CN112571881A - 一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架及其制备方法 - Google Patents

一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架及其制备方法，包括：外层、中间层和内层，外层为非取向丝素蛋白纤维膜、非取向聚乳酸熔融静电纺纤维膜或者丝素蛋白/聚己内酯静电纺纤维膜中的任意一种，中间层为蚕丝短纤维增强基丝素蛋白/羊毛蛋白多孔仿生基质或者丝素蛋白/胶原蛋白复合多孔仿生基质，在中间层中设有呈径向排列的增强纤维，内层为取向丝素蛋白纤维膜或者取向纯丝素蛋白水溶液静电纺纤维膜，外层、中间层和内层，依次叠加复合后，经过冷冻干燥获得半月板支架，该半月板支架具有优良力学性能、生物相容性和诱导组织再生能力。

Description

一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架及 其制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架及其制备方法。
背景技术
半月板是膝关节股骨髁与胫骨平台之间的半月形软骨板，属于纤维软骨组织，包括内侧半月板和外侧半月板，由相对较少量的纤维软骨细胞和丰富多量的胞外基质包绕形成，其基质主要包括胶原和蛋白多糖。其作用为减缓膝关节压力，吸收震荡使力量缓冲，保持运动的协调性，润滑关节。造成半月板损伤的原因很多，但多半是由扭转外力而引起的。由于半月板独特的解剖结构以及无血运区损伤后不具备愈合能力，因此半月板重建术成为损伤修复领域科研人员的研究热点之一。组织工程半月板重建是一种较为可行的修复半月板损伤的方法。从现有研究来看，用于半月板组织工程的支架材料主要有天然生物材料、人工合成材料和纳米材料等。由于天然生物材料缺乏良好的力学性能，而人工合成材料生物相容性较天然材料差，所以目前未找到令人满意的半月板支架材料。目前使用单组分的生物材料及其加工方法制备半月板支架存在着诸多缺点和不足，如不能同时具备良好的生物相容性和力学性能。如半月板支架材料仅仅使用单组分的人工合成材料聚己内酯(PCL)，不能满足半月板支架细胞外基质中的仿生有序胶原束结构的要求；多组分的复合材料可以弥补单组分材料存在的问题，通过将两种或两种以上具有互补特性的生物材料制备成一系列具有崭新性能的复合支架材料可以弥补各自的不足，达到同时增强半月板支架的生物相容性和力学性能。如人工半月板支架中编织纤维在编织后采用浇注的方法，对各层编织结构上包裹生物材料来维持其现有形状，该半月板支架的孔隙率低，孔径小，不能满足半月板支架中细胞的繁殖和扩散，不能满足生物学要求。
丝素蛋白(SF)是蚕丝的主要组成部分，是一种天然高分子纤维蛋白，含有18种氨基酸，其中以甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸为主，它具有良好的生物相容性，适宜的机械性能及可降解性等优异性能，目前它广泛应用于生物医学材料领域。SF多孔材料制备方面，有采用冷冻干燥工艺，对SF以及有机溶剂的混合溶液进行冻干制得SF微孔支架；也有在SF溶液中加入适量的变性剂(醇类)，冷冻融解后获得多孔材料，然后经醇类溶液浸洗，冷冻干燥获得多孔材料。这两种人工支架材料的制备过程中，添加的有机溶剂不能挥发完全，不利于改善材料的生物相容性，另外，材料结构与人体自体骨结构也不同。羊毛蛋白(WK)是作为一种天然纤维状的蛋白质，其氨基酸序列中存在促进骨细胞吸附的RGD(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸)三肽序列，对具有良好的生物相容性，对细胞的贴附和生长有积极促进作用，因此WK在生物医用材料应用方面有着天然的优势。最新的研究结果显示，以SF和WK为材料，可以用来制备力学性能优异、降解性能优良及生物相容性好的生物膜材料。如一种具有优良生物相容性的SF/WK复合多孔材料，但其没有添加纤维增强材料，不适合于半月板支架的力学性能要求。
因此，本发明提出了一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架及其制备方法，以SF和WK为原料，以蚕丝短纤维为纤维增强材料，采用冷冻干燥等工艺，制备类似人体半月板结构和功能的支架材料。
