CN115944788A - 一种通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料 - Google Patents
一种通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料，具体制备过程如下：①首先配制酸溶壳聚糖(CS)纺丝液，在凝固浴中，湿法纺丝得到CS纤维；②透析后进行阵列编织得到具有孔隙率可控的纤维网；③将纤维网浸渍于具有促成骨功能的金属离子溶液中，螯合金属离子；④再浸渍于模拟体液中仿生矿化，原位构筑羟基磷灰石(HA)涂层得到CS/HA纤维网；⑤再转移到含有促成血管因子/PBS溶液中进行第三重浸渍得到负载有生长因子的CS/HA复合纤维网。该纤维网络复合材料具有优异的柔性、孔隙可调控性、可裁剪性、生物相容性、生物可降解性能和三重促成骨性能，在骨缺损修复领域展现出巨大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及水凝胶制备技术，具体涉及一种通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料。
背景技术
骨缺损指的是因先天或后天原因造成的，骨的结构的完整性被破坏的情况。造成骨缺损的原因有多种，包括急性骨缺失，骨感染后的清创，以及放疗或骨肿瘤切除后骨不连或骨失去血供。临床方面的治疗手段主要包括骨移植、llizarov技术、膜诱导再生技术等，但是受到移植来源有限、再生效果不佳、排异反应等问题的限制。
近年来组织工程学等医学各方面都较以往有了进步，比如使用水凝胶或支架材料等对于骨缺损进行再生修复，但是目前这些材料仍存在功能单一无法满足骨修复的复杂场景、再生活性低、成骨效果不突出等问题，导致骨缺损仍是一种难以处理的疾患，其截肢率仍然很高。
基于此，本发明设计并制备了一种三维交织纤维网络骨修复材料，结合了阵列编织和三重浸渍等组合工艺，所述材料可同时展现出优异的柔性、孔隙可调控性、可裁剪性、生物相容性、生物可降解性能和三重促成骨性能，对于骨缺损的治疗具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对骨缺损修复缓慢且修复效果不佳的问题，提供一种通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料。
本发明采用以下技术方案实现：
该骨修复三维柔性纤维支架材料使用阵列编织工艺和三步浸渍法制得，具体制备步骤如下：
1)使用CS、尿素、丙三醇、醋酸钠、醋酸作为原料配制酸溶CS纺丝液，在含有氢氧化钠、硫酸钠的乙醇/水凝固浴中，经过湿法纺丝得到CS纤维；进一步将纤维在氢氧化钠水溶液进行陈化，透析后氮气微气流干燥；
2)将纤维加捻成纤维束，并通过设置特定排布的阵列模板进行纤维编织，得到孔隙结构可控的三维柔性纤维网络；
3)一重浸渍：将纤维网浸渍于具有促成骨功能的金属离子溶液，凭借CS游离氨基的邻位羟基螯合金属离子，实现纤维对金属离子的负载；
4)二重浸渍：透析去除纤维网络中游离的金属离子，二重浸渍于模拟体液中进行仿生矿化，在CS纤维网络表面原位构筑具有促成骨功能的HA涂层，得到CS/HA复合纤维网；
5)三重浸渍：将上述纤维网络进行透析以后，转移到含有促成血管因子/PBS溶液中进行第三重浸渍，浸渍结束后冲洗掉表面游离的促成血管因子，得到负载有生长因子的CS/HA复合纤维网，即骨修复三维柔性纤维支架材料。
