架底部(骨端)钙元素沉积多，顶部(肌腱端)钙元素沉积少，使组织工程支架从潮线处到钙化纤维软骨端钙元素分布呈指数分布，从而实现组织工程支架的梯度矿化。
另一方面，本发明还提供了骨腱界面支架矿化方法，所述方法包括：
(1)解析正常骨腱界面矿物质元素含量的空间分布特点，构建矿物质元素在正常骨腱界面的数学分布模型；
(2)基于正常骨腱界面的数学分布模型，将待矿化的骨腱界面支架以30°±5°的斜度，逐步接触矿化液，通过控制矿化液跟骨腱界面支架接触时间长短，从而使骨腱界面支架梯度矿化。
在一些实施方式中，所述骨腱界面支架以30°±4°，或者30°±3°，或者30°±3°，或者 30°±1°，又或者30°的斜度，接触矿化液。
在一些实施方式中，所述矿化液为磷酸钙纳米簇。
在一些实施方式中，所述磷酸钙纳米簇含有以下组分：聚丙烯酸PAA、CaCl2、Na2HPO4和聚天冬氨酸PASP。
在一些实施方式中，所述磷酸钙纳米簇含有以下组分：0.001-0.05g/mL的聚丙烯酸 PAA，0.01-0.2M的CaCl2，0.01-0.2M的Na2HPO4，0.001-0.025g/mL的聚天冬氨酸PASP。
在一些实施方式中，所述磷酸钙纳米簇含有以下组分：0.026g/mL的聚丙烯酸PAA，0.043M的CaCl2，0.043M的Na2HPO4，0.013g/mL的聚天冬氨酸PASP。
在一些实施方式中，所述磷酸钙纳米簇的溶剂为去离子水。
在一些实施方式中，所述磷酸钙纳米簇的pH为7-8。
在一些实施方式中，所述磷酸钙纳米簇的pH为7.2-7.8。
在一些实施方式中，所述磷酸钙纳米簇的pH为7.4-7.6。
在一些实施方式中，所述磷酸钙纳米簇的尺寸为0.01-10nm。
在一些实施方式中，所述磷酸钙纳米簇的尺寸为0.1-5nm。
在一些实施方式中，所述磷酸钙纳米簇的尺寸为0.5-2.1nm。
在一些实施方式中，所述磷酸钙纳米簇的尺寸为约1nm。
在一些实施方式中，步骤(2)中，通过控制矿化液的流速和时间控制矿化液跟骨腱界面支架接触时间长短。
在一些实施方式中，所述矿化液的流速为0.2±0.05mL/d(毫升/天)；时间为7d(天)± 6h(小时)。
在一些实施方式中，所述矿化液的流速为0.2mL/d(毫升/天)；时间为7d(天)。
在一些实施方式时，矿化起始时，骨腱界面潮线离矿化液或矿化槽底的高度为2mm± 0.5mm；矿化时，矿化液的上升的速度为1mm±0.5mm/d；矿化时间为7d±4h
在一些实施方式时，矿化起始时，骨腱界面潮线离矿化液或矿化槽底的高度为2mm± 0.05mm；矿化时，矿化液的上升的速度为1mm±0.05mm/d；矿化时间为7d±6h。
在一些示范性的实施方式中，矿化起始时，骨腱界面潮线离矿化液或矿化槽底的高度为 2mm；矿化时，矿化液的上升的速度为1mm/d；矿化时间为7d。
在一些实施方式中，所述骨腱界面支架矿化区域为潮线区到钙化纤维软骨区。
在一些实施方式中，所述骨腱界面支架的骨端先接触矿化液。
在一些实施方式中，所述骨腱界面的骨端方向朝下，肌腱端朝上，以一定的斜度接触矿化液。
在一些实施方式中，所述方法采用上述的矿化装置进行矿化。
在一些具体的实施方式中，所述方法包括：
(1)将骨腱界面支架，骨端朝下，肌腱端朝上，放置于矿化槽中的支撑架上；
(2)通过微量泵控制注射器中的矿化液输出到矿化槽，梯度矿化骨腱界面支架。
在一些实施方式中，本申请的有益效果为：首次提供了一种组织工程支架的梯度矿化装置，其含有的支撑架带有一定斜度，使组织工程支架所有表面均能与磷酸钙纳米簇相接触，从而可以实现组织工程支架从潮线区到钙化纤维软骨的梯度矿化。
在另一些实施方式中，本申请的有益效果为：所述的装置和方法操作简单，且一次可同时矿化多个组织工程支架。
在另一些实施方式中，本申请的有益效果为：以正常的骨腱界面矿物质分布为参照物，基于同步辐射微束荧光分析技术首次解析了正常骨腱界面矿物元素钙含量的空间分布特点 (由从潮线区到钙化纤维软骨，矿物元素钙元素在潮线位置开始呈现指数增长)，并构建了矿物元素钙在骨腱界面分布的数字化模型，可实现精准矿化。
在另一些实施方式中，本申请的有益效果为：利用纳米簇技术实现组织工程支架的精准矿化。生物体内骨主要无机成分是羟基磷灰石，其中钙和磷是最主要的两种基本元素，并在细胞外基质的生物矿化沉积中起重要作用。在骨形成的早期，主要是由纳米级尺寸的无定型磷酸钙颗粒富集到矿化前沿，相变结晶，最后得到矿化的组织。由于纳米簇具有类液体流动的性质，在胶原的空隙区域通过毛细作用力渗透到胶原内部，纳米簇在胶原内部结晶矿化，从而可以作为矿化装配的基元组装组织工程支架。
附图说明
图1为实施例1中的组织工程矿化装置示意图。
图2为实施例2中的组织工程矿化装置示意图。
