CN112755251B - 一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及仿生生物关节制备技术领域，公开了一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节及其制备方法，方法包括：将第一天然高分子材料溶入水中，并加入无机纳米材料制成混合溶液；通过将混合溶液灌入模具内，且将模具放入低温环境中进行冷冻成型；将高分子材料制备成致密薄膜；将薄膜裁剪至合适大小，且均匀平铺在模具中的底层支架上；将第二天然高分子材料溶于水中，制成天然高分子溶液；将天然高分子溶液灌入模具中薄膜的上方，并将模具放入低温环境中进行冷冻成型；将冷冻成型的生物关节冻干后，取出模具，浸泡于甲醇溶液中进行相转变。本发明制备的仿生生物关节具有优良的生物相容性和可降解性，能够支持细胞的黏附和增殖，促进组织修复。

Description

一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节及其制备方法
技术领域
本发明涉及仿生生物关节制备技术领域，尤其涉及一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节及其制备方法。
背景技术
膝关节软骨缺损通常是由关节内的创伤引起的，创伤性软骨缺损会导致关节炎的发展。如不及时进行干预治疗，则炎症反应会持续加重，直至影响软骨和软骨下骨的结构，最终只能通过人工关节置换手术来解决。而软骨组织无血管浸润，营养物质的传输主要依靠关节滑液和软骨下骨的浸润，再生能力极差。目前对于软骨修复应用最广范的是软骨-骨一体化修复策略，利用组织工程支架、骨髓中的干细胞和相关细胞因子诱导关节软骨再生。
软骨-骨一体化支架的主要挑战是模拟软骨-骨组织单元的分级生物力学和功能。软骨-骨组织单元由关节软骨、钙化软骨和软骨下骨组成，不同层次在机械性能、形态、生理和愈合潜力方面具有不同的性能。这就要求在设计支架的过程中要分别考虑不同层次所具有的结构与功能。这些类型的支架包含两种或两种以上不同的材料、生物活性分子或结构，以诱导不同组织结构的再生。传统软骨-骨一体化支架在关节软骨修复过程中往往会形成纤维软骨，而不是透明软骨。纤维软骨富含Ⅰ型胶原，与透明软骨相差较大。
因此，如何提供一种仿生生物关节，以使其具有与缺损区域相匹配的结构与功能成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于如何提供一种仿生生物关节，以使其具有与缺损区域相匹配的结构与功能。
为此，根据第一方面，本发明实施例公开了一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，包括：将第一天然高分子材料溶入水中，并加入无机纳米材料制成混合溶液；通过将所述混合溶液灌入模具内，且将所述模具放入低温环境中进行冷冻成型；利用静电纺丝技术将高分子材料制备成致密薄膜；将所述薄膜按所述模具尺寸裁剪至合适大小，且均匀平铺在所述模具中的底层支架上；将第二天然高分子材料溶于水中，制成天然高分子溶液；将所述天然高分子溶液灌入所述模具中所述薄膜的上方，并将所述模具放入低温环境中进行冷冻成型；将冷冻成型的生物关节冻干后，取出模具，浸泡于甲醇溶液中进行相转变，所述相转变的时间为30～60min，以获取仿生生物关节。
本发明进一步设置为，所述第一天然高分子材料为丝素蛋白、明胶、羧甲基壳聚糖、胶原蛋白、纤粘蛋白、层连蛋白和透明质酸中的一种或多种。
本发明进一步设置为，所述无机纳米材料为羟基磷灰石。
本发明进一步设置为，所述混合溶液的质量浓度为10％～20％。
本发明进一步设置为，所述低温环境为-80℃。
本发明进一步设置为，所述第二天然高分子材料为丝素蛋白、明胶、羧甲基壳聚糖、胶原蛋白、纤粘蛋白、层连蛋白和透明质酸中的两种。
本发明进一步设置为，所述天然高分子混合溶液的质量浓度为10％～20％。
本发明进一步设置为，所述甲醇溶液的质量分数为90％～95％。
本发明进一步设置为，所述冻干的温度参数为-50℃～-45℃，压力参数为1～5pa。
根据第二方面，本发明实施例公开了一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节，所述仿生生物关节使用如上述第一方面所述的制备方法制备而得。
本发明具有以下有益效果：本发明实施例公开的一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，通过将第一天然高分子材料溶入水中，并加入无机纳米材料制成混合溶液；通过将所述混合溶液灌入模具内，且将所述模具放入低温环境中进行冷冻成型；用静电纺丝技术将高分子材料制备成致密薄膜；将所述薄膜按所述模具尺寸裁剪至合适大小，且均匀平铺在所述模具中的底层支架上；将第二天然高分子材料溶于水中，制成天然高分子溶液；将所述天然高分子溶液灌入所述模具中所述薄膜的上方，并将所述模具放入低温环境中进行冷冻成型；将冷冻成型的生物关节冻干后，取出模具，浸泡于甲醇溶液中进行相转变，所述相转变的时间为30～60min，以获取仿生生物关节。与现有技术相比，通过本发明制备的仿生生物关节具有优良的生物相容性和可降解性，能够支持细胞的黏附和增殖，促进组织修复。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实施例公开的一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法的流程图；
图2是本实施例公开的一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法制得的仿生生物关节的SEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1：
本实施例公开了一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，如图1所示，包括：
步骤S101，将再生丝素蛋白溶于水中，并加入纳米羟基磷灰石制成混合溶液；在本实施例中再生丝素蛋白的质量分数为15％，纳米羟基磷灰石的质量分数为3％。
步骤S102，通过将混合溶液灌入硅胶模具中，将模具放入-80℃冰箱中进行冷冻成型；在本实施例中，硅胶模具的内径为5mm，高度1为cm，冷冻成型的时间为30～60min。
步骤S103，利用静电纺丝技术将再生丝素蛋白制备成致密薄膜；其中再生丝素蛋白的质量分数为15％。
步骤S104，将再生丝素蛋白静电纺丝薄膜按照硅胶模具的内径裁剪成直径5mm的圆形薄膜，并将其均匀平铺在模具中的底层支架上。
步骤S105，将再生丝素蛋白和羧甲基壳聚糖溶于水中，制成天然高分子混合溶液；其中再生丝素蛋白的质量分数为15％，羧甲基壳聚糖的质量分数为2％。
步骤S106，将天然高分子混合溶液灌入模具中再生丝素蛋白静电纺丝薄膜的上方，并将模具放入-80℃冰箱中进行冷冻成型。在具体实施过程中，冷冻成型的时间为30～60min。
步骤S107，将冷冻成型的支架冻干后，从硅胶模具中取出支架，浸泡于90％甲醇溶液中进行相转变，相转变的时间为30min，以获取仿生生物关节。在本实施例中，冻干的温度参数为-50℃～-45℃，压力参数为1～5pa。
需要说明的是，通过本实施例公开的一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法得到的生物关节呈圆柱状，其直径为5mm，高度为3mm。将支架纵切，其纵截面在扫描电子显微镜下可观察到明显的分层结构(如图2所示)。支架具有疏松多孔的结构，上层为软骨层，中间为隔离层，下层为骨层。
实施例2：
本实施例公开了一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，如图1所示，包括：
步骤S101，将明胶溶于水中，并加入纳米羟基磷灰石制成混合溶液；其中明胶的质量分数为15％，纳米羟基磷灰石的质量分数为3％；
步骤S102，将混合溶液灌入的硅胶模具中，将模具放入-80℃冰箱中进行冷冻成型；在本实施例中，硅胶模具的内径为5mm，高度1为cm，冷冻成型的时间为30～60min。
步骤S103，利用静电纺丝技术将聚乳酸制备成致密薄膜；其中聚乳酸的质量分数为15％；
步骤S104，将聚乳酸静电纺丝薄膜按照硅胶模具的内径裁剪成直径5mm的圆形薄膜，并将其均匀平铺在模具中的底层支架上；
步骤S105，将明胶和羧甲基壳聚糖溶于水中，制成天然高分子混合溶液；在本实施例中，明胶的质量分数为15％，羧甲基壳聚糖的质量分数为2％；
步骤S106，将天然高分子混合溶液灌入模具中聚乳酸静电纺丝薄膜的上方，将模具放入-80℃冰箱中进行冷冻成型；
步骤S107，将冷冻成型的支架冻干后，从硅胶模具中取出支架，浸泡于95％甲醇溶液中进行相转变，相转变的时间为30min，以获取仿生生物关节。在本实施例中，冻干的温度参数为-50℃～-45℃，压力参数为1～5pa。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，其特征在于，包括：
将第一天然高分子材料溶入水中，并加入无机纳米材料制成混合溶液；
通过将所述混合溶液灌入模具内，且将所述模具放入低温环境中进行冷冻成型；
利用静电纺丝技术将高分子材料制备成致密薄膜；
将所述薄膜按所述模具尺寸裁剪至合适大小，且均匀平铺在所述模具中的底层支架上；
将第二天然高分子材料溶于水中，制成天然高分子溶液；
将所述天然高分子溶液灌入所述模具中所述薄膜的上方，并将所述模具放入低温环境中进行冷冻成型；
将冷冻成型的生物关节冻干后，取出模具，浸泡于甲醇溶液中进行相转变，所述相转变的时间为30～60min，以获取仿生生物关节。
2.根据权利要求1所述的基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，其特征在于，所述第一天然高分子材料为丝素蛋白、明胶、羧甲基壳聚糖、胶原蛋白、纤粘蛋白、层连蛋白和透明质酸中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，其特征在于，所述无机纳米材料为羟基磷灰石。
4.根据权利要求1所述的基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，其特征在于，所述混合溶液的质量浓度为10％～20％。
5.根据权利要求1所述的基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，其特征在于，所述低温环境为-80℃，冷冻成型的时间为30-60min。
6.根据权利要求1所述的基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，其特征在于，所述第二天然高分子材料为丝素蛋白、明胶、羧甲基壳聚糖、胶原蛋白、纤粘蛋白、层连蛋白和透明质酸中的两种。
7.根据权利要求1所述的基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，其特征在于，所述天然高分子混合溶液的质量浓度为10％～20％。
8.根据权利要求1所述的基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，其特征在于，所述甲醇溶液的质量分数为90％～95％。
9.根据权利要求1所述的基于冷冻铸造技术的仿生生物关节制备方法，其特征在于，所述冻干的温度参数为-50℃～-45℃，压力参数为1～5pa。
10.一种基于冷冻铸造技术的仿生生物关节，其特征在于，所述仿生生物关节使用如权利要求1-9任意一项所述的制备方法制备而得。
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