发明内容
本发明目的是提供一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架及其制备方法。
本发明的一种技术方案是：
一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架，包括：外层、中间层和内层，所述外层为非取向丝素蛋白(SF)静电纺纤维膜、非取向聚乳酸(PLA)熔融静电纺纤维膜或者丝素蛋白(SF)/聚己内酯(PCL)静电纺纤维膜中的任意一种，所述中间层为蚕丝短纤维增强基丝素蛋白(SF)/羊毛蛋白(WK)多孔仿生基质或者丝素蛋白/胶原蛋白复合多孔仿生基质或者羊毛蛋白/胶原蛋白复合多孔仿生基质，在所述中间层中设有呈径向排列的增强纤维，所述内层为取向丝素蛋白静电纺纤维膜或者取向纯丝素蛋白水溶液静电纺纤维膜，所述外层、中间层和内层，依次叠加复合后，经过冷冻干燥获得半月板支架。
进一步的，所述半月板支架的厚度为5～20mm。
本发明的另一种技术方案是：
一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)利用甲酸作为溶剂制备再生SF溶液，所述再生SF溶液通过静电纺丝的方法制成非取向SF静电纺纤维膜，或者制备非取向PLA熔融静电纺纤维膜，或者利用六氟异丙醇作为溶剂制备SF/PCL混合溶液，所述SF/PCL混合溶液通过静电纺丝的方法制成非取向SF/PCL静电纺纤维膜，作为外层；
(2)利用六氟丙酮作为溶剂制备再生SF溶液，所述再生SF溶液通过静电纺丝的方法制备取向SF静电纺纤维膜，或者制备取向纯SF水溶液静电纺纤维膜，作为内层；
(3)制备蚕丝短纤维增强基SF/WK多孔仿生基质，或者3D打印制备SF/胶原蛋白复合多孔仿生基质，或者羊毛蛋白/胶原蛋白复合多孔仿生基质，作为中间层的材料；
(4)半月板支架的复合：将所述外层、中间层的材料和内层叠在一起在-40～-80℃，36～60h条件下进行冷冻干燥，得到多孔复合支架，将所述多孔复合支架按照近似人体半月板尺寸大小制备成半圆环形，所述半圆环形的外径为30～35mm，内径为10～15mm，厚度为5～20mm，获得完整的半月板支架。
进一步的，步骤(1)中所述利用甲酸作为溶剂制备再生SF溶液，所述再生SF溶液通过静电纺丝的方法制成非取向SF静电纺纤维膜，具体方法为：先按照标准方法制备再生SF溶液，将所述再生SF溶液干燥成再生SF透明膜，再将所述再生SF透明膜溶解于质量分数为98％的甲酸溶液中制备SF质量分数为5-15％的纺丝液，将所述纺丝液装入注射器中进行静电纺丝，获得纤维膜，于无水乙醇中浸泡，然后在空气中干燥，获得非取向SF静电纺纤维膜。
进一步的，步骤(1)中所述制备非取向PLA熔融静电纺纤维膜具体为：将PLA颗粒真空干燥，装入熔融纺丝釜中，加热至熔融状态，在10-20kV高压静电场作用下，熔体克服表面张力被拉伸鞭动，制得纤维直径为0.05-0.25mm的非取向PLA熔融静电纺纤维膜。
进一步的，步骤(1)中所述利用六氟异丙醇作为溶剂制备SF/PCL混合溶液，所述SF/PCL混合溶液通过静电纺丝的方法制成SF/PCL静电纺纤维膜，具体方法为：先按照标准方法制备再生SF溶液，将所述再生SF溶液干燥形成再生SF透明膜，按照SF/PCL质量共混比5～10:0～5，分别称取SF透明膜与PCL粉末，将所述SF透明膜剪碎后与所述PCL粉末混合溶于质量分数为98％的六氟异丙醇溶液中制备质量分数为1-10％的纺丝液，将所述纺丝液放入注射器中静电纺丝，获得纤维膜，于无水乙醇中浸泡，然后在通风橱中自然干燥，获得非取向SF/PCL静电纺纤维膜。
进一步的，步骤(2)中所述利用六氟丙酮作为溶剂制备再生SF溶液，所述再生SF溶液通过静电纺丝的方法制备取向SF静电纺纤维膜，具体方法为：吸取质量分数为5-15％的再生SF溶液至配有钝头针的注射器中，将注射器安装于静电纺丝机上，针头端接正极，接收器端接负极或接地，电压差为10-30kV，用微量泵控制注射器以0.1-10mL/h的速率推注，接收器为转速可调的金属圆筒，所述接收器的转速为500-2500r/min，在所述接收器端接收获得取向SF静电纺纤维膜。
