CN116832211A - 具有形状记忆效应的半月板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有形状记忆效应的半月板的制备方法，涉及医用材料技术领域。本发明提供的具有形状记忆效应的半月板的制备方法，包括：将胶原蛋白溶液置于模具中，经自组装交联形成具有网络骨架的水凝胶；然后将水凝胶采用戊二醛进行化学交联，干燥后制备得到具有形状记忆效应的半月板；其中，自组装交联的温度为36‑38℃。该制备方法简单方便。制备得到的半月板具有形状记忆效应，改变温度后其形状会发生改变，便于植入，植入人体后在体温的作用下半月板又恢复到预编辑好的形状，从而达到微创和精准植入的效果。
Description
技术领域
本发明涉及医用材料技术领域，尤其是涉及一种具有形状记忆效应的半月板的制备方法。
背景技术
半月板是一种类似月牙状的纤维软骨组织，组成包括：水、细胞外基质和半月板细胞。在人体膝、腕和颔的枢纽关节部位，均有半月板存在。膝关节半月板位于股骨和胫骨平台之问，发挥着重要作用。不论在日常生活中还是运动活动中都承受着多种负荷，如：挤压、旋转、拉伸、剪切等。当半月板遭受挫伤，膝关节正常的功能将极大限度衰减，膝关节负担严重，剧烈体育活动尤甚。半月板的功能主要包括：承重、提高胫股骨关节适配性、维持膝关节稳定、缓冲应力和震荡、润滑关节、增大关节接触面积等作用。
组织工程化半月板支架材料大致分为天然材料、合成材料和复合材料3类，其优缺点对比见下表1。
表1组织工程半月板支架材料优缺点
其中天然高分子材料的优点众多：良好的生物相容性、可降解、无毒等。这种符合支架材料要求的天然高分子材料辅以生长因子，有利于细胞的黏附和增殖。但同时天然高分子材料也存在结构与性能上的巨大差异，故现在多为多种材料组合应用。目前应用较为广泛的天然高分子材料主要有：小肠黏膜下层(SIS)、丝素蛋白、胶原、壳聚糖、海藻酸、透明质酸等。
透明质酸又名玻璃酸，是一种多糖类天然高分子化合物，其单体为D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡糖胺。透明质酸多存在于动物体结缔组织中，具有良好的生物相容性、无毒、可降解、可被人体吸收，透明质酸组织工程支架可被多种细胞受体识别，是较为优质的组织工程支架材料。
虽然胶原蛋白基的半月板具有良好的生物相容性，但是力学性能较低。此外对半月板的要求也越来越高，例如如何可以实现更好的精准化植入体内。
传统的解决半月板定制化的方案仅仅是通过外部的扫描得到一个准确的模具，进一步制备得到相应形状的半月板，但是在植入的过程中总会因为各种各样的磨损、植入过程中生理环境的变化导致所制备的半月板会发生一定的形变，无法精准的与缺陷处相契合。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种具有形状记忆效应的半月板的制备方法，以解决上述问题中的至少一种。
本发明的第二目的在于提供一种具有形状记忆效应的半月板。
第一方面，本发明提供了一种具有形状记忆效应的半月板的制备方法，包括以下步骤：
a.将胶原蛋白溶液置于模具中，经自组装交联形成具有网络骨架的水凝胶；
b.将a步骤获得的水凝胶采用戊二醛进行化学交联，干燥后制备得到具有形状记忆效应的半月板；
所述自组装交联的温度为36-38℃。
作为进一步技术方案，所述胶原蛋白溶液的浓度为2-4mol/L。
作为进一步技术方案，所述胶原蛋白溶液的浓度为3mol/L。
作为进一步技术方案，所述自组装交联为将胶原蛋白溶液在温度为36-38℃、pH为7-8的条件下孵育至少2.5h。
作为进一步技术方案，所述自组装交联为将胶原蛋白溶液在温度为37℃、pH为7.4的条件下孵育至少2.5h。
作为进一步技术方案，所述化学交联为将所述水凝胶浸没在戊二醛溶液中进行交联反应。
作为进一步技术方案，所述戊二醛溶液的体积百分比浓度为0.02％-0.03％；
所述交联反应的时间为1.5-3h。
作为进一步技术方案，所述化学交联与干燥之间还包括纯化步骤。
作为进一步技术方案，所述纯化步骤包括：将化学交联后的产物于透析袋中采用水进行透析；
所述透析袋的截留分子量为8-12kDa。
第二方面，本发明提供了一种具有形状记忆效应的半月板，采用上述制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的具有形状记忆效应的半月板的制备方法，首先将胶原蛋白溶液置于模具中，经自组装交联形成具有网络骨架的水凝胶；然后将水凝胶采用戊二醛进行化学交联，干燥后制备得到具有形状记忆效应的半月板，该制备方法简单方便。采用上述制备得到的半月板具有形状记忆效应，改变温度后其形状会发生改变，便于植入，植入人体后在体温的作用下半月板又恢复到预编辑好的形状，从而达到微创和精准植入的效果。