图3为骨腱界面组织的钙元素分布；(A)正常骨腱界面中钙元素分布特点图：钙化纤维软骨层及骨中含有钙元素较高，未钙化纤维软骨区及肌腱钙含量很低，从肌腱到髌骨，钙元素含量渐增，潮线为增高起始位置，标尺为探测到的钙元素信号强度及含量；(B)量化表征正常骨腱界面中钙元素分布特点：钙元素聚积在骨和潮线区域，呈指数上升(方框)；(C) 正常骨腱界面组织(左侧)及损伤后骨腱界面组织(右侧)钙元素分布特点；(D)正常骨腱界面组织(左侧)及损伤后骨腱界面组织(右侧)磷元素分布特点。SCB：软骨下骨、 CF：钙化的纤维软骨、UF：未钙化的纤维软骨、TF：肌腱。
图4为骨腱界面组织梯度矿化后的实物图。
图5为矿化时间和矿化液的高度对组织工程支架矿化影响；
其中，A为利用EDX(能量色散X射线光谱仪)和SEM(扫描电镜)测定脱钙骨腱界面组织工程支架中骨区域浸泡纳米簇溶液0、1、4、7、10天后钙、磷的重量百分比。结果发现在 7天时骨组织已实现了和正常骨组织内钙、磷元素含量基本相同，从而实现完全均质矿化；其中，B为将骨腱界面组织工程支架中软骨区域潮线部分分别在距离纳米簇液面0、1、2、 3mm的高度的位置开始矿化，发现在2mm高度时，纳米簇可以通过毛细现象渗透至潮线位置。由于纳米簇可以在软骨胶原的空隙区域可以通过毛细作用力渗透到胶原内部，因此通过不同时间点(0、6h、12h、1d、4d和7d)的处理后，发现7d后实现骨腱界面组织工作支架与正常骨腱界面一致的梯度矿化，具体的说从支架潮线到钙化纤维软骨钙元素呈指数分布。
图6为矿化液流速对组织工程支架矿化影响；
其中，A为在TEM(投射电镜)下，正常骨腱界面组织工程支架、纳米簇滴出速度 (v＝0.1mL/d)、纳米簇滴出速度(v＝0.2mL/d)、纳米簇滴出速度(v＝0.3mL/d)矿化后的骨腱界面组织工程支架的图(从左到右)；
其中，B为SEM(扫描电镜)正常骨腱界面组织工程支架、纳米簇滴出速度(v＝0.1mL/d)、纳米簇滴出速度(v＝0.2mL/d)、纳米簇滴出速度(v＝0.3mL/d)矿化后的骨腱界面组织工程支架的图(从左到右)；
其中，C为EDS(X射线能谱分析)结果显示v＝0.2mL/d时骨腱界面组织工程支架钙含量与正常骨腱界面组织工程支架一致。Bar＝200μm。
图7为将骨腱界面组织工程支架分别与不同滴出速率(v＝0.1mL/d、0.2mL/d和0.3mL/d)纳米簇装配，进行钙黄绿素色染色，评估复合装配和矿化效果。研究结果显示v＝0.2mL/d时骨腱界面组织工程支架各个区域钙黄绿素的绿色荧光亮度与正常骨腱界面组织工程支架一致。
图8为冷冻电镜下的纳米簇，其尺寸为约1nm。
附图标记：1、微量泵；2、注射器；3、矿化槽；4、支撑架；5矿化液输送管道。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或者“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。
当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
本文所使用的术语“斜”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
本文中，所述的“约”、“左右”为本数加减20％，或者本数加减10％，本数加减50％，本数加减10％，以及上述期间的任意一个数值。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1一种组织工程支架矿化装置
如图1所示，所述组织工程支架矿化装置含有用于控制矿化液的输出微量泵1；用于储藏矿化液并在微量泵的控制下输出矿化液的注射器2；用于接受矿化液的矿化槽3。所述的矿化槽3内设有30°左右(如25、26、27、28、29、31、32、33、34、35，或者这之间的任意一个数值)斜度的支撑架4，用于放置组织工程支架。所述组织工程支架矿化装置还含有矿化液输送管道5，其一端连接注射器2的输出端，另一端连接到矿化槽3的槽壁下部。所述支撑架4为一平面。
实施例2一种组织工程支架矿化装置
如图2所示的组织工程支架矿化装置，其矿化液输送管道5一端连接注射器2的输出端，另一端伸入矿化槽3，其余特征同实施例1。
实施例3一种组织工程支架矿化装置
一种组织工程支架，所述支撑架4为一网面，可以使组织工程支架直接与矿化液接触更充分，矿化更充分，其余特征同实施例1。
实施例4一种组织工程支架矿化装置
一种组织工程支架，其还含有同步辐射微束荧光分析仪，用于解析正常组织界面(如骨腱界面)的矿物质元素含量的空间分布特点，用于构建矿物元素在组织界面分布的数字模型，作为组织工程支架的参照模型，从而实现精准矿化。其余的特征同实施例1。
实施例5一种组织工程支架矿化方法