上述技术方案中，进一步的，所述步骤1)中酸溶CS纺丝液的组分为：3-6wt％CS(分子量为1000000-2000000，高分子量得到高强度纤维)，1-5wt％尿素，1-5wt％丙三醇，0.25-2wt％醋酸钠，2-5wt％醋酸，其余为水；凝固浴的组分为5-10wt％氢氧化钠，0.5-1wt％硫酸钠，其余为乙醇和水的混合溶液(二者体积比通常可为乙醇：水＝70：30、60：40、50：50、40：60或30：70)；湿法纺丝具体工艺如下：使用微量注射泵注射纺丝液，纺丝液在凝固浴中形成纤维，同时使用卷绕装置收集纤维，其中注射速率为7-15mm/min，纺丝喷头孔径为200-500微米，卷绕速率为30-50转/分钟；用于陈化的氢氧化钠溶液为5-15wt％的氢氧化钠水溶液，陈化时间为2-6小时；氮气微气流干燥过程氮气流速通常为1-5m/s，可以使得纤维拉伸，强度增强；
进一步的，所述步骤2)中纤维加捻是指将2-4根纤维进行加捻形成纤维束；所述阵列模板是由柱体构成的阵列，柱体直径及间隙均可调控，部分阵列模板实例可见图1，阵列可根据需要进行排布，纤维束通过有序按照阵列缠绕形成纤维网，纤维孔隙大小由阵列排布控制；
进一步的，所述步骤3)中具有促成骨功能的金属离子为Cu2+、Ca2+、Mg2+、Zn2+等中的一种或几种，其总离子浓度为0.5-5g/ml，使用夹具将纤维网固定在溶液中，溶液底部使用磁力搅拌帮助溶液分散均匀，搅拌速率为50-200转/分钟，浸渍时间为1-2小时；Cu2+可以来源于氯化铜、硝酸铜、硫酸铜等中的一种或几种；Ca2+可以来源于氯化钙、硝酸钙等中的一种或几种；Mg2+可以来源于氯化钙、硝酸钙等中的一种或几种；Zn2+可以来源于氯化锌、硝酸锌、硫酸锌等中的一种或几种；
进一步的，所述步骤4)中的矿化过程为将三维柔性纤维支架固定于模拟体液内，于摇床中矿化12-72h，温度为35-40℃；
进一步的，所述步骤5)中的促成血管因子为酸性和碱性纤维生长因子、血管原蛋白、转化生长因子-α、转化生长因子-β、成纤维细胞生长因子(Fibroblast GrowthFactors,FGFs)、血管生成营养素、IL-1、IL-8等中的一种或几种，浓度为1-5mg/ml，浸渍时间为20-120分钟，溶液底部使用磁力搅拌帮助溶液分散均匀，搅拌速率为50-200转/分钟。
本发明中设计的一种通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料，其作用原理如下所示：首先当该复合纤维网络材料按照特定形状进行裁剪后植入骨缺损部位后，通过扩散作用将纤维吸附的促成血管因子释放出来促进骨缺损部位血管的重新生成(成血管与成骨具有协同作用)；同时，纤维网之间的孔隙，可以作为细胞长入的位点，促进细胞在纤维支架内部的长入；然后纤维表面的仿生矿化层有利于促进成骨；且伴随着纤维网络的降解，内部螯合的金属离子逐渐释放，可进一步促进成骨。
相对于现有技术，本发明具有以下优点/创新点：
1)本发明中的三维柔性纤维支架材料创新性地使用湿法纺丝、阵列编织、三重浸渍的组合工艺制得，纤维支架基体以天然多糖壳聚糖作为原料，同时螯合有金属离子，纤维支架表面构筑有仿生矿化层，矿化层孔隙中吸附有促成血管生长因子；更进一步，纤维与纤维之间的孔隙可调节，并且可以为细胞提供黏附位点，促进细胞向支架内部的长入，促进对于骨缺损的疗效。该原料的选择与配合，工艺的组合，支架孔隙结构的可控调节，共同决定了所述材料的独特作用；
