一种仿生人工骨支架及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种仿生人工骨支架及其制备方法，所述方法为：配置材料溶液A和B，利用静电纺丝法分别将A和B纺制成支架的中心通道层和外围柱体层，中心通道层中的纳米纤维螺旋方向相同，外围柱体层中的相邻两个纳米纤维层的纤维螺旋方向相反，从微观水平精致模拟骨单位三维微环境，并通过分层添加生长因子为种子细胞BMSCs提供差异化诱导环境，构建中心通道层血管化组织、外围柱体层骨组织的仿生人工骨支架。支架中纳米纤维交错取向能够极大地增强其结构稳定性，为骨缺损部位提供有效力学支撑，其相互贯通的网络框架，有利于细胞渗透生长及血管和神经长入，也便于营养物质和代谢废物的传递，在生物医学材料及组织工程领域中具有理想的推广和应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于组织工程
，具体涉及一种仿生人工骨支架及其制备方法。
技术介绍
全世界每年骨缺损患者数以千万计，使得骨修复支架材料成为临床上需求量最大的生物医用材料之一。长期以来，研制和开发理想的人工骨支架来治疗骨缺损一直是科学工作者们的热点研究课题。目前临床上使用的人工骨修复材料，有以金属、陶瓷或高分子制造的不同类型，它们在生物活性、生物相容性、生物可降解性、力学性能和使用寿命等方面具有各自的优缺点。然而，现有人工骨支架普遍存在的问题是，虽然种植体与骨界面可形成一定的骨性结合，但由于新骨生长受局部微环境的限制，爬行替代缓慢，在治疗大范围骨缺损时，成骨仅限于植体边缘区域，难以实现支架与骨的整合以及缺损区的完整修复和重建。研究证实，即使支架材料具有较高孔隙率和孔间贯通性，受植区的成骨量也十分有限，新骨组织长入材料的深度至多能达到其表面孔径的10倍。(DaviesJE,etal.Topographicscale-rangesynergyatthefunctionalbone/implantinterface.Biomaterials2014(35):25-35)对于生物可降解性材料而言，如果材料与宿主骨不能完全融合，其内部累积的降解产物难以参与人体正常生理代谢，容易出现无菌性炎症而导致手术失败。骨缺损修复和再生需要适宜的外界微环境，如果材料的内部框架结构不能模拟自然骨细胞外基质形成的网络结构，不利于细胞相互之间的联系及信息传递，参与骨修复的细胞生长和迁移受限，难以实现骨整合。要从根本上解决植入体与宿主骨组织的整合问题，需通过调控支架材料的构成组分和微观结构来优化其性能。从材料学的角度看，自然骨是一种从纳米尺度到宏观水平分级排列精密构建的胶原纤维-磷灰石复合生物材料。骨组织中的基本结构单元—骨单位(Osteons)由同心圆排列的哈佛骨板(Haversianlamella)构成，直径为100～500μm，中央管内为血管神经，外围骨板中的胶原纤维呈螺旋状走行，相邻骨板的纤维方向互成直角，骨细胞取向分布于矿化的三维网络矩阵中。自然状态的骨微环境为细胞生长提供了极为有利的条件，均衡的营养和物质能量交换，促进了细胞增殖和细胞外基质的分泌。在体外如何构建这一微环境，实际上要解决纳米纤维从构成组分到形貌尺寸、表面纹理、取向度及精密空间排布的协同调控，以利于不同细胞的粘附和长期生长，使支架、细胞和外基质形成一个有机的结合体并最终形成功能化组织。静电纺丝制备的纤维直径与细胞外基质中的微丝相当，加之彼此连通的微小孔隙结构，能够很好地模拟天然细胞外基质结构，为细胞生长提供理想微环境，通过改变静电纺丝供液和接收装置的形式，还可得到具有特殊取向结构的纳米纤维，以满足不同的细胞生长需求。美国Clemson大学生物工程研究院设计了一种新型静电纺丝收集装置，采用两条平行传送带接收纳米纤维。这种装置能控制纳米纤维取向排列并避免其相互粘连，得到稀疏层叠排列的三维支架，使细胞较好地粘附并穿透纤维支架内部生长。但该方法制备的纳米纤维支架力学强度欠佳，限制了其在人工骨替代材料方面的应用。(BeachleyV,etal.Anovelmethodtopreciselyassembleloosenanofiberstructuresforregenerativemedicineapplications.Adv.Healthc.Mater.2013(2):343-51)近期上海东华大学联合美国Cornell大学报道了一种各向异性的编织型纳米纤维支架，通过对两组供液针头施加相反的电压，以使带相反电荷的聚合物溶液喷射流(各自从针头拉出)向中间区域聚集，再结合电子提花和环锭捻线工艺构建出不同花纹的纳米纤维平面编织网络结构。将人主动脉瓣间质细胞(HAVIC)和人主动脉根部平滑肌细胞(HASMC)包封在水凝胶/编织型纳米纤维复合材料中，构成了类心脏瓣膜细胞外基质的微环境并显示出各向异性的生物力学特性。这种支架具有优异的力学性能，但其微观结构与骨单位中胶原纤维的螺旋取向空间排布还有较大差异，不适用于骨组织缺损的修复重建。(WuS,etal.Fabricationofalignednanofiberpolymeryarnnetworksforanisotropicsofttissuescaffolds.ACSAppl.Mater.Interfaces2016(8):16950-60)迄今为止，尚未见以静电纺纳米纤维按照分层交错螺旋的方式构建仿生人工骨支架用于骨缺损修复治疗的文献报道。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于：(1)提供一种仿生人工骨支架的制备方法；(2)提供一种仿生人工骨支架。