一種多孔軟骨修復用支架材料及其製備方法與流程

2023-07-20 17:53:06 1

本發明涉及一種多孔軟骨修復支架及其製備方法，屬於生物醫用材料領域。

技術背景

關節軟骨一旦遭到破壞便很難得到修復。直到現在，關節軟骨缺損的修復一直是臨床面臨的難題,這主要是因為軟骨組織內無血管，且軟骨細胞缺乏遷徙能力，不能迅速聚集到創傷部位所致。關節軟骨中纖維含量少，只含有少量的膠原纖維，基質的主要化學成分是蛋白質多糖。關節軟骨不同於血管化的組織，由於沒有血供,且軟骨細胞埋於稠厚的細胞外基質中，無法移動到損傷部位參與修復，且缺乏細胞分化所必須的母細胞及細胞遷徙所必須的理想環境，這樣就使得即使是極小的軟骨缺損也難於自然修復。

目前臨床上傳統的治療方法主要有微骨折術、軟骨下骨鑽孔術、軟骨下磨削術、自體軟骨移植和自體軟骨細胞移植術等，但是，研究結果顯示，這些修複方法只能暫時的緩解疼痛等症狀，其修復部位主要由纖維軟骨填充而不是透明軟骨，其最終結局還是修復部位軟骨的退化壞死。組織工程技術的興起和快速發展為軟骨缺損的修復提供了嶄新的思路。

在骨組織工程的研究中，支架材料、種子細胞和誘導因子及其生物環境起著非常重要的作用。理想的軟骨支架材料應具備的基本條件主要有：①能對軟骨細胞生長提供力學支持；②對細胞無毒害作用，有較好的生物相容性，不易引起炎性反應，並可以促進種子細胞黏附；③具有良好的生物活性，能夠幫助維持軟骨細胞的表型表達；④應該具備多孔疏鬆的三維結構以保存大量細胞，並且有利於營養物質和氧氣的進入和細胞代謝產物的排出，從而有利於軟骨細胞的新陳代謝；⑤具備很好的生物降解性，利於細胞增殖，並且要求支架材料的降解速率應與細胞的增殖速率相匹配。

現今有多種支架材料被用於軟骨組織工程，按其來源不同大體可分為天然的和人工合成的兩種。目前用於軟骨組織工程的人工合成材料主要有：聚乳酸、聚羥基乙酸、聚乳酸一羥基乙酸、聚乙二醇、丙交酯乙交酯共聚酯、嵌段共聚物，D—磷酸三鈣、聚乙烯醇等；天然支架主要有：透明質酸、膠原、幾丁質、藻酸、小腸黏膜下層、纖維蛋白原等。人工合成的支架材料因其來源廣泛、易加工成所需的形狀等優勢近年來得到了廣泛的發展，相比於天然支架材料，它具有極好的生物力學性能，並且可以根據需要調整其理化特性和生物降解速率，但因其較弱的親合性和一定程度的細胞毒性作用限制了它的應用。而天然支架材料因其較好的親合性而有利於細胞的黏附和增殖被視為細胞生長的天然載體。它具有良好的生物可降解性，經過去抗原處理後生物相容性好，還含有生長因子類物質，可以進一步促進細胞的識別、黏附、增殖和保持分化特性。其缺點是力學性能較差，降解速度快、大量製備困難，不同批次質量差異波動較大，且因其來自於天然生物體，處理不當尚有傳播疾病的危險。但是目前所研究的各種支架材料各有其優缺點，並沒有任何一種支架材料是公認的最佳組織工程軟骨支架材料，因此我們仍然要致力於尋找更好的支架材料來為臨床應用提供更多更好的選擇。

魔芋是一種天南星科魔芋屬的草本植物，魔芋葡甘聚糖（Konjacghhcomannan，簡稱 KGM）是魔芋的主要成分，在幹魔芋塊莖中的含量高達55%~ 60%。它是由 D-葡萄糖（G）和 D-甘露糖（M）按 1：1.6或1：1.69的摩爾比通過β-1，4-吡喃糖苷鍵結合的複合多糖。KGM 通常帶有短支鏈，並含有少量乙醯基。KGM具有良好的生物相容性、生物可降解性以及凝血性，使得KGM在抗菌消炎、止血、促進傷口癒合等方面得到廣泛應用；如固定化載體、外用材料及組織工程支架、藥物控釋材料等。所以充分利用魔芋葡甘聚糖良好的生物特性開發其在生物材料領域應用具有優良的發展前景。