进一步的，步骤(2)中所述制备取向纯SF水溶液静电纺纤维膜，具体方法为：先按照标准方法制备丝素新鲜水溶液，将放置在透析袋中的所述丝素新鲜水溶液放入质量分数为5-15％的聚乙二醇溶液里进行反透析，制得质量分数为8-28％的纺丝液，将所述纺丝液放入注射器中进行静电纺丝，获得取向纯SF水溶液静电纺纤维膜。
进一步的，步骤(3)中所述制备蚕丝短纤维增强基SF/WK多孔仿生基具体为：在室温条件下，将质量分数为1～20％的SF水溶液和质量分数为1～20％的WK溶液按体积比4～10:0～6的比例进行混合，再按照10～40％体积比加入甘油，经过水解得到含有质量分数为0.5～20％的蚕丝短纤维的混合溶液，在所述混合溶液中，混合蛋白海绵层的厚度为5～15mm。
进一步的，步骤(3)中所述3D打印制备SF/胶原蛋白复合多孔仿生基质具体为：在室温条件下，将质量分数为1％～20％的SF水溶液和胶原蛋白溶液按体积比6～10:0～5的比例进行均匀混合，将复合多孔支架内部孔隙形状设定为不规则圆形，孔间距为0.1-2mm，层厚为0.1-0.5mm，共计3-10层，喷射速率为0.01-0.1mm/min，利用低温3D打印机，获得SF/胶原蛋白复合多孔仿生基质。
与现有技术相比，本发明优点有：
(1)本发明所述支架具有细胞外基质中的仿生有序胶原束和多孔结构，且尺寸可调，有利于细胞的黏附和增殖；
(2)具有优良的生物相容性，利于细胞的增长和活性因子的负载；
(3)双蛋白材料提高了复合支架的孔隙率和孔径大小，更多的促进了细胞的繁殖和扩散，更好的满足生物学要求；
(4)蚕丝短纤维的添加提高了复合支架的力学性能，满足了半月板纤维蛋白层的力学要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，
图1为本发明所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的结构示意图；
其中，1为半月板支架，2为外层，3为中间层，4为径向排列的增强纤维，5为内层。
图2为本发明所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的扫描电镜图，其中，(1)中间层径向纤维，(2)外层非取向纤维，(3)内层取向纤维；
图3为本发明所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的纵截面电镜图，其中，1为外层的非取向纤维膜，2为中间层的细胞外基质结构，3为中间层的径向纤维，4为内层的取向纤维膜；
图4为本发明所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的压缩应力应变曲线图，其中，S100，S80，S60分别代表SF:WK质量比为10:0，8:2，6:4:6％，9％代表双蛋白的质量分数；
图5为本发明所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的弹性形变图，从左往右依次为压缩前、压缩中和压缩完成后。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
首先，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
其次，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。
实施例1
本实施案例展示一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架。请参阅图1，图1为本发明所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的结构示意图。如图1所示，首先外层2原材料是非取向再生SF静电纺纤维膜；中间层3是蚕丝短纤维增强基SF/WK多孔仿生基质，在中间层3中设有呈径向排列的增强纤维4；内层5是取向再生SF静电纺纤维膜。制备顺序是外层2(SF静电纺)，然后是内层5(SF静电纺)，最后按照外层2-中间层3-内层4顺序叠加在一起冷冻干燥制备完整半月板支架1。具体包括以下步骤：