2)本发明中的纤维支架材料同时具有柔性、孔隙可调控性、可裁剪性、生物相容性、生物可降解性能和三重促成骨性能，对于提升骨缺损修复疗效意义重大：首先该纤维支架可裁剪，可适用于各种形状的骨缺损位点；当该纤维支架材料植入骨缺损部位后，可以凭借柔性实现对位点的良好贴合，纤维之间的孔隙可以促进细胞的长入；同时通过扩散作用将纤维吸附的促成血管因子释放出来促进骨缺损部位血管的重新生成(成血管与成骨具有协同作用)；然后纤维表面的仿生矿化层促进成骨；伴随着纤维支架材料的降解，内部螯合的金属离子逐渐释放，进一步促进成骨；
3)本发明中使用的阵列编织技术，通过提前设置编织的阵列模型控制纤维之间的孔隙，进一步可以调整纤维支架的形貌，调控细胞的长入；三重浸渍工艺的顺序是金属离子浸渍、仿生模拟体液浸渍和生长因子浸渍，首先通过壳聚糖螯合金属离子，再进行矿化，最后通过矿化后形成的表面的孔隙吸附生长因子，三者之间按照上述特定顺序进行是非常关键的，如果更改将难以保证相应效果，如：先进行矿化，则壳聚糖的氨基被HA包裹，无法有效实现对金属离子的螯合等，该方案是通过大量实验及研究分析最终确定的。
附图说明
图1为一种通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料的阵列编织图案模板示意图(首先设置固定阵列模板(即图中圆点所示，为柱体截面)，阵列模板中柱体的直径和间距，可控调节后续纤维网络的孔隙，纤维通过在上述模板中的有序缠绕得到三维纤维网)；
图2为一种通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料照片：(a)照片，(b)弯曲，(c)扭曲，(d)裁剪。
具体实施方式
下面结合具体实例进一步说明本发明。
本发明①首先使用壳聚糖(CS)、尿素、丙三醇、醋酸钠、醋酸等作为原料配制酸溶CS纺丝液，在氢氧化钠、硫酸钠的乙醇/水凝固浴中，湿法纺丝得到CS纤维；②透析后进行阵列编织得到具有孔隙率可控的纤维网；③将纤维网第一重浸渍于具有促成骨功能的金属离子溶液之中，凭借CS游离氨基的邻位羟基螯合金属离子；④透析后第二重浸渍于模拟体液中仿生矿化，在纤维表面原位构筑羟基磷灰石(HA)涂层，得到CS/HA纤维网；⑤将上述纤维网络进行透析以后，转移到含有促成血管因子/PBS溶液中进行第三重浸渍得到负载有生长因子的CS/HA复合纤维网。所制得的纤维网络复合材料具有优异的柔性、孔隙可调控性、可裁剪性、生物相容性、生物可降解性能和三重促成骨性能，有望在骨缺损修复领域进行应用。
本发明中所用到的阵列模板可以是由柱体构成的阵列，柱体的直径以及柱体间的间距都可以控制，由此控制阵列的排布，纤维在阵列间缠绕形成具有孔隙的纤维网络；图1为本发明的部分实施例中涉及的阵列模板的示意图，其仅用于对本发明技术方案进行说明，而非对本发明的限制；阵列的排布及孔隙的大小、纤维的缠绕方式均可以根据具体需要进行设置。
实施例1：
1)配制壳聚糖纺丝溶液，配方为：4wt％CS(分子量为2000000)，2wt％尿素，3wt％丙三醇，0.5wt％醋酸钠，2.5wt％醋酸，其余为水；在5wt％氢氧化钠，0.5wt％硫酸钠，乙醇：水＝50：50(v:v)的凝固浴中，经过湿法纺丝得到CS纤维(注射速率11mm/min，纺丝喷头孔径为200微米，卷绕速率为50转/分钟)；进一步将纤维在5wt％氢氧化钠水溶液进行陈化2小时，透析后氮气微气流干燥；
2)将4根纤维加捻成纤维束，并将纤维进行编织得到三维柔性纤维网络(如图2)；
3)一重浸渍：将纤维网浸渍于具有0.2g/ml氯化钙、0.2g/ml氯化镁、0.2g/ml氯化锌的溶液中，100转/分钟搅拌1小时，凭借CS游离氨基的邻位羟基螯合金属离子，实现纤维对Ca2+、Mg2+和Zn2+离子的负载；