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：1、一种仿生人工骨支架的制备方法，包括如下步骤：(1)将I型胶原和生物可降解高分子溶于溶剂中，制得材料溶液A；(2)将纳米羟基磷灰石加入步骤(1)中制得的溶液A中，制得材料溶液B；(3)利用静电纺丝法以步骤(1)中材料溶液A为原料纺制支架的中心通道层，再以步骤(2)中材料溶液B为原料在制得的中心通道层上纺制支架的外围柱体层。进一步，步骤(1)中，所述I型胶原和生物可降解高分子的质量比为99～50:1～50。进一步，步骤(1)中，所述生物可降解高分子为壳聚糖、透明质酸、海藻酸钠、聚氧化乙烯、聚丙交酯-乙交酯、聚乙烯醇、聚己内酯或聚乳酸中的一种或多种。进一步，步骤(1)中，所述溶剂为水、乙酸、六氟异丙醇、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或多种。进一步，步骤(1)中，所述材料溶液A还包含VEGF、b-FGF、Ang-1,2、TGF-β或EGF中的一种或多种，在所述材料溶液A中的质量分数为0.00001～0.01％。进一步，步骤(2)中，所述材料溶液B还包含BMP-2,7、OGP、PDGF、TGF-β、SGF或IGF-1,2中的一种或多种，在所述材料溶液B中的质量分数为0.00001～0.01％。进一步，步骤(2)中，所述材料溶液B中纳米羟基磷灰石的质量分数为10～80％；所述纳米羟基磷灰石由钙盐和磷酸或钙盐和磷酸盐按钙/磷摩尔配比1.67:1在pH为10～14条件下反应合成；所述钙盐为Ca(NO3)2、CaCl2、Ca(OH)2、Ca(CH3COO)2或CaCO3中的一种；所述磷酸盐为(NH4)2HPO4、NH4H2PO4、Na3PO4、Na2HPO4或NaH2PO4中的一种。进一步，步骤(3)中，所述支架的中心通道层和外围柱体层具体由以下方法制得：1)将所述材料溶液A和材料溶液B分别注入推注器至各推注器内无空气；2)利用静电纺丝法，首先将步骤1)中的推注器安装在静电纺丝装置中平移装置的移动滑块上，调整推进挡板位置，设置静电纺丝参数，然后推注所述材料溶液A，调整电压至推注器喷头液滴形成稳定喷射流，推注过程中所述移动滑块始终保持同向移动，待接收装置上形成所述中心通道层后，开始推注所述材料溶液B，同时停止推注所述材料溶液A，此推注过程中所述移动滑块移动方向交替变换，最终形成所述支架外围柱体层。进一步，步骤2)中，所述静电纺丝参数具体为：温度20～60℃，湿度40～80％，所述推注器喷头与接收装置之间电势差为5～20V，电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生人工骨支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将I型胶原和生物可降解高分子溶于溶剂中，制得材料溶液A；(2)将纳米羟基磷灰石加入步骤(1)中制得的材料溶液A中，制得材料溶液B；(3)利用静电纺丝法以步骤(1)中材料溶液A为原料纺制支架的中心通道层，再以步骤(2)中材料溶液B为原料在制得的中心通道层上纺制支架的外围柱体层。

【技术特征摘要】
1.一种仿生人工骨支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将I型胶原和生物可降解高分子溶于溶剂中，制得材料溶液A；(2)将纳米羟基磷灰石加入步骤(1)中制得的材料溶液A中，制得材料溶液B；(3)利用静电纺丝法以步骤(1)中材料溶液A为原料纺制支架的中心通道层，再以步骤(2)中材料溶液B为原料在制得的中心通道层上纺制支架的外围柱体层。2.如权利要求1所述的一种仿生人工骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述I型胶原和生物可降解高分子的质量比为99～50:1～50。3.如权利要求1所述的一种仿生人工骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述生物可降解高分子为壳聚糖、透明质酸、海藻酸钠、聚氧化乙烯、聚丙交酯-乙交酯、聚乙烯醇、聚己内酯或聚乳酸中的一种或多种。4.如权利要求1所述的一种仿生人工骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述溶剂为水、乙酸、六氟异丙醇、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或多种。5.如权利要求1所述的一种仿生人工骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述材料溶液A还包含VEGF、b-FGF、Ang-1,2、TGF-β或EGF中的一种或多种，在所述材料溶液A中的质量分数为0.00001～0.01％。6.如权利要求1所述的一种仿生人工骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述材料溶液B还包含BMP-2,7、OGP、PDGF、TGF-β、SGF或IGF-1,2中的一种或多种，在所述材料溶液B中的质量分数为0.00001～0.01％。7.如权利要求1所述的一种仿生人工骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述材料溶液B中纳米羟基磷灰石的质量分数为10～80％；所述纳米羟基磷灰石由钙盐和磷酸或钙盐和磷酸盐按钙/磷摩尔配比1.67:1在pH为10～14条件下反应合成；所述钙盐为Ca(NO3)2、CaCl2、Ca(OH)2、Ca(CH3COO)2或CaCO3中的一种；所述磷酸盐为(NH4)2HPO4、NH4H2PO4、N...

【专利技术属性】
技术研发人员：江虹，龙平，李梦伟，孙菊江，何雨薇，董世武，李振声，丁海滨，
申请(专利权)人：中国人民解放军第三军医大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50