透明質酸鈉，是一種酸性粘多糖，廣泛分布於人體的結締組織中，在眼玻璃體、關節腔中幾乎以純態形式存在，以其獨特的分子結構和理化性質在機體內顯示出多種重要的生理功能，如潤滑關節，調節血管壁的通透性，調節蛋白質，水電解質擴散及運轉，促進創傷癒合等，同時透明質酸鈉作為軟骨基質中重要的蛋白多糖，在維持軟骨細胞表型、促進軟骨機制分泌等方面也發揮著重要的作用。綜合分析研究著研究成果表明，軟骨支架材料的研究與選取，仍是軟骨組織工程學科研究的重點與難點方向。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是現有軟骨修復支架材料性能不理想，成本高等問題。

本發明目的在於提供一種多孔軟骨修復用支架材料，所述多孔軟骨修復用支架材料依次由透明質酸鈉、魔芋葡甘聚糖、透明質酸鈉構成三層結構，即類似於「三明治」結構，結構示意圖如圖4所示。

本發明的另一目的在於提供一種多孔軟骨修復支架的製備方法，按如下步驟進行：

（1）按甘油、乳酸、蒸餾水體積比為（0.6~1.2）：（1~2）：（90~400）的比例將甘油、乳酸、蒸餾水混合均勻，並按10~25g/L的比例將魔芋葡甘聚糖溶解於其中，在常溫常壓下，攪拌混勻得到混合溶液。

（2）將步驟（1）製得的混合溶液用微波加熱2~8min，然後冷卻至室溫，負壓脫泡後在模具中流延成膜，乾燥後得到魔芋葡甘聚糖膜。

（3）按二甲基甲醯胺、蒸餾水體積比為（1~5）：（0.5~4）的比例將二甲基甲醯胺、蒸餾水混合均勻，並按8~25g/L的比例將透明質酸鈉溶解於其中，得到透明質酸鈉紡絲液。

（4）將步驟（3）得到的透明質酸紡絲液，通過靜電紡絲的方法複合於步驟（2）得到的魔芋葡甘聚糖膜的兩面，得到所述多孔軟骨修復支架。

優選的，本發明步驟（2）中微波加熱的溫度為80~120℃。

優選的，本發明步驟（2）中負壓脫泡的條件為：在400~760毫米汞柱的負壓下脫泡10~20h。

優選的，本發明步驟（2）中乾燥溫度為40~60℃，時間為10-48小時。

優選的，本發明步驟（4）中靜電紡絲條件為：在正電壓為8~22Kv，接收距離為10~20cm，進料速度為0.01mm/min~1.00mm/min，紡絲環境溫度為50±10℃條件下進行。

本發明中所述軟骨修復支架的抗拉強度為40~60MPa，纖維絲的直徑分布在60~180μm。

本發明採用生物相容性好的可降解生物材料魔芋葡甘聚糖與透明質酸鈉為基本原料，製備出一種用於軟骨修復的魔芋葡甘聚糖/透明質酸鈉多孔支架，為軟骨組織工程領域的發展提供了一種新的極具應用前景的選擇，魔芋葡甘聚糖價格較低，能有效降低材料成本，另外流延法製備的魔芋葡甘聚糖膜其操作簡單，易於成型，且具有較高的抗拉強度；採用靜電紡絲在魔芋葡甘聚糖膜兩側電紡透明質酸鈉，為支架材料提供較好的多孔結構。

本發明的有益效果：

（1）支架材料魔芋葡甘聚糖層採用流延法成型，該方法操作簡單且容易成型，並且材料的抗拉強度為40~60MPa，有較高的抗拉強度，滿足軟骨支架條件。

（2）利用靜電紡絲在魔芋葡甘聚糖膜的兩面複合透明質酸鈉納米纖維，通過改變靜電紡絲相關參數，能較好控制其纖維質量及纖維直徑分布，且該結構適合營養物質的運輸與細胞的長入。

（3）該支架材料製備方法簡單，對設備要求低，其原材料價格低廉，可應用與工業化生產。

附圖說明

圖1為實施例1製備得到的軟骨修復支架材料的顯微形貌圖。

圖2為實施例2製備得到的軟骨修復支架材料的顯微形貌圖。

圖3為實施例3製備得到的軟骨修復支架材料的顯微形貌圖。

圖4為軟骨修復支架材料的結構示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例對本發明方法作進一步詳細說明，但本發明保護範圍不局限於所述內容。