4)二重浸渍：透析去除纤维网络中游离的金属离子，二重浸渍于模拟体液(141mMNaCl，4.0mM KCl，0.5mM MgSO4，1.0mM MgCl2，4.2mM NaHCO3，20.0mM Tris/Hepes，5.0mMCaCl2，2.0mM KH2PO4)中进行仿生矿化，于摇床中矿化72h，反应温度为35℃,在CS纤维网络表面原位构筑具有促成骨功能的HA涂层，得到CS/HA复合纤维网；
5)三重浸渍：将上述纤维网络进行透析以后，转移到含有2mg/ml FGFs/PBS溶液中，溶液温度4度，浸渍时间为60分钟，搅拌速率50转/分钟，进行第三重浸渍，浸渍结束后冲洗掉表面游离的FGFs，得到负载有FGFs的CS/HA复合纤维网；
6)得到的纤维直径为124.3微米，纤维网的孔径约为150微米，壳聚糖纤维拉伸强度246.2MPa，28天体外降解92.4％。
实施例2：
1)配制壳聚糖纺丝溶液，配方为：5wt％CS(分子量为2000000)，2wt％尿素，3wt％丙三醇，0.5wt％醋酸钠，2.5wt％醋酸，其余为水；在7.5wt％氢氧化钠，0.5wt％硫酸钠，乙醇：水＝70：30(v:v)的凝固浴中，经过湿法纺丝得到CS纤维(注射速率11mm/min，纺丝喷头孔径为400微米，卷绕速率为70转/分钟)；进一步将纤维在5wt％氢氧化钠水溶液进行陈化2小时，透析后氮气微气流干燥；2)将4根纤维加捻成纤维束，并将纤维进行编织得到三维柔性纤维网络；
3)一重浸渍：将纤维网浸渍于具有0.2g/ml氯化钙、0.2g/ml氯化镁、0.2g/ml氯化锌溶液混合溶液中，100转/分钟搅拌1小时，凭借CS游离氨基的邻位羟基螯合金属离子，实现纤维对Ca2+、Mg2+和Zn2+离子的负载；
4)二重浸渍：透析去除纤维网络中游离的金属离子，二重浸渍于模拟体液(141mMNaCl，4.0mM KCl，0.5mM MgSO4，1.0mM MgCl2，4.2mM NaHCO3，20.0mM Tris/Hepes，5.0mMCaCl2，2.0mM KH2PO4)中进行仿生矿化，于摇床中矿化72h，反应温度为35℃,在CS纤维网络表面原位构筑具有促成骨功能的HA涂层，得到CS/HA复合纤维网；
5)三重浸渍：将上述纤维网络进行透析以后，转移到含有2mg/ml FGFs/PBS溶液中，溶液温度4度，浸渍时间为60分钟，搅拌速率50转/分钟，进行第三重浸渍，浸渍结束后冲洗掉表面游离的FGFs，得到负载有FGFs的CS/HA复合纤维网；
6)相比于实施例1，提升了壳聚糖纺丝液的浓度以及喷丝口的口径，同步提高了凝固浴中氢氧化钠和乙醇的浓度，得到的纤维直径为248.2微米，纤维网的孔径约为175微米，壳聚糖纤维拉伸强度223.7MPa，28天体外降解87.2％。
实施例3：
1)配制壳聚糖纺丝溶液，配方为：4wt％CS(分子量为2000000)，2wt％尿素，3wt％丙三醇，0.5wt％醋酸钠，2.5wt％醋酸，其余为水；在5wt％氢氧化钠，0.5wt％硫酸钠，乙醇：水＝50：50(v:v)的凝固浴中，经过湿法纺丝得到CS纤维(注射速率11mm/min，纺丝喷头孔径为200微米，卷绕速率为50转/分钟)；进一步将纤维在5wt％氢氧化钠水溶液进行陈化2小时，透析后氮气微气流干燥；2)将4根纤维加捻成纤维束，并将纤维进行编织得到三维柔性纤维网络；
3)一重浸渍：将纤维网浸渍于具有0.5g/ml氯化钙、0.5g/ml氯化镁、0.5g/ml氯化锌溶液混合溶液中，100转/分钟搅拌2小时，凭借CS游离氨基的邻位羟基螯合金属离子，实现纤维对Ca2+、Mg2+和Zn2+离子的负载；