基于同步辐射微束荧光分析技术，解析骨腱界面的矿物质元素含量的空间分布特点，构建矿物元素在骨腱界面分布的数字模型。钙元素在正常骨腱界面组织分布的曲线如图3。
将组织工程支架(骨腱界面支架)置于PBS液中超声清洗10min，60℃过夜烘干，然后将预处理的组织工程支架固定在30度左右梯度矿化装置的支撑架上(骨端方向朝下，肌腱端朝上)，在37℃条件下置于配置好的纳米簇溶液【0.4mL(0.3g/mL)PAA+2mL(0.1M)CaCl2+2mL(0.1M)Na2HPO4+0.2mL(0.3g/mL)PASP】置于注射器中，依据正常骨腱界面中潮线位置到钙化纤维软骨钙元素含量呈现指数增长的特点，通过去细胞组织工程支架在纳米簇上浸泡时间和毛细作用力的不同，筛选出微量泵中纳米簇溶液的速率和时间，使之与正常骨腱界面的数字化模型一致，从而实现组织工程支架的精准梯度矿化。
1、骨腱界面组织工程支架中软骨区域潮线部分距离纳米簇液面高度对骨腱界面矿化的影响
实验方法：调节骨腱界面组织工程支架的高度，使软骨区域潮线部分距离纳米簇液平面的高度分别为(0、1、2、3mm)，由于纳米簇可以通过毛细现象进入骨腱界面组织工程支架中，因而研究不同高度进入潮线至钙化纤维软骨区域的情况。
实验结果：当软骨区域潮线部分距离纳米簇液平面的高度为2mm时，纳米簇可以通过毛细现象渗透至钙化纤维软骨区潮线位置(见图5B)。
2、矿化时间对骨腱界面矿化的影响
实验方法：脱钙骨腱界面组织工程支架中骨区域浸泡纳米簇溶液0、1、4、7、10天后测试钙、磷的重量百分比(图5A)。
矿化起始时，将骨腱界面组织工程支架中软骨区域潮线部分悬挂在距离纳米簇液面 2mm的高度，由于纳米簇可以在软骨胶原的空隙区域可以通过毛细作用力渗透到胶原内部，因此通过不同时间点(0、6h、12h、1d、4d和7d)的处理后，发现实现骨腱界面组织工作支架与正常骨腱界面软骨区梯度矿化的具体时间。
实验结果：利用EDX(能量色散X射线光谱仪)和SEM(扫描电镜)测定结果发现在7天时骨腱界面组织工程支架骨和软骨区域实现了和正常骨腱界面钙、磷元素含量基本相同，从而实现骨区域完全均质矿化和软骨区域梯度矿化(见图5A)。
3、矿化液的流速对骨腱界面矿化的影响
分别采用0.1mL/d、0.2mL/d和0.3mL/d的纳米簇溶液流速矿化预处理过的骨腱界面支架。
骨腱界面组织工程支架与不同滴出速率纳米簇(0.1mL/d、0.2mL/d和0.3mL/d)装配，进行钙黄绿素色染色，评估复合装配和矿化效果。研究结果显示出纳米簇浓度为0.2mL/d时支架矿化效果程度和正常骨腱界面组织工程支架钙元素含量一致(见图7)。
通过SEM(扫描电子显微镜)和EDS(能量分析光谱仪)(1天、4天、7天和10天) 结果发现在7天时(微量泵速率为0.2mL/d)实现了与正常骨腱界面组织工程支架骨区域均质矿化(见图6)。
总结：当矿化时间为7d左右时，矿化液流速约为0.2mL/d，以及矿化开始时，潮线部分距离矿化液平面的高度约为2mm(每天矿化液液面高度升高约1mm)，可以实现接近正常骨腱界面矿化程度。
实施例6磷酸钙纳米簇的制备方法
1、合成溶液A:将0.2mL聚天冬氨酸PASP(0.3g/mL)加入菌种瓶中，然后加入2mL 无水氯化钙(0.1M)，混合成溶液A；
2、合成溶液B:将2mL的磷酸氢二钠(0.1M)和0.4mL的聚丙烯酸(0.3g/mL)混合制的溶液B；
3、2.4mL溶液B加入到2.2mL的溶液A中，混合均匀，最后加入氢氧化钠溶液调节 pH至7.4左右。
纳米簇状磷酸钙为淡黄色，透明，有流动性但同时具备一定粘性的凝胶状液体。由于“纳米簇状磷酸钙”是一种大小为约1纳米尺度的磷酸钙液态前驱体(见图8)，具有较好的流动性和生物活性，并且可以逐步转变为羟基磷灰石(HAP)，在胶原的空隙区域可以通过毛细作用力渗透到胶原内部，实现胶原内部结晶仿生矿化，从而可以作为矿化装配的基元，实现骨、软骨等富含胶原组织的仿生矿化。

Claims (16)

1.一种骨腱界面支架矿化方法，所述方法包括：
（1）解析正常骨腱界面矿物质元素含量的空间分布特点，构建矿物质元素在正常骨腱界面的数学分布模型；
（2）基于正常骨腱界面的数学分布模型，将待矿化的骨腱界面支架以30°±5°的斜度，逐步接触矿化液，通过控制矿化液跟骨腱界面支架接触时间长短，从而使骨腱界面支架梯度矿化；
所述矿化液为磷酸钙纳米簇；
通过控制矿化液的流速和时间控制矿化液跟骨腱界面支架接触时间长短；
矿化起始时，骨腱界面潮线离矿化液或矿化槽底的高度为2 mm± 0.5mm；矿化时，矿化液的上升的速度为1mm ± 0.5mm/d；矿化时间为7 d±4 h。
2.如权利要求1所述方法，所述磷酸钙纳米簇含有：聚丙烯酸PAA、CaCl2、Na2HPO4和聚天冬氨酸PASP。