(1)非取向SF静电纺纤维膜的制备：用甲酸作为溶剂制备再生SF溶液，所述再生SF溶液通过静电纺丝的方法制成非取向SF静电纺纤维膜；先按照标准方法制备再生SF溶液，将所述再生SF溶液干燥形成再生SF透明膜，再将该SF透明膜溶解于质量分数为98％甲酸溶液中制备SF质量分数为5-15％的纺丝液。采用静电纺丝法制备非取向SF静电纺纤维膜。将纺丝液放入10mL注射器中，设置高压电源的工作电压为10-30kV，注射器针头到铝箔接收板距离为10-20cm，推进速度为0.1-10mL/h，在室温为25℃的环境下进行静电纺丝。所得纤维膜于无水乙醇中浸泡1h，然后在通风橱中干燥备用。
(2)取向再生SF静电纺纤维膜的制备：用质量分数为98％六氟丙酮当溶剂制备再生SF溶液，所述再生SF溶液通过静电纺丝的方法制备取向再生SF静电纺纤维膜。吸取10mL质量分数为5-15％的再生SF溶液至配有钝头针的注射器中：将注射器安装于静电纺丝机上，针头端接正极，接收器端接负极或接地，电压差为10-30kV，用微量泵控制注射器以0.1-10mL/h的速率推注，接收器为转速可调的金属圆筒，接收器转速为500-2500r/min，在接收器端接收取向再生SF静电纺纤维膜。
(3)蚕丝短纤维增强基SF/WK多孔仿生基质的制备；在室温条件下，将质量分数为1～20％的SF水溶液和WK溶液按体积比4～10:0～6的比例进行混合，再按照10～40％体积比加入甘油，经过水解得到含有质量分数为0.5～20％的蚕丝短纤维的混合溶液，混合蛋白海绵层得厚度通常在5～15mm左右。
(4)复合结构半月板支架的制备：将步骤(1)制备的非取向SF静电纺纤维膜，步骤(3)制备的SF/WK搭载蚕丝短纤维混合水溶液，步骤(2)制备的取向再生SF静电纺纤维膜通过层叠在一起在-40～-80摄氏度，36～60h条件下进行冷冻干燥，得到完整半月板支架。制备质量分数为6％的SF溶液和WK溶液，其蛋白体积比例(SF:WK)为10:0，加入10～40％体积比的甘油，并添加3％质量比的蚕丝短纤维配制成混合溶液。将静电纺丝膜与混合溶液通过层叠在一起在-40～-80摄氏度，36～60h条件下进行冷冻干燥，得到多孔复合支架，将所述多孔复合支架按照近似人体半月板尺寸大小制备成半圆环形，所述半圆环外径为35mm，内径为15mm，厚度10mm。
实施例2
如图1所示，本实施案例展示一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架。本实施例所述的半月板支架是一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架。首先外层2原材料是非取向PLA熔融静电纺纤维膜；中间层3是SF/胶原蛋白复合多孔仿生基质，在中间层3中设有呈径向排列的增强纤维4；内层5是取向再生SF静电纺纤维膜。制备顺序是外层2(PLA静电纺)，然后是内层5(SF静电纺)，最后按照外层2-中间层3-内层5顺序通过层叠在一起在-40～-80摄氏度，36～60h条件下冷冻干燥制备完整半月板支架。具体包括以下步骤：
(1)非取向PLA熔融静电纺纤维膜的制备：将PLA颗粒在60℃条件下真空干燥8-12小时后，设置熔融指数仪的料筒温度为190℃，恒温10-20min，将PLA颗粒样品装入熔融纺丝釜中，加热至熔融状态，在高压静电场作用下，熔体克服表面张力被拉伸鞭动，制得纤维直径为0.05-0.25mm的非取向PLA熔融静电纺纤维膜。电压为20-60kV，接收距离为10-25cm。
(2)取向再生SF静电纺纤维膜的制备：用质量分数为98％六氟丙酮当溶剂制备再生SF溶液，然后利用该溶液通过静电纺丝的方法制成再生SF静电纺纤维膜。吸取10mL质量分数为5-15％的再生SF溶液至配有钝头针的注射器中：将注射器安装于静电纺丝机上，针头端接正极，接收器端接负极或接地，电压差为10-30kV，用微量泵控制注射器以0.1-10mL/h的速率推注，接收器为转速可调的金属圆筒，接收器转速为500-2500r/min，在接收器端接收取向再生SF静电纺纤维膜。
(3)3D打印制备SF/胶原蛋白复合多孔仿生基质；在室温条件下，将质量分数为1～20％的SF水溶液和胶原蛋白溶液按体积比6～10:0～5的比例进行均匀混合，将复合多孔支架内部孔隙形状设定为不规则圆形，孔间距为0.1-2mm，层厚为0.1-0.5mm，共计3-10层，喷射速率为0.01-0.1mm/min。利用低温3D打印机，制备SF/胶原蛋白复合多孔仿生基质。