4)二重浸渍：透析去除纤维网络中游离的金属离子，二重浸渍于模拟体液(141mMNaCl，4.0mM KCl，0.5mM MgSO4，1.0mM MgCl2，4.2mM NaHCO3，20.0mM Tris/Hepes，5.0mMCaCl2，2.0mM KH2PO4)中进行仿生矿化，于摇床中矿化72h，反应温度为35℃,在CS纤维网络表面原位构筑具有促成骨功能的HA涂层，得到CS/HA复合纤维网；
5)三重浸渍：将上述纤维网络进行透析以后，转移到含有2mg/ml FGFs/PBS溶液中，溶液温度4度，浸渍时间为60分钟，搅拌速率50转/分钟，进行第三重浸渍，浸渍结束后冲洗掉表面游离的FGFs，得到负载有FGFs的CS/HA复合纤维网；
6)相比于实施例1，提升了一重浸渍过程中离子的浓度以及浸渍时间，得到的纤维直径为145.1微米，纤维网的孔径约为150微米，壳聚糖纤维拉伸强度267.3MPa，28天体外降解89.4％。
实施例4：
1)配制壳聚糖纺丝溶液，配方为：4wt％CS(分子量为2000000)，2wt％尿素，3wt％丙三醇，0.5wt％醋酸钠，2.5wt％醋酸，其余为水；在5wt％氢氧化钠，0.5wt％硫酸钠，乙醇：水＝50：50的凝固浴中，经过湿法纺丝得到CS纤维(注射速率11mm/min，纺丝喷头孔径为200微米，卷绕速率为50转/分钟)；进一步将纤维在5wt％氢氧化钠水溶液进行陈化2小时，透析后氮气微气流干燥；
2)将4根纤维加捻成纤维束，并将纤维进行编织，阵列模板中其起固定纤维作用的圆柱直径翻倍(300微米)，得到三维柔性纤维网络；
3)一重浸渍：将纤维网浸渍于具有0.2g/ml氯化钙、0.2g/ml氯化镁、0.2g/ml氯化锌溶液混合溶液中，100转/分钟搅拌1小时，凭借CS游离氨基的邻位羟基螯合金属离子，实现纤维对Ca2+、Mg2+和Zn2+离子的负载；
4)二重浸渍：透析去除纤维网络中游离的金属离子，二重浸渍于模拟体液(141mMNaCl，4.0mM KCl，0.5mM MgSO4，1.0mM MgCl2，4.2mM NaHCO3，20.0mM Tris/Hepes，5.0mMCaCl2，2.0mM KH2PO4)中进行仿生矿化，于摇床中矿化12h，反应温度为40℃,在CS纤维网络表面原位构筑具有促成骨功能的HA涂层，得到CS/HA复合纤维网；
5)三重浸渍：将上述纤维网络进行透析以后，转移到含有2mg/ml FGFs/PBS溶液中，溶液温度4度，浸渍时间为60分钟，搅拌速率50转/分钟，进行第三重浸渍，浸渍结束后冲洗掉表面游离的FGFs，得到负载有FGFs的CS/HA复合纤维网；
6)相比于实施例1，阵列模板中起固定作用的圆柱直径提升一倍，得到的纤维直径为124.3微米，纤维网的孔径约为300微米，壳聚糖纤维拉伸强度246.2MPa，28天体外降解93.8％。
Claims (8)
1.一种通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料，其特征在于：所述柔性纤维支架材料是使用湿法纺丝得到纤维材料、经孔隙可控的模板编织形成三维网络后、再经三重浸渍工艺使得纤维材料基体内螯合有金属离子，负载生长因子，同时表面构筑有仿生矿化层，所述柔性纤维支架材料兼具柔性、孔隙可调控性、可裁剪性、生物相容性、生物可降解性能和三重促成骨性能，且纤维之间的孔隙能够为细胞提供黏附位点，促进骨缺损的修复。
2.根据权利要求1所述的通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料，其特征在于：该柔性纤维支架材料的具体制备步骤包括如下：