3.如权利要求1所述方法，所述磷酸钙纳米簇含有以下组分：0.001-0.05g/mL的聚丙烯酸PAA，0.01-0.2M 的CaCl2，0.01-0.2M 的Na2HPO4，0.001-0.025g/mL的聚天冬氨酸PASP。
4.如权利要求1所述方法，所述矿化液的pH为7-8。
5.如权利要求1所述方法，所述骨腱界面支架的矿化区域为潮线区到钙化纤维软骨区。
6.如权利要求1所述方法，所述骨腱界面支架的骨端先接触矿化液。
7.如权利要求1所述方法，采用如下矿化装置进行矿化：
其含有：
（1）微量泵；用于控制矿化液的输出；
（2）注射器；用于储藏矿化液，并在微量泵的控制下输出矿化液；以及
（3）矿化槽；用于接收矿化液；
其中，所述矿化槽内设有带斜度的支撑架；所述支撑架的斜度为30°±5°，用于放置组织工程支架。
8.如权利要求7所述方法，所述矿化槽和支撑架为一体；或者所述矿化槽和支撑架可拆分。
9.如权利要求7所述方法，所述矿化装置还含有矿化液输送管道。
10.如权利要求9所述方法，所述矿化液输送管道一端连接注射器的输出端，另一端连接矿化槽。
11.如权利要求9所述方法，所述矿化液输送管道连接到矿化槽的槽壁下部。
12.如权利要求9所述方法，所述矿化液输送管道一端连接注射器的输出端，另一端伸入矿化槽。
13.如权利要求7所述方法，所述矿化装置还含有同步辐射微束荧光分析仪，用于解析正常组织界面的矿物质元素含量的空间分布特点。
14.如权利要求7所述方法，所述组织工程支架包含界面组织支架。
15.如权利要求14所述方法，所述界面组织支架包括骨腱界面支架、韧带-骨骼界面支架和/或软骨-骨骼界面支架。
16.如权利要求1所述方法，其包含以下步骤：
（1）将骨腱界面支架，骨端朝下，肌腱端朝上，放置于矿化槽中的支撑架上；
（2）通过微量泵控制注射器中的矿化液输出到矿化槽，梯度矿化骨腱界面支架。
CN202010190434.8A 2020-03-18 2020-03-18 一种组织工程支架矿化方法 Active CN111449804B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010190434.8A CN111449804B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种组织工程支架矿化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010190434.8A CN111449804B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种组织工程支架矿化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111449804A CN111449804A (zh) 2020-07-28
CN111449804B true CN111449804B (zh) 2022-12-20

Family

ID=71671017

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010190434.8A Active CN111449804B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种组织工程支架矿化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111449804B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114246988B (zh) * 2020-09-23 2023-04-11 浙江大学 一种胶原纳米簇复合材料及其制备方法
CN112402691B (zh) * 2020-12-01 2022-03-29 浙江大学 超小粒径无定形磷酸钙羧甲基壳聚糖纳米簇材料及方法
CN113750289B (zh) * 2021-10-20 2022-11-29 香港大学深圳医院 基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料及其制备方法
CN115006604A (zh) * 2022-07-26 2022-09-06 北京大学口腔医学院 可通过仿生再矿化促进骨再生的dSIS海绵状支架、其制备方法及所得产品

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103071187A (zh) * 2013-01-14 2013-05-01 西安交通大学 一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架及其成形方法