實施例1

本實施例所述軟骨修復支架材料的製備方法，具體內容如下：

（1）將0.6ml甘油、1ml乳酸和100ml蒸餾水混合均勻，並加入1.016g魔芋葡甘聚糖使其溶解於其中，在常溫常壓下，以300r/min的速度攪拌6h；得到魔芋葡甘聚糖混合溶液。

（2）將步驟（1）製得的混合溶液置於微波爐中高火（100℃，800瓦）加熱3.5min，冷卻至室溫，在400~760毫米汞柱的負壓下脫泡16h，然後在直徑為150mm，深為3mm的聚四氟乙烯磨具中流延成膜，置於50℃乾燥箱乾燥12h，得到魔芋葡甘聚糖膜。

（3）將18ml二甲基甲醯胺和25ml蒸餾水混合均勻，並加入0.43g透明質酸鈉使其充分溶解於其中，得到透明質酸鈉紡絲液。

（4）通過靜電紡絲方法，設定正電壓為12Kv，接收距離為12cm，進料速度為1.0mm/min，紡絲環境溫度為48℃，將步驟（3）得到的透明質酸鈉紡絲液複合於步驟（2）得到的魔芋葡甘聚糖膜的兩面，得到所述多孔軟骨修復支架。

（5）採用本實施例得到的軟骨修復支架材料抗拉強度為45MPa，纖維絲的直徑分布在70~100μm，細胞毒性為0級，複合標準，其微觀形貌如圖1所示，由圖可以看出紡絲效果較好，絲較為平滑均勻。

實施例2

本實施例所述軟骨修復支架材料的製備方法，具體內容如下：

（1）將0.8ml甘油、2ml乳酸和200ml蒸餾水混合均勻，並加入4.056g魔芋葡甘聚糖使其溶解於其中，在常溫常壓下，以300r/min的速度攪拌7h；得到魔芋葡甘聚糖混合溶液。

（2）將步驟（1）製得的混合溶液置於微波爐中高火（100℃，800瓦）加熱5min，冷卻至室溫，在400~760毫米汞柱的負壓下脫泡10h，然後在直徑為150mm，深為3mm的聚四氟乙烯磨具中流延成膜，置於45℃乾燥箱乾燥48h，得到魔芋葡甘聚糖膜。

（3）將22.5ml二甲基甲醯胺和7.5ml蒸餾水混合均勻，並加入0.36g透明質酸鈉使其充分溶解於其中，得到透明質酸鈉紡絲液。

（4）通過靜電紡絲方法，設定正電壓為16Kv，接收距離為17cm，進料速度為0.06mm/min，紡絲環境溫度為48℃，將步驟（3）得到的透明質酸鈉紡絲液複合於步驟（2）得到的魔芋葡甘聚糖膜的兩面，得到所述多孔軟骨修復支架。

（5）採用本實施例得到的軟骨修復支架材料抗拉強度為50MPa，纖維絲的直徑分布在80~150μm，細胞毒性為0級，複合標準，其微觀形貌如圖2所示，由圖可以看出紡絲效果較好，絲比較平滑，且少有斷絲。

實施例3

本實施例所述軟骨修復支架材料的製備方法，具體內容如下：

（1）將1.2ml甘油、2ml乳酸和400ml蒸餾水混合均勻，並加入10.08g魔芋葡甘聚糖使其溶解於其中，在常溫常壓下，以300r/min的速度攪拌7.5h。得到魔芋葡甘聚糖混合溶液。

（2）將步驟（1）製得的混合溶液置於微波爐中（100℃，800瓦）高火加熱8min，冷卻至室溫，在400~760毫米汞柱的負壓下脫泡20h，然後在直徑為150mm，深為3mm的聚四氟乙烯磨具中流延成膜，置於60℃乾燥箱乾燥10h，得到魔芋葡甘聚糖膜。

（3）將16.5ml二甲基甲醯胺和13.5ml蒸餾水混合均勻，並加入0.6g透明質酸鈉使其充分溶解於其中，得到透明質酸鈉紡絲液。

（4）通過靜電紡絲方法，設定正電壓為20Kv，接收距離為18cm，進料速度為0.02mm/min，紡絲環境溫度為52℃，將步驟（3）得到的透明質酸鈉紡絲液複合於步驟（2）得到的魔芋葡甘聚糖膜的兩面，得到所述多孔軟骨修復支架。

（5）採用本實施例得到的軟骨修復支架材料抗拉強度為45MPa，纖維絲的直徑分布在65~135μm，細胞毒性為0級，複合標準，其微觀形貌如圖3所示，由圖可以看出纖維均勻性好，並且纖維比較光滑平直。