1)以壳聚糖(CS)、尿素、丙三醇、醋酸钠、醋酸作为原料配制酸溶CS纺丝液，在含有氢氧化钠、硫酸钠的乙醇/水凝固浴中，经过湿法纺丝得到CS纤维；进一步将纤维在氢氧化钠水溶液进行陈化，透析后氮气微气流干燥；
2)将纤维加捻成纤维束，并通过孔隙可控的阵列模板进行纤维编织，得到孔隙结构可控的三维柔性纤维网络；
3)一重浸渍：将所得纤维网络浸渍于具有促成骨功能的金属离子溶液，凭借CS游离氨基的邻位羟基螯合金属离子，实现纤维对金属离子的负载；
4)二重浸渍：透析去除纤维网络中游离的金属离子，二重浸渍于模拟体液中进行仿生矿化，在CS纤维网络表面原位构筑具有促成骨功能的羟基磷灰石(HA)涂层，得到CS/HA复合纤维网；
5)三重浸渍：将所得复合纤维网进行透析以后，转移到含有促成血管因子/PBS溶液中进行第三重浸渍，浸渍结束后冲洗掉表面游离的促成血管因子，得到骨修复三维柔性纤维支架材料。
3.根据权利要求2所述的通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料，其特征在于：步骤1)中所述酸溶CS纺丝液的组分为：3-6wt％CS，数均分子量为1000000-2000000，1-5wt％尿素，1-5wt％丙三醇，0.25-2wt％醋酸钠，2-5wt％醋酸，其余为水；所述凝固浴的组分为5-10wt％氢氧化钠，0.5-1wt％硫酸钠，其余为乙醇和水的混合溶液。
4.根据权利要求2所述的通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料，其特征在于：所述湿法纺丝具体工艺如下：使用微量注射泵注射纺丝液，纺丝液在凝固浴中形成纤维，同时使用卷绕装置收集纤维，其中注射速率为7-15mm/min，纺丝喷头孔径为200-500微米，卷绕速率为30-50转/分钟；用于陈化的氢氧化钠溶液为5-15wt％的氢氧化钠水溶液，陈化时间为2-6小时。
5.根据权利要求2所述的通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料，其特征在于：步骤2)中纤维加捻是指将2-4根纤维进行加捻形成纤维束；所述阵列模板是由柱体构成的阵列，柱体直径及间隙均可调控，纤维束通过有序按照阵列缠绕形成纤维网，纤维孔隙大小由阵列排布控制。
6.根据权利要求2所述的通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料，其特征在于：步骤3)中具有促成骨功能的金属离子为Cu2+、Ca2+、Mg2+、Zn2+中的一种或几种，其总离子浓度为0.5-5g/ml，一重浸渍时使用夹具将纤维网固定在溶液中，溶液底部使用磁力搅拌帮助溶液分散均匀，搅拌速率为50-200转/分钟，浸渍时间为1-2小时。
7.根据权利要求2所述的通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料，其特征在于：步骤4)中的矿化过程为将纤维网固定于模拟体液内，于摇床中矿化12-72h，温度为35-40℃。
8.根据权利要求2所述的通过阵列编织和三重浸渍工艺制得的骨修复三维柔性纤维支架材料，其特征在于：步骤5)中的促成血管因子为酸性和碱性纤维生长因子、血管原蛋白、转化生长因子-α、转化生长因子-β、成纤维细胞生长因子(Fibroblast Growth Factors,FGFs)、血管生成营养素、IL-1、IL-8中的一种或几种，浓度为1-5mg/ml，浸渍时间为20-120分钟，溶液底部使用磁力搅拌帮助溶液分散均匀，搅拌速率为50-200转/分钟。
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