聚氨基酸基半月板組織工程支架及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半月板組織工程支架及其制備方法，特別是一種聚氨基酸基半月板組織工程支架及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)如今，半月板損傷已經(jīng)是一種很常見疾病。在美國，每年有超過100萬人接受半月板手術(shù)治療。這些損傷直接破壞半月板組織中重要膠原纖維結(jié)構(gòu)，使其負載轉(zhuǎn)換功能下降；并且由于半月板組織缺乏血供，其自愈合能力較差。對于半月板損傷治療，也是臨床一大難題。
[0003]隨著對半月板切除術(shù)后發(fā)生關(guān)節(jié)退行性病變的認識加深，越來越多的外科醫(yī)生意識到半月板生物力學(xué)功能的重要性，認為不宜簡單地將損傷半月板切除。組織工程技術(shù)的發(fā)展為半月板損傷的修復(fù)治療提供了可行性的思路。
[0004]在半月板組織工程修復(fù)再生中，支架材料是關(guān)鍵因素。首先，半月板要承受多種力的作用，因此半月板支架材料應(yīng)具備合適的力學(xué)性能，各向異性，幾何形狀和潤滑性。同時材料應(yīng)具有生物活性，能夠維持細胞表型，能夠誘導(dǎo)細胞外基質(zhì)的產(chǎn)生，沒有免疫原性，能與宿主很好的結(jié)合。半月板組織工程支架材料起到臨時細胞外基質(zhì)的作用，理想的支架材料應(yīng)在組分，構(gòu)建和力學(xué)性能上模擬細胞外基質(zhì)。為細胞的體外培養(yǎng)和體內(nèi)修復(fù)提供近似天然組織的環(huán)境。
[0005]聚乙交酯及其共聚物支架材料雖然具有良好的生物相容性、可控的降解性能和較高的力學(xué)強度，作為半月板組織工程材料研究較多并且大多處于動物實驗階段，但是這類材料缺少彈性，在半月板修復(fù)過程中因無法吸收分散負荷而導(dǎo)致股脛關(guān)節(jié)軟骨產(chǎn)生磨損和退行性改變，以致發(fā)生骨性關(guān)節(jié)炎；美國專利公開號:20080097605 (Al)，該專利公開了一種以聚丙交酯(PLA)/聚乙交酯(PGA)纖維增強且表面涂覆透明質(zhì)酸的聚己內(nèi)酯(PCL)復(fù)合半月板支架，其生物相容性好，力學(xué)性能突出，能夠部分或者完全代替損傷半月板以及損傷半月板的再生。美國專利公開號:2012165939 (Al)，該專利公開了一種非紡聚酯纖維材料增強的泡沫支架材料，其賦予泡沫支架材料更好的縫合抗拔強度，解決了支架在半月板損傷部位的固定。但PGA/PLA這類聚酯材料其降解產(chǎn)物呈酸性，引發(fā)炎癥反應(yīng)。源自細胞外基質(zhì)的天然生物材料能夠邏輯性的構(gòu)建一個天然細胞生存環(huán)境且具有生物活性，中國專利申請?zhí)?200910038062.0，公開了一種高強度膠原組織修復(fù)材料制品，其可用于半月板以及關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)。但是其只能從生命體中獲得，降解速率難以控制，力學(xué)性能差，價格昂貴，還可能攜帶朊病毒。這一類材料已經(jīng)部分應(yīng)用于臨床如膠原，但是由于膠原支架的難縫合性以及降解收縮，已經(jīng)從臨床中踢除。
[0006]如何構(gòu)建促進關(guān)節(jié)潤滑、有利于營養(yǎng)傳輸、保持再生組織高度均一性、具有較高生物力學(xué)性能和可生物可降解性半月板組織工程支架，是組織工程領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)和巨大挑戰(zhàn)。
[0007]目的與創(chuàng)新: 聚氨基酸作為一種合成多肽材料，具有良好生物降解性、生物相容性、低免疫原性等特點?？纱龠M組織修復(fù)和細胞生長，模擬細胞外基質(zhì)，降解產(chǎn)物L(fēng)-谷氨酸是蛋白質(zhì)的主要構(gòu)成成分，在體內(nèi)無免疫原性和毒副作用。
[0008]由于聚氨基酸力學(xué)性能不足，阻礙了其在組織工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。引入脂肪族聚酯，例如聚(e-己內(nèi)酯)，作為半結(jié)晶性生物材料，廣泛應(yīng)用在組織工程領(lǐng)域，具有生物可降解性，生物相容性和良好的柔韌性，且降解產(chǎn)物不會引起酸性環(huán)境。通過聚己內(nèi)酯雜化聚氨基酸制備多孔彈性水凝膠組織工程支架，為關(guān)節(jié)提供力學(xué)支撐以及起到緩沖作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的之一在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題提供一種聚氨基酸基半月板組織工程支架。
