多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及模拟人正常骨-软骨的生理构造的仿生组织工程支架。
【背景技术】
[0002]由于各种创伤、退行性关节炎等原因，常常导致患者关节骨-软骨缺损，为患者带来严重的经济负担和巨大身体痛苦。关节软骨内部无血液提供营养，而且软骨细胞本身为稳定性细胞，损伤后自身修复能力极差。但是，到目前为止，无论是科学研究还是临床研究，都没有一种多层骨-软骨结构的修复方法可以满足骨-软骨损伤的同时修复，并且在平时应用于临床的多种手术方法都未能取得满意的治疗修复效果。
[0003]现有的组织工程骨和软骨支架，其内部结构都比较单一，且软骨部分一般都是不规则内部结构，并且缺乏多层复合结构的骨-软骨修复构造。例如，Jia S,LiuL，Pan ff, Meng G，Duan C，Zhang L,X1ng Z,Liu J.0rientedcartilage extracellularmatrix-derived scaffold for cartilage tissue engineering.J B1sciB1eng.2012，113(5):647_653，再例如，张腊全，张婷，贾帅军，刘建等，定向结构组织工程软骨支架的构建[J]，航天医学与医学工程，2012，25 (3)。由于现有的支架不含有完全与生理结构类似的仿生结构，接种软骨细胞及成骨细胞修复后，其在关节内也不能完全承受应力，在后期的修复过程中，支架经常发生断裂、塌陷等现象。而且目前报道的组织工程支架上所接种的软骨细胞及成骨细胞长期观察的增殖、分化能力较差，骨、软骨组织的长期修复情况不佳，退化情况严重。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架。
[0005]为达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案:
[0006]该支架包括3D打印骨支架层、定向结构层以及设置于定向结构层一侧端面上的光滑仿生层，定向结构层的另一侧端面上设置有钙化仿生层，3D打印骨支架层与钙化仿生层相连，所述光滑仿生层以及钙化仿生层为海绵状结构。
[0007]所述光滑仿生层以及钙化仿生层的致密程度大于定向结构层。
[0008]所述光滑仿生层中，孔隙大小为3?6 μm，孔隙间的距离为2?5 μπι。
[0009]所述钙化仿生层中，孔隙大小为2?4 μm，孔隙间的距离为6?8 μπι。
[0010]所述光滑仿生层采用II型胶原制成。
[0011]所述钙化仿生层采用II型胶原以及三磷酸钙制成。
[0012]所述3D打印骨支架层采用羟基磷灰石以及PLGA制成。
[0013]所述光滑仿生层的厚度为30?40 μ m，定向结构层的厚度为300?400 μ m，钙化仿生层的厚度为30?50 ym,3D打印骨支架层的层数为5?6层，所述5?6层中每一层的厚度为300?400 μ m。
[0014]本实用新型的有益效果体现在:
[0015]本实用新型将多层结构复合在同一组织工程支架上，对软骨细胞及成骨细胞的生长起到促进的作用，有利于骨-软骨全层的修复，从而达到满意的修复效果。所述光滑仿生层，内部空隙致密，孔与孔之间的距离小，接种软骨细胞后，软骨细胞可以在其内部致密生长，修复后可以保持软骨关节面的光滑平整，同时可以保证软骨表面的光滑程度；所述钙化仿生层起着缓冲关节压力的作用。本实用新型采用完全仿生结构，可以保持关节软骨的完整性，改善了软骨细胞接种之后的应力环境，使得修复后的软骨拥有更好的生物力学性能，可以有效避免目前软骨支架在修复后期经常出现的支架断裂、塌陷的现象。所述3D打印骨支架层可以提高整个支架的力学性能，并与软骨钙化层紧密结合，促进骨-软骨交界面的生长。
[0016]进一步的，本实用新型骨支架主要采用羟基磷灰石为原材料，具有良好的生物相容性，软骨支架主要采用II型胶原为原材料，完全符合生理状况下的软骨成分，在支架上接种细胞之后，不会影响细胞的增殖和分化，使得修复后骨-软骨各层的生理作用得到全面恢复。
【附图说明】
[0017]图1为多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架结构纵剖面图；
[0018]图中:1为光滑仿生层，2为定向结构层，3为钙化仿生层，4为3D打印骨支架层。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本实用新型做详细说明。
[0020]在组织学研究的微观结构上，人关节软骨主要分为:浅表层、柱状层和钙化层，软骨下方是骨组织。关节骨-软骨如果全层缺损后，位于柱状软骨上方的关节浅表层及下方钙化层通常会发生变性、退化等改变，钙化层与新生软骨下骨结合也不够紧密，从而阻碍新生骨-软骨的生长，所以，关节骨-软骨的修复必须同时考虑柱状层、浅表层、钙化层的全层修复以及其和软骨下骨的结合作用。为此，本实用新型提供一种完全模拟人正常骨-软骨的构造，即复合光滑仿生层、定向结构层、钙化仿生层、3D打印骨支架层的多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架，解决现有组织工程支架结构不合理，不完整，修复全层骨-软骨缺损或损伤不满意的问题。
[0021]该多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架的结构特点如下:
[0022]参见图1，该多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架由四部分组成。分别为光滑仿生层1、定向结构层2、钙化仿生层3、以及3D打印骨支架层4。四部分结构紧密贴合，组成整体，构成完整的多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架。光滑仿生层部分，采用II型胶原水溶液在模具中冻干而制成，厚度约为30 μ m，通过延长冻干时间以及提高II型胶原浓度，可以为软骨细胞提供致密的生长平台(孔隙大小为3?6 μ m，孔隙间的距离为2?5 μπι)，生长平台致密，有利于促进软骨细胞软骨陷窝的形成及软骨细胞II型胶原的分泌，最后形成光滑的浅表层。定向结构层在软骨支架中处于中间部分，也是最主要的部分，其上端连接光滑仿生层，下端连接钙化仿生层。定向结构层厚度约为300?400 μ m，可以让软骨细胞沿着定向的支架生长，恢复柱状层细胞的正常生理结构，同时也有利于软骨细胞的分化，采用较低浓度II型胶原水溶液经冻干制成。钙化仿生层的厚度为30?50 μm，在定向结构层以下，主要是由II型胶原和三磷酸钙(三磷酸钙用于使得II型胶原支架含有和生理状态下的软骨相似的矿物质沉积，并且增加软骨钙化层硬度)构成，其内部结构较为致密(孔隙大小为2?4 μ m，孔隙间的距离为6?8 μ m)，可以提高整个软骨的生物力学性能，钙化仿生层在整个软骨支架中，起着缓冲关节压力的作用，使用II型胶原添加三磷酸钙的配方，与软骨下骨的生化组成更加类似，有利于成骨前体细胞分泌矿物质的沉积，同时钙化仿生层可以增加整个软骨支架的生物力学性能，对新生软骨与软骨下骨的紧密结合起到促进作用，使得钙化层的软骨更具有缓冲压力的作用。3D打印骨支架层采用羟基磷灰石以及PLGA (聚乳酸-羟基乙酸共聚物)制成，一般层数为5?6层，呈网状交叉结构(由若干个条栅状结构逐层叠合而成，相邻层条栅状结构相互交叉，交叉角度一般为90度，且与钙化仿生层接触的为条栅状结构的端面，每个条栅状结构通常由3?4个柱状体组成，柱状体间隔为300?400 μπι)，交叉结构之间空隙较大，骨支架本身内部存在微孔结构，每一层厚度为300?400 μπι(每个条栅状结构的层高为300?400 μ m)，可以提高整个支架的力学性能，并与软骨钙化层紧密结合，促进骨-软骨交界面的生长，有利于骨-软骨一体化形成。
[0023]使用时，根据需要移植位置结构缺损情况，将所述支架加工为相应的形状，在加工后的支架上接种细胞，然后进行移植。结果发现，本实用新型采用完全仿生结构，可以保持关节软骨的完整性，改善了软骨细胞接种之后的应力环境，使得修复后的软骨拥有更好的生物力学性能，可以有效避免目前软骨支架在修复后期经常出现的支架断裂、塌陷的现象。所述3D打印骨支架层可以提高整个支架的力学性能，并与软骨钙化层紧密结合，促进骨-软骨交界面的生长。
【主权项】
1.一种多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架，其特征在于:包括3D打印骨支架层(4)、定向结构层(2)以及设置于定向结构层(2) —侧端面上的光滑仿生层(1)，定向结构层(2)的另一侧端面上设置有钙化仿生层(3)，3D打印骨支架层(4)与钙化仿生层(3)相连，所述光滑仿生层(1)以及钙化仿生层(3)为海绵状结构。2.根据权利要求1所述一种多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架，其特征在于:所述光滑仿生层(1)以及钙化仿生层(3)的致密程度大于定向结构层(2)。3.根据权利要求1或2所述一种多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架，其特征在于:所述光滑仿生层(1)中，孔隙大小为3?6μπι，孔隙间的距离为2?5μπι。4.根据权利要求1或2所述一种多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架，其特征在于:所述钙化仿生层(3)中，孔隙大小为2?4μπι，孔隙间的距离为6?8μπι。5.根据权利要求1所述一种多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架，其特征在于:所述光滑仿生层(1)采用II型胶原制成。6.根据权利要求1所述一种多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架，其特征在于:所述钙化仿生层(3)采用II型胶原以及三磷酸钙制成。7.根据权利要求1所述一种多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架，其特征在于:所述3D打印骨支架层(4)采用羟基磷灰石以及PLGA制成。8.根据权利要求1所述一种多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架，其特征在于:所述光滑仿生层(1)的厚度为30?40 μπι，定向结构层(2)的厚度为300?400 μm，钙化仿生层⑶的厚度为30?50 ym,3D打印骨支架层⑷的层数为5?6层，所述5?6层中每一层的厚度为300?400 μ m。
【专利摘要】本实用新型提供一种多层仿生组织工程骨-软骨生物活性支架：该支架包括定向结构层以及设置于定向结构层一侧端面上的光滑仿生层，定向结构层的另一侧端面上设置有钙化仿生层，最下方设置有3D打印生物骨支架，所述钙化仿生层有一定的生物力学强度，最下方的3D打印生物骨支架力学强度大且具有较高的组织相容性，本实用新型将多层骨-软骨结构统一复合在一个组织工程支架上，对软骨细胞及成骨细胞的生长起到促进作用，有利于骨-软骨损伤的修复，从而达到满意的修复效果。
【IPC分类】A61L27/12, A61L27/40, A61L27/24, A61L27/54
【公开号】CN204951735
【申请号】CN201520669854
【发明人】李征宇, 刘建, 孟国林, 王铮, 贾帅军, 段春光, 董鑫, 高嘉铠, 程建岗, 孙立国
【申请人】中国人民解放军第四军医大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年8月31日