(4)复合结构半月板支架的制备：将步骤(1)制备的非取向PLA熔融静电纺纤维膜，步骤(3)制备的SF/胶原蛋白复合多孔仿生基质，步骤(2)制备的取向再生SF静电纺纤维膜通过层叠在一起在-40～-80摄氏度，36～60h条件下进行冷冻干燥，得到完整半月板支架。制备质量分数为5％的SF溶液和胶原蛋白溶液，其蛋白体积比例(SF:胶原蛋白)为7:3。将静电纺丝膜与混合溶液通过层叠在一起在-40～-80摄氏度，36～60h条件下进行冷冻干燥，得到多孔复合支架，将所述多孔复合支架按照近似人体半月板尺寸大小制备成半圆环形，所述半圆环外径为30mm，内径为12mm，厚度8mm。
实施例3
如图1所示，本实施案例展示一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架。本实施例制造的半月板支架是一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强半月板复合支架。首先外层2原材料是非取向SF/PCL静电纺纤维膜；中间层3是蚕丝短纤维增强基SF/WK多孔仿生基质，在中间层3中设有呈径向排列的增强纤维4；内层5是取向纯SF水溶液静电纺纤维膜。制备顺序是外层2(SF/PCL静电纺)，然后是内层5(SF静电纺)，最后按照外层2-中间层3-内层5顺序通过层叠在一起在-40～-80摄氏度，36～60h条件下冷冻干燥制备完整半月板支架。具体包括以下步骤：
(1)非取向SF/PCL静电纺纤维膜的制备：用六氟异丙醇当溶剂制备SF/PCL混合溶液，所述SF/PCL混合溶液通过静电纺丝的方法制成SF/PCL静电纺纤维膜；先按照标准方法制备再生SF溶液，将所述再生SF溶液干燥形成再生SF透明膜，按照SF/PCL质量共混比(5～10:0～5)，分别称取一定质量的SF透明膜与PCL粉末，将SF透明膜剪碎后与PCL粉末混合溶于质量分数为98％六氟异丙醇溶液中制备SF质量分数为6％的纺丝液，采用静电纺丝法制备再生SF静电纺纤维膜。将纺丝液放入10mL注射器中，设置高压电源的工作电压为10-20kV，注射器针头到铝箔接收板距离为10-20cm，推进速度为0.1-1.5mL/h，在室温为25℃的环境下进行静电纺丝。所得纤维膜于无水乙醇中浸泡，然后在通风橱中自然干燥，获得非取向SF/PCL静电纺纤维膜。
(2)取向纯SF水溶液静电纺纤维膜的制备：先按照标准方法制备丝素新鲜水溶液，将放置在透析袋中的所述丝素新鲜水溶液放入质量分数为5-15％的聚乙二醇溶液里进行反透析，制得质量分数为8-28％的纺丝液。将纺丝液放入10mL注射器中，设置高压电源的工作电压10-20kV，注射器针头到铝箔接收板距离为10-20cm，推进速度为0.1-2mL/h，接收器为转速可调的金属圆筒，接收器转速为500-2500r/min，在接收器端接收取向纯SF静电纺纤维膜。
(3)蚕丝短纤维增强基SF/WK多孔仿生基质的制备；在室温条件下，将质量分数为1～20％的SF水溶液和WK溶液按体积比4～10:0～6的比例进行混合，再按照10～40％体积比加入甘油，经过水解得到含有质量分数为0.5～20％的蚕丝短纤维的混合溶液，在所述混合溶液中，混合蛋白海绵层得厚度通常在5mm～15mm左右。
(4)复合结构半月板支架的制备：将步骤(1)制备的非取向SF/PCL静电纺纤维膜，步骤(3)制备的SF/WK搭载蚕丝短纤维混合水溶液，步骤(2)制备的取向纯SF水溶液静电纺纤维膜通过层叠在一起在-40～-80摄氏度，36～60h条件下进行冷冻干燥，得到完整半月板支架。制备质量分数为9％的SF溶液和WK溶液，其蛋白体积比例(SF:WK)为5:5，加入10～40％体积比的甘油，并添加质量比为1％的蚕丝短纤维配制成混合溶液。将静电纺丝膜与混合溶液通过层叠在一起在-40～-80摄氏度，36～60h条件下进行冷冻干燥，得到多孔复合支架，将所述多孔复合支架按照近似人体半月板尺寸大小制备成半圆环形，所述半圆环外径为30mm，内径为10mm，厚度12mm。
上述具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的性能具体如下：