[0010]本發(fā)明的目的之二在于提供該半月板組織工程支架的制備方法。
[0011]為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種聚氨基酸基半月板組織工程支架，該工程支架是由填充材料填充在多層骨架中形成的骨架增強的彈性支架，其特征在于:
a.所述的骨架是由殼聚糖通過靜電紡絲制得的薄膜經(jīng)彎曲成半月板月牙形結(jié)構(gòu)而成，厚度為0.05-0.5毫米；層數(shù)為5~10層；
b.所述的填充材料是由聚(L-谷氨酸)聚(e_己內(nèi)酯)/聚(L-天冬氨酸)聚(e-己內(nèi)酯)接枝共聚物與寡聚乙二醇交聯(lián)劑經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)凝膠，經(jīng)冷凍干燥得到的彈性支架，其中交聯(lián)度為50%;所述聚(L-谷氨酸聚(e-己內(nèi)酯)/聚(L-天冬氨酸)-^聚(e_己內(nèi)酯)接枝共聚物中聚(e-己內(nèi)酯)接枝率為5~40%。
[0012]上述的聚(L-谷氨酸)-^聚(e-己內(nèi)酯)/聚(L-天冬氨酸)聚(e_己內(nèi)酯)接枝共聚物中主鏈聚(L-谷氨酸)/聚(L-天冬氨酸)分子量為100000~200000 ;聚(L-谷氨酸)-^聚(e-己內(nèi)酯)/聚(L-天冬氨酸)聚(e-己內(nèi)酯)接枝共聚物中側(cè)鏈聚(e-己內(nèi)酯)的分子量為500~10000。上述殼聚糖(CS)的粘均分子量為5~15萬。
[0013]上述半月板模具其長度為32-36毫米；所述半月板模具其寬度為27-29毫米，模擬月牙形構(gòu)造。一種制備上述的聚氨基酸基半月板組織工程支架的方法，其特征在于該方法的具體步驟為:
a.將殼聚糖靜電紡絲薄膜作為填充材料固定于半月板模具中，構(gòu)建多層骨架；
b.將聚(L-谷氨酸聚(e-己內(nèi)酯)/聚(L-天冬氨酸)聚(e-己內(nèi)酯)接枝共聚物溶解，加入催化劑、寡聚乙二醇交聯(lián)劑，攪拌均勻后，灌注到由殼聚糖靜電紡絲薄膜構(gòu)成的多層骨架半月板模具中，制得骨架增強的半月板彈性交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)凝膠；
c.將制得的骨架增強半月板彈性凝膠通過梯度透析的方式，去除反應(yīng)中引入的有機溶劑以及催化劑，冷凍干燥得到力學(xué)性能優(yōu)異的彈性支架。
[0014]在上述的半月板支架中，所述正常半月板環(huán)向拉伸強度為100~300MPa ;所述正常半月板徑向拉伸強度為10~30MPa。
[0015]以聚氨基酸為主體材料，同時引入聚酯和天然多糖，在組分和結(jié)構(gòu)方面模擬正常半月板組織。在力學(xué)性能方面，支架材料本身在環(huán)向拉伸強度、徑向拉伸強度、軸向壓縮強度與正常半月板相近。支架在半月板重建早期，以支架材料代替半月板，不僅為關(guān)節(jié)提供力學(xué)支撐，而且材料自身能夠效仿正常半月板將垂直的壓力變成水平環(huán)向應(yīng)力，從而有效起到緩沖作用。在體內(nèi)修復(fù)過程中，再生的半月板在組織構(gòu)成上更加接近正常半月板，并且具有更加優(yōu)異的生物力學(xué)性能。
[0016]基于國內(nèi)外關(guān)于半月板組織工程支架研究開發(fā)進展，本發(fā)明成功開發(fā)具有生物相容性、生物可降解性、較高力學(xué)性能的半月板組織工程支架。在結(jié)構(gòu)上，模擬“鋼筋混凝土的復(fù)配體系”(鋼筋:韌性突出、抗拉性好；復(fù)配體系:提供負重以及負載轉(zhuǎn)移能力；混凝土:抗壓性好、抗拉和抗彎性差)，采用靜電紡絲薄膜填充化學(xué)交聯(lián)彈性支架方法制得。“鋼筋”由多層靜電紡絲薄膜構(gòu)成(月牙形排列)混凝土”選用聚酯化學(xué)改性的聚氨基酸多孔彈性支架(模擬半月板自身抗壓縮性能以及模擬ECM環(huán)境)；所制得組織工程半月板支架力學(xué)性能與正常半月板接近。該支架在半月板重建早期，以支架材料代替半月板，不僅為關(guān)節(jié)提供力學(xué)支撐，而且材料自身能夠效仿正常半月板將垂直壓力變成水平環(huán)向應(yīng)力，從而有效起到緩沖作用；在體內(nèi)修復(fù)過