KR20140025221A (ko) * 2012-08-22 2014-03-04 가톨릭대학교 산학협력단 점진적인 무기물 농도를 갖는 이중층 구조의 조직 재생용 지지체 및 이의 제조방법
CN103638558A (zh) * 2013-09-30 2014-03-19 中国人民解放军第三军医大学第二附属医院 仿生化韧带-骨组织工程连接体的体外构建方法
TW201620463A (zh) * 2014-12-02 2016-06-16 Univ Tunghai 礦化支架之製造方法及其裝置
CN109718249A (zh) * 2019-01-24 2019-05-07 浙江大学 一种磷酸钙纳米簇及其制备方法和应用

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9908929B2 (en) * 2013-02-01 2018-03-06 Washington University Collagen matrix with locally controlled intrafibrillar and extrafibrillar mineral content and methods of producing
US20150073551A1 (en) * 2013-09-10 2015-03-12 The Uab Research Foundation Biomimetic tissue graft for ligament replacement
US10668183B2 (en) * 2016-03-02 2020-06-02 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Bone-tendon graft biomaterial, use as a medical device and method of making same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140025221A (ko) * 2012-08-22 2014-03-04 가톨릭대학교 산학협력단 점진적인 무기물 농도를 갖는 이중층 구조의 조직 재생용 지지체 및 이의 제조방법
CN103071187A (zh) * 2013-01-14 2013-05-01 西安交通大学 一种具有仿生连接界面的韧带-骨复合支架及其成形方法
CN103638558A (zh) * 2013-09-30 2014-03-19 中国人民解放军第三军医大学第二附属医院 仿生化韧带-骨组织工程连接体的体外构建方法
TW201620463A (zh) * 2014-12-02 2016-06-16 Univ Tunghai 礦化支架之製造方法及其裝置
CN109718249A (zh) * 2019-01-24 2019-05-07 浙江大学 一种磷酸钙纳米簇及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Tendon Gradient Mineralization for Tendon to Bone Interface Integration;Jin Qu 等;《J Orthop Res.》;20131130;第31卷(第11期);第1713-1719页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111449804A (zh) 2020-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111449804B (zh) 一种组织工程支架矿化方法
Li et al. Bioinspired mineralized collagen scaffolds for bone tissue engineering
Jin et al. Fish collagen and hydroxyapatite reinforced poly (lactide-co-glycolide) fibrous membrane for guided bone regeneration
Melke et al. Silk fibroin as biomaterial for bone tissue engineering
Shea et al. Engineered bone development from a pre-osteoblast cell line on three-dimensional scaffolds