请参阅图1，图1为本发明所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的结构示意图。如图1所示，半月板分为三层不同结构，构成每一层结构的胶原纤维有各自排列模式。外层及中部内有一层随机取向的纤维，该纤维蛋白层可以很好地吸收牵引、传递和分散压力。内层纤维呈环形排列以抵抗周围软组织张力的需求，中间层少数径向纤维呈放射状排列，起到固定环形纤维的作用；
请参阅图2，图2为本发明所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的扫描电镜图。如图2所示，径向纤维的长度大多分布于100-250μm，平均直径为16.9μm。非取向纤维膜表面光滑，无串珠出现，纤维直径均匀，大多分布于100-20nm；取向纤维无断裂情况，取向度较高，纤维平均角度接近一致；
请参阅图3，图3为本发明所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的纵截面电镜图，如图3所示，半月板支架各个部分有序的排列，形成一个整体，完整的仿生了人体半月板结构；
请参阅图4，图4为本发明所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的压缩应力应变曲线图。如图4所示，WK的加入会导致半月板复合支架的压缩强度适当下降，但会增大其弹性回复率；
请参阅图5，图5为本发明所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的弹性形变图。如图5所示，在经历形变量为90％的压缩后，半月板复合支架仍可以恢复原有的形状，良好的弹性能够模拟半月板缓冲减震作用。
综上所述，本发明公开了一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架及其制备方法，以SF和WK为原料，以蚕丝短纤维为纤维增强材料，采用梯度法的冷冻干燥工艺，制备类似人体半月板的支架材料，具有优良生物相容性和再生能力。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架，其特征在于，包括：外层、中间层和内层，所述外层为非取向丝素蛋白静电纺纤维膜、非取向聚乳酸熔融静电纺纤维膜或者丝素蛋白/聚己内酯静电纺纤维膜中的任意一种，所述中间层为蚕丝短纤维增强基丝素蛋白/羊毛蛋白多孔仿生基质或者丝素蛋白/胶原蛋白复合多孔仿生基质或者羊毛蛋白/胶原蛋白复合多孔仿生基质，在所述中间层中设有呈径向排列的增强纤维，所述内层为取向丝素蛋白静电纺纤维膜或者取向纯丝素蛋白水溶液静电纺纤维膜，所述外层、中间层和内层，依次叠加复合后，经过冷冻干燥获得半月板支架。
2.根据权利要求1所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架，其特征在于：所述半月板支架的厚度为5～20mm。
3.一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)利用甲酸作为溶剂制备再生丝素蛋白溶液，所述再生丝素蛋白溶液通过静电纺丝的方法制成非取向丝素蛋白静电纺纤维膜，或者制备非取向聚乳酸熔融静电纺纤维膜，或者利用六氟异丙醇作为溶剂制备丝素蛋白/聚己内酯混合溶液，所述丝素蛋白/聚己内酯混合溶液通过静电纺丝的方法制成丝素蛋白/聚己内酯静电纺纤维膜，作为外层；
(2)利用六氟丙酮作为溶剂制备再生丝素蛋白溶液，所述再生丝素蛋白溶液通过静电纺丝的方法制备取向丝素蛋白静电纺纤维膜，或者制备取向纯丝素蛋白水溶液静电纺纤维膜，作为内层；
(3)制备蚕丝短纤维增强基丝素蛋白/羊毛蛋白多孔仿生基质，或者3D打印制备丝素蛋白/胶原蛋白复合多孔仿生基质，或者冷冻干燥制备羊毛蛋白/胶原蛋白复合多孔仿生基质，作为中间层的材料；
(4)半月板支架的复合：将所述外层、中间层的材料和内层叠在一起在温度为-40～-80℃，36～60h条件下进行冷冻干燥，得到多孔复合支架，将所述多孔复合支架制备成半圆环形，所述半圆环形的外径为30～35mm，内径为10～15mm，厚度为5～20mm，获得完整的半月板支架。
4.根据权利要求3所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述利用甲酸作为溶剂制备再生丝素蛋白溶液，所述再生丝素蛋白溶液通过静电纺丝的方法制成非取向丝素蛋白静电纺纤维膜，具体为：制备再生丝素蛋白溶液，将所述再生丝素蛋白溶液干燥形成再生丝素蛋白透明膜，再将所述再生丝素蛋白透明膜溶解于质量分数为98％的甲酸溶液中制备丝素蛋白质量分数为5-15％的纺丝液，将所述纺丝液装入注射器中进行静电纺丝，获得纤维膜，于无水乙醇中浸泡，然后在空气中干燥，获得非取向丝素蛋白静电纺纤维膜。
5.根据权利要求3所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述制备非取向聚乳酸熔融静电纺纤维膜具体为：将聚乳酸颗粒真空干燥，装入熔融纺丝釜中，加热至熔融状态，在高压静电场作用下，制得纤维直径为0.05-0.25mm的非取向聚乳酸熔融静电纺纤维膜。
6.根据权利要求3所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述利用六氟异丙醇作为溶剂制备丝素蛋白/聚己内酯混合溶液，所述丝素蛋白/聚己内酯混合溶液通过静电纺丝的方法制成丝素蛋白/聚己内酯静电纺纤维膜，具体方法为：制备再生丝素蛋白溶液，将所述再生丝素蛋白溶液干燥形成再生丝素蛋白透明膜，按照丝素蛋白/聚己内酯质量共混比5～10:0～5，分别称取丝素蛋白透明膜与聚己内酯粉末，将所述丝素蛋白透明膜剪碎后与所述聚己内酯粉末混合溶于质量分数为98％的六氟异丙醇溶液中制备质量分数为1-10％的纺丝液，将所述纺丝液放入注射器中进行静电纺丝，获得纤维膜，于无水乙醇中浸泡，然后在通风橱中自然干燥，获得丝素蛋白/聚己内酯静电纺纤维膜。
7.根据权利要求3所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述利用六氟丙酮作为溶剂制备再生丝素蛋白溶液，所述再生丝素蛋白溶液通过静电纺丝的方法制备取向丝素蛋白静电纺纤维膜，具体方法为：取质量分数为5-15％的再生丝素蛋白溶液至配有钝头针的注射器中，将注射器安装于静电纺丝机上，针头端接正极，接收器端接负极或接地，电压差为10-30kV，用微量泵控制注射器以0.1-10mL/h的速率推注，接收器为转速可调的金属圆筒，所述接收器的转速为500-2500r/min，在所述接收器端接收获得取向丝素蛋白静电纺纤维膜。
8.根据权利要求3所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述制备取向纯丝素蛋白水溶液静电纺纤维膜，具体方法为：获得丝素水溶液，将放置在透析袋中的所述丝素水溶液放入质量分数为5-20％的聚乙二醇溶液里进行反透析，制得质量分数为8-28％的纺丝液，将所述纺丝液放入注射器中进行静电纺丝，获得取向纯丝素蛋白水溶液静电纺纤维膜。
9.根据权利要求3所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述制备蚕丝短纤维增强基丝素蛋白/羊毛蛋白多孔仿生基具体为：在室温条件下，将质量分数为1～20％的丝素蛋白水溶液和质量分数为1～20％的羊毛蛋白溶液按体积比4～10:0～6的比例进行混合，再按照10～40％的体积比加入甘油，经过水解得到含有质量分数为0.5～20％的蚕丝短纤维的混合溶液，在所述混合溶液中，混合蛋白海绵层的厚度为5～15mm。
10.根据权利要求3所述的一种具有多层仿生结构的蚕丝纤维增强基半月板复合支架的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述3D打印制备丝素蛋白/胶原蛋白复合多孔仿生基质具体为：在室温条件下，将质量分数为1～20％的丝素蛋白水溶液和胶原蛋白溶液按体积比6～10:0～5的比例进行均匀混合，将复合多孔支架内部孔隙形状设定为不规则圆形，孔间距为0.1-2mm，层厚为0.1-0.5mm，共计3-10层，喷射速率为0.01-0.1mm/min，利用低温3D打印机，获得丝素蛋白/胶原蛋白复合多孔仿生基质。
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