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为试验例流程图。
具体实施方式
下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一方面，本发明提供了一种具有形状记忆效应的半月板的制备方法，包括以下步骤：
a.将胶原蛋白溶液置于模具中，经自组装交联形成具有网络骨架的水凝胶；
b.将a步骤获得的水凝胶采用戊二醛进行化学交联，干燥后制备得到具有形状记忆效应的半月板；
所述自组装交联的温度为36-38℃。
本发明提供的具有形状记忆效应的半月板的制备方法，首先将胶原蛋白的自组装交联，使其形成3D网络结构的水凝胶，获得预定形状的水凝胶半月板，由于自组装交联主要是通过物理键合以及氢键的方式进行交联的，而这种交联方式不稳定，容易在温度的刺激下发生改变，这也是本发明中记忆效应的主要来源；之后使用戊二醛进行交联，稳定水凝胶网格结构，并固定初始形状。
本发明提供的制备方法简单方便，制备得到的半月板具有形状记忆效应，改变温度后其形状会发生改变，便于植入，植入人体后在体温的作用下半月板又恢复到预编辑好的形状，从而达到微创和精准植入的效果。
需要说明的是，本发明中“自组装交联”是指在物理键合以及氢键的作用下，胶原蛋白之间会自发结合形成3D网络结构的水凝胶。
在一些优选的实施方式中，所述胶原蛋白溶液的浓度例如可以为，但不限于2mol/L、3mol/L或4mol/L，优选为3mol/L。
在一些优选的实施方式中，所述胶原蛋白溶液为含有胶原蛋白的醋酸溶液，以醋酸作为溶剂，有助于溶解胶原蛋白。
在一些优选的实施方式中，所述自组装交联为将胶原蛋白溶液在温度为36-38℃、pH为7-8的条件下孵育至少2.5h。
在一些优选的实施方式中，所述自组装交联为将胶原蛋白溶液在温度为37℃、pH为7.4的条件下孵育至少2.5h。
在一些优选的实施方式中，所述化学交联为将所述水凝胶浸没在戊二醛溶液中进行交联反应。
在一些优选的实施方式中，所述戊二醛溶液的体积百分比浓度例如可以为，但不限于0.02％、0.022％、0.024％、0.026％、0.028％或0.03％；
所述交联反应的时间例如可以为，但不限于1.5h、2h、2.5h或3h。
在一些优选的实施方式中，所述化学交联与干燥之间还包括纯化步骤。
通过纯化步骤以去除半月板中的杂质。本发明中对于纯化的方法不作具体限制，能够去除半月板中的杂质即可。
在一些优选的实施方式中，所述纯化步骤包括：将化学交联后的产物于透析袋中采用水进行透析；
所述透析袋的截留分子量为8-12kDa。
第二方面，本发明提供了一种具有形状记忆效应的半月板，采用上述制备方法制备得到。
本发明提供的半月板具有形状记忆效应，改变温度后其形状会发生改变，便于植入，植入人体后在体温的作用下半月板又恢复到预编辑好的形状，从而达到微创和精准植入的效果。
下面通过具体的实施例和对比例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
实施例1
一种具有形状记忆效应的半月板，其制备方法包括如下步骤：
将胶原蛋白溶解于0.5mol/L醋酸，其浓度为3mol/L，将溶液放入自制的半月板模具(初始形状)中，整个系统在温度为37℃，pH为7.4的环境下孵育2.5h，胶原蛋白自组装形成具有网络骨架的水凝胶。胶原蛋白水凝胶从模具中提取出来后，浸没在0.025％(体积百分比浓度)戊二醛溶液中交联2h。然后，将产物置于透析袋中(截留分子量为8～12kDa),并用去离子水透析天3,期间每天更换3次透析液。最后进行冷冻干燥，制备得到具有形状记忆效应的半月板。
实施例2
一种具有形状记忆效应的半月板，其制备方法包括如下步骤：
将胶原蛋白溶解于0.5mol/L醋酸，其浓度为2mol/L，将溶液放入自制的半月板模具(初始形状)中，整个系统在温度为36℃，pH为7的环境下孵育3h，胶原蛋白纤维装形成具有网络骨架的水凝胶。胶原蛋白水凝胶从模具中提取出来后，浸没在0.02％(体积百分比浓度)戊二醛溶液中交联3h。然后，将产物置于透析袋中(截留分子量为8～12kDa),并用去离子水透析天3,期间每天更换3次透析液。最后进行冷冻干燥，制备得到具有形状记忆效应的半月板。
实施例3
一种具有形状记忆效应的半月板，其制备方法包括如下步骤：
将胶原蛋白溶解于0.5mol/L醋酸，其浓度为4mol/L，将溶液放入自制的半月板模具(初始形状)中，整个系统在温度为38℃，pH为8的环境下孵育3.5h，胶原蛋白自组装形成具有网络骨架的水凝胶。胶原蛋白水凝胶从模具中提取出来后，浸没在0.03％(体积百分比浓度)戊二醛溶液中交联1.5h。然后，将产物置于透析袋中(截留分子量为8～12kDa),并用去离子水透析天3,期间每天更换3次透析液。最后进行冷冻干燥，制备得到具有形状记忆效应的半月板。
对比例1
一种半月板，其制备方法包括如下步骤：
将胶原蛋白溶解于0.5mol/L醋酸，其浓度为4mol/L，将溶液放入自制的半月板模具(初始形状)中,然后浸没在0.03％(体积百分比浓度)戊二醛溶液中交联1.5h。然后，将产物置于透析袋中(截留分子量为8～12kDa),并用去离子水透析天3,期间每天更换3次透析液。最后进行冷冻干燥。
试验例1
将实施例1和对比例1提供的半月板放入温度为55℃，pH为7.0的恒温水浴锅中保温20min，再将系统降温到37℃，观察形状变化。可以看到将实施例1提供的半月板放入55℃的环境下，半月板形状为无定形状。当温度降到37℃时，半月板原始形状恢复。对比例1所提供的半月板在整个过程中不发生任何变化。
此外，采用相同的方法对实施例2-3提供的半月板进行实现，其出现与实施例1相同的变化。
试验例2
如图1所示，将实施例1和对比例1提供的半月板放入温度为25℃，pH为7.0的恒温水浴锅中保温20min，再将系统升温到37℃，观察形状变化。可以看到将半月板放入25℃的环境下，由于在温度的作用下实施例1的半月板形状发生皱缩。当温度升到37℃时，胶原蛋白的部分三螺旋结构打开，半月板体积增大。对比例1所提供的半月板在整个过程中不发生任何变化。
此外，采用相同的方法对实施例2-3提供的半月板进行实现，其出现与实施例1相同的变化。
试验例3
将实施例1和对比例1提供的半月板进行拉伸强度测试。结果表明在初始状态时，实施例1和对比例1提供的半月板的抗拉强度为4.7MPa和3.8MPa，当温度降低到25摄氏度时，此时实施例1的半月板的强度为5.2MPa，温度回复到初始温度时，强度变为4.1MPa。比例1提供的半月板的抗拉强度基本未发生变化。
此外，对实施例2-3提供的半月板进行拉伸强度测试，其抗拉强度均高于对比例1，与实施例1接近。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种具有形状记忆效应的半月板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将胶原蛋白溶液置于模具中，经自组装交联形成具有网络骨架的水凝胶；
b.将a步骤获得的水凝胶采用戊二醛进行化学交联，干燥后制备得到具有形状记忆效应的半月板；
所述自组装交联的温度为36-38℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胶原蛋白溶液的浓度为2-4mol/L。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述胶原蛋白溶液的浓度为3mol/L。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述自组装交联为将胶原蛋白溶液在温度为36-38℃、pH为7-8的条件下孵育至少2.5h。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述自组装交联为将胶原蛋白溶液在温度为37℃、pH为7.4的条件下孵育至少2.5h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述化学交联为将所述水凝胶浸没在戊二醛溶液中进行交联反应。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述戊二醛溶液的体积百分比浓度为0.02％-0.03％；
所述交联反应的时间为1.5-3h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述化学交联与干燥之间还包括纯化步骤。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述纯化步骤包括：将化学交联后的产物于透析袋中采用水进行透析；
所述透析袋的截留分子量为8-12kDa。
10.一种具有形状记忆效应的半月板，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到。
Priority Applications (1)
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