Seidi et al. Gradient biomaterials for soft-to-hard interface tissue engineering
Zou et al. Electrospun fibrous scaffolds with continuous gradations in mineral contents and biological cues for manipulating cellular behaviors
US8691273B2 (en) Method for producing hydroxyapatite particles
CN101795639A (zh) 可成形的生物陶瓷
He et al. Integration of a novel injectable nano calcium sulfate/alginate scaffold and BMP2 gene-modified mesenchymal stem cells for bone regeneration
US20060036331A1 (en) Polymer-ceramic-hydrogel composite scaffold for osteochondral repair
Gao et al. Sr-HA-graft-poly (γ-benzyl-l-glutamate) nanocomposite microcarriers: controllable Sr2+ release for accelerating osteogenenisis and bony nonunion repair
CN104707180B (zh) 负载bmp丝素蛋白/胶原蛋白支架材料及其制备方法
CN101856510A (zh) 丝素蛋白和硅酸钙复合纳米纤维支架材料的制备方法
Xia et al. Maxillary sinus floor elevation using a tissue-engineered bone with rhBMP-2-loaded porous calcium phosphate cement scaffold and bone marrow stromal cells in rabbits
Feng et al. Three-dimensional printing of scaffolds with synergistic effects of micro–nano surfaces and hollow channels for bone regeneration
CN101716382B (zh) 一种质粒dna/纤维蛋白凝胶/聚合物三元复合支架的制备方法
Leiendecker et al. Template-mediated biomineralization for bone tissue engineering
CN1460526A (zh) 含有羟基磷灰石成分的多孔型骨修复体及其制备方法
Wang et al. Construction of Vascularized Tissue Engineered Bone with nHA-Coated BCP Bioceramics Loaded with Peripheral Blood-Derived MSC and EPC to Repair Large Segmental Femoral Bone Defect
Wang et al. Spatiotemporal Modulated Scaffold for Endogenous Bone Regeneration via Harnessing Sequentially Released Guiding Signals
Zhang et al. Small Joint Organoids 3D Bioprinting: Construction Strategy and Application
Tsai et al. Preparation and characterization of microspheres comprised of collagen, chondroitin sulfate, and apatite as carriers for the osteoblast‐like cell MG63
CN100438930C (zh) 骨修复中用珍珠活性物质代替骨生长因子的受控释放方法
CN101491702B (zh) 纳米碳磷灰石/壳聚糖-聚乳酸骨组织工程支架材料的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant