專利名稱：一種具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架及其成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多材料多結(jié)構(gòu)支架復(fù)合成形的生物制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架及其成形方法。
背景技術(shù)：
韌帶是維持人體關(guān)節(jié)穩(wěn)定與正常運(yùn)動(dòng)能力的關(guān)鍵，但運(yùn)動(dòng)或意外事故常導(dǎo)致韌帶發(fā)生不可自愈性損傷或斷裂，臨床上需要采用韌帶重建手術(shù)來(lái)恢復(fù)其生理功能。目前韌帶重建手術(shù)所使用的關(guān)節(jié)韌帶移植體如自體韌帶、異體韌帶、不可降解人工韌帶等多從強(qiáng)度方面考慮其特性需求，而忽略了自然韌帶與骨組織間的界面連接關(guān)系，僅通過(guò)手術(shù)線、醫(yī)用螺釘?shù)确绞脚c自體骨“機(jī)械固定”，難以使移植體與自體骨組織間形成牢固的組織融合，遠(yuǎn)期臨床療效較差:或因自體骨內(nèi)融合隧洞擴(kuò)大而拉出，或因連接處的應(yīng)力集中而疲勞斷裂。因此，模擬自然韌帶-骨界面特性，構(gòu)建具有材料和結(jié)構(gòu)過(guò)渡的仿生韌帶-骨組織支架，通過(guò)骨組織支架與自體骨的生理愈合來(lái)實(shí)現(xiàn)韌帶與自體骨永久的“生理固定”，是當(dāng)今國(guó)際醫(yī)學(xué)界迫切需要解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架及其成形方法，通過(guò)韌帶支架與骨支架的仿生界面連接、骨支架與自體骨的生理結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)韌帶支架與自體骨的“生理固定”。一種具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架，包括韌帶支架I及與之連接的骨支架4，韌帶支架I由生物可降解微納米纖維編織而成，骨支架4為包含纖維連接特征的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，韌帶支架I與骨支架4連接界面為模擬自然韌帶-骨界面的多孔非鈣化軟骨層2與鈣化軟骨層3。由生物可降解微納米纖維編織成韌帶支架I中，生物可降解微納米纖維材料為聚乳酸纖維、聚乳酸羥基乙酸纖維、聚已內(nèi)酯纖維、蠶絲、手術(shù)縫合線或其共混物；配制用于制作骨支架4的材料溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40% -70%，骨支架的材料溶液由骨支架材料、水溶劑、有機(jī)單體、分散劑、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和催化劑按110-120:60-80:6-8:1-2:1-1.5:0.2-0.75:0.2-0.75的質(zhì)量比混合組成，骨支架材料為β-磷酸三鈣、羥基磷灰石、自固化骨水泥、硅酸鈣或其共混物，水溶劑為去離子水，有機(jī)單體為丙烯酰胺、甲基-酰氧乙基三甲基氯化鈉或己二酸二酰肼，分散劑為聚丙烯酸鈉或聚丙烯酸銨，交聯(lián)劑為N，N-二甲基丙烯酰胺、N，N-二丙酮基丙烯酰胺或二亞芐基丙酮基丙烯酰胺，引發(fā)劑為過(guò)硫酸銨、過(guò)硫酸鈉或過(guò)硫酸鉀，催化劑為N，N, N, N-四甲基乙二胺或N，N - 二甲基環(huán)己胺?！N具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架的成形方法，包括以下步驟:1)利用計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出具有內(nèi)連通管道及纖維連接結(jié)構(gòu)的骨支架模型，以及與骨支架外形匹配的、 用于仿生界面制造的模具，通過(guò)布爾運(yùn)算設(shè)計(jì)出骨支架模型的負(fù)型，利用快速成型技術(shù)制造出骨支架模型的樹(shù)脂負(fù)型及用于仿生界面制造的模亙..,N 92)配制用于制作骨支架的材料溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%_70%，骨支架的材料溶液由骨支架材料、水溶劑、有機(jī)單體、分散劑、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和催化劑按110-120:60-80:6-8:1-2:1-1.5:0.2-0.75:0.2-0.75的質(zhì)量比混合組成，骨支架材料為磷酸三鈣、羥基磷灰石、自固化骨水泥、硅酸鈣或其共混物，水溶劑為去離子水，有機(jī)單體為丙烯酰胺、甲基-酰氧乙基三甲基氯化鈉或己二酸二酰肼，分散劑為聚丙烯酸鈉或聚丙烯酸銨，交聯(lián)劑為N，N-二甲基丙烯酰胺、N，N-二丙酮基丙烯酰胺或二亞芐基丙酮基丙烯酰胺，引發(fā)劑為過(guò)硫酸銨、過(guò)硫酸鈉或過(guò)硫酸鉀，催化劑為N，N, N, N-四甲基乙二胺或N，N - 二甲基環(huán)己胺，然后向骨支架模型的樹(shù)脂負(fù)型內(nèi)灌注骨支架的材料溶液，真空條件下排出氣泡，待材料溶液凝固后，放入-20 _80°C低溫環(huán)境下預(yù)凍2-4h，隨后放入真空干燥機(jī)內(nèi)冷凍干燥12-36h，將干燥后的骨支架坯體高溫?zé)Y(jié)20°C _1550°C，使骨支架模型的樹(shù)脂負(fù)型氣化，從而得到包含纖維連接結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷骨支架；3)由生物可降解微納米纖維編織成韌帶支架，生物可降解微納米纖維材料為聚乳酸纖維、聚乳酸羥基乙酸纖維、聚已內(nèi)酯纖維、蠶絲、手術(shù)縫合線或其共混物；4)將韌帶支架與骨支架的纖維連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行捆綁連接實(shí)現(xiàn)韌帶支架與骨支架的初次連接，然后通過(guò)編織技術(shù)將未與骨支架的纖維連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行捆綁連接的韌帶支架進(jìn)行編織，形成初次連接的韌帶-骨復(fù)合支架；5)將韌帶材料、水、二氧六環(huán)按0.5-1.5:0.5-2:6_10的質(zhì)量比配制韌帶材料溶液，韌帶材料為聚乳酸、聚乳酸羥基乙酸、聚已內(nèi)酯、蠶絲、手術(shù)縫合線或其共混物，向制備的韌帶材料溶液中加入不同質(zhì)量的骨支架材料，均勻混合后得到兩種及兩種以上的骨支架材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于5% 40%的復(fù)合材料溶液；6)將用于仿生界面制造的模具和初次連接的韌帶-骨復(fù)合支架進(jìn)行固定，然后向初次連接的韌帶-骨復(fù)合支架界面處逐層灌注復(fù)合材料溶液，從骨支架端到韌帶支架端，骨支架材料在復(fù)合材料 溶液內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸遞減，在靠近骨支架端，灌注骨支架材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的復(fù)合材料溶液，高度為0.1-0.5mm，骨支架材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為20% 40%，在骨支架與韌帶支架連接的中間部分，灌注骨支架材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的復(fù)合材料溶液，高度為0.1-0.5mm,骨支架材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為5% 20%，而在靠近韌帶支架端，灌注韌帶材料溶液，高度為0.1-0.5mm ；7)將灌注好的初次連接的韌帶-骨復(fù)合支架放入-20 _80°C低溫環(huán)境下預(yù)凍2_4h，隨后放入真空干燥機(jī)內(nèi)冷凍干燥12-36h，去除用于仿生界面制造的模具，得到具有仿生界面的韌帶-骨復(fù)合支架。本發(fā)明的目的主要是針對(duì)目前韌帶重建手術(shù)長(zhǎng)期效果不佳的問(wèn)題，提出了一種具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架的成形方法。本發(fā)明的韌帶纖維與骨支架的連接分為初次連接及二次連接，初次連接將韌帶纖維與骨支架進(jìn)行固定，二次連接模擬了自然韌帶-骨交界面的結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高了韌帶與骨支架的連接強(qiáng)度。二次連接方法為向韌帶-骨交界面處灌注不同骨支架材料濃度的韌帶材料復(fù)合溶液，提供了剛度的過(guò)渡，避免了韌帶與骨支架直接連接方式存在的應(yīng)力集中問(wèn)題。骨支架與骨通道可以生理愈合，實(shí)現(xiàn)生理固定。本發(fā)明制造的骨支架具有相連通管道及仿生界面結(jié)構(gòu)，相連通管道有助于營(yíng)養(yǎng)和代謝物的傳遞，仿生界面結(jié)構(gòu)還為韌帶纖維與骨支架的連接提供了一種嵌入結(jié)構(gòu)，提高了韌帶-骨仿生支架的連接強(qiáng)度。韌帶-骨復(fù)合支架的仿生界面部分為多孔結(jié)構(gòu)，有利于植入后細(xì)胞的長(zhǎng)入。


附圖為具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。參照附圖，一種具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架，包括韌帶支架I與骨支架4，韌帶支架I由生物可降解微納米纖維編織而成，骨支架4為包含纖維連接特征的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，韌帶支架I與骨支架4連接界面為模擬自然韌帶-骨界面的多孔非鈣化軟骨層2與鈣化軟骨層3。一種具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架的成形方法，包括以下步驟:I)利用計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出具有內(nèi)連通管道及纖維連接結(jié)構(gòu)的骨支架模型，以及與骨支架外形匹配的、用于仿生界面制造的模具，其中，骨支架的主體外形為圓柱體，外徑為11mm，內(nèi)部連通管道的直徑為0.5mm，用于仿生界面制造的模具內(nèi)徑為IOmm,外徑為15mm,高度為20mm,通過(guò)布爾運(yùn)算設(shè)計(jì)出骨支架模型的負(fù)型,利用快速成型技術(shù)制造出骨支架模型的樹(shù)脂負(fù)型及用于仿生界面制造的模具；2)配制用于制作骨支架的材料溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%，骨支架的材料溶液由β -磷酸三鈣粉體、水溶劑去離子水、有機(jī)單體丙烯酰胺、分散劑聚丙烯酸鈉、交聯(lián)劑N，N- 二甲基丙烯酰胺、引發(fā)劑過(guò)硫酸銨和催化劑N，N, N, N-四甲基乙二胺按110:70:6:2:1.2:0.36: 0.36的質(zhì)量比混合組成，然后向骨支架模型的樹(shù)脂負(fù)型內(nèi)灌注骨支架的材料溶液，真空條件下排出氣泡，待材料溶液凝固后，放入_20°C冰箱預(yù)凍2h，隨后放入真空干燥機(jī)內(nèi)冷凍干燥24h，將干燥后的骨支架坯體高溫?zé)Y(jié)20°C _1150°C，使骨支架模型的樹(shù)脂負(fù)型氣化，從而得到包含纖維連接結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷骨支架；3)由生物可降解微納米纖維編織成韌帶支架，生物可降解微納米纖維材料為聚乳酸纖維、聚乳酸羥基乙酸纖維、聚已內(nèi)酯纖維、蠶絲、手術(shù)縫合線或其共混物；4)將韌帶支架與骨支架的纖維連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行捆綁連接實(shí)現(xiàn)韌帶支架與骨支架的初次連接，然后通過(guò)編織技術(shù)將未與骨支架的纖維連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行捆綁連接的韌帶支架進(jìn)行編織，形成初次連接的韌帶-骨復(fù)合支架；5)將韌帶材料、水、二氧六環(huán)按1:1:9的質(zhì)量比配制韌帶材料溶液，韌帶材料為聚乳酸，向制備的韌帶材料溶液中加入不同質(zhì)量的骨支架材料，均勻混合后得到兩種骨支架材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.4%和8.3%的復(fù)合材料溶液；6)將用于仿生界面制造的模具和初次連接的韌帶-骨復(fù)合支架進(jìn)行固定，然后向初次連接的韌帶-骨復(fù)合支架界面處逐層灌注復(fù)合材料溶液，從骨支架端到韌帶支架端，骨支架材料在復(fù)合材料溶液內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸遞減，在靠近骨支架端，灌注骨支架材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.4%的復(fù)合材料溶液，高度為0.2mm,部分溶液進(jìn)入骨支架的多孔結(jié)構(gòu)中提高了連接強(qiáng)度，在骨支架與韌帶支架連接的中間部分，灌注骨支架材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.3%的復(fù)合材料溶液，高度為0.2mm,而在靠近韌帶支架端，灌注韌帶材料溶液，高度為0.2mm ；
7)將灌注好的初次連接的韌帶-骨復(fù)合支架放入_20°C低溫環(huán)境下預(yù)凍2h，隨后放入真空干燥·機(jī)內(nèi)冷凍干燥24h，去除用于仿生界面制造的模具，得到具有仿生界面的韌帶-骨復(fù)合支架。
權(quán)利要求
1.一種具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架，包括韌帶支架(I)與骨支架(4)，其特征在于:韌帶支架(I)由生物可降解微納米纖維編織而成，骨支架(4)為包含纖維連接特征的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，韌帶支架(I)與骨支架(4)連接界面為模擬自然韌帶-骨界面的多孔非鈣化軟骨層(2)與鈣化軟骨層(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架，其特征在于:由生物可降解微納米纖維編織成韌帶支架(I)中，生物可降解微納米纖維材料為聚乳酸纖維、聚乳酸羥基乙酸纖維、聚已內(nèi)酯纖維、蠶絲、手術(shù)縫合線或其共混物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架，其特征在于:配制用于制作骨支架(4)的材料溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40% -70%，骨支架的材料溶液由骨支架材料、水溶劑、有機(jī)單體、分散劑、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和催化劑按110-120:60-80:6-8:1~2:1-1.5:0.2-0.75:0.2-0.75的質(zhì)量比混合組成，骨支架材料為β -磷酸三鈣、羥基磷灰石、自固化骨水泥、硅酸鈣或其共混物，水溶劑為去離子水，有機(jī)單體為丙烯酰胺、甲基-酰氧乙基三甲基氯化鈉或己二酸二酰肼，分散劑為聚丙烯酸鈉或聚丙烯酸銨，交聯(lián)劑為N，N-二甲基丙烯酰胺、N，N- 二丙酮基丙烯酰胺或二亞芐基丙酮基丙烯酰胺，引發(fā)劑為過(guò)硫酸銨、過(guò)硫酸鈉或過(guò)硫酸鉀，催化劑為N，N, N, N-四甲基乙二胺或N，N - 二甲基環(huán)己胺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架，其特征在于:其成形方法包括以下步驟: 1)利用計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出具有內(nèi)連通管道及纖維連接結(jié)構(gòu)的骨支架模型，以及與骨支架外形匹配的、用于仿生界面制造的模具，通過(guò)布爾運(yùn)算設(shè)計(jì)出骨支架模型的負(fù)型，利用快速成型技術(shù)制造出骨支架模型的樹(shù)脂負(fù)型及用于仿生界面制造的模具； 2)配制用于制作骨支架的材料溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%-70%，骨支架的材料溶液由骨支架材料、水溶劑、有機(jī)單體、分散劑、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和催化劑按110-120:60-80:6-8:1~2:1-1.5:0.2-0.75:0.2-0.75的質(zhì)量比混合組成，骨支架材料為β -磷酸三鈣、羥基磷灰石、自固化骨水泥、硅酸鈣或其共混物，水溶劑為去離子水，有機(jī)單體為丙烯酰胺、甲基-酰氧乙基三甲基氯化鈉或己二酸二酰肼，分散劑為聚丙烯酸鈉或聚丙烯酸銨，交聯(lián)劑為N，N- 二甲基丙烯酰胺、N，N- 二丙酮基丙烯酰胺或二亞芐基丙酮基丙烯酰胺，引發(fā)劑為過(guò)硫酸銨、過(guò)硫酸鈉或過(guò)硫酸鉀，催化劑為N，N, N, N-四甲基乙二胺或N，N - 二甲基環(huán)己胺，然后向骨支架模型的樹(shù)脂負(fù)型內(nèi)灌注骨支架的材料溶液，真空條件下排出氣泡，待材料溶液凝固后，放入-20 _80°C低溫環(huán)境下預(yù)凍2-4h，隨后放入真空干燥機(jī)內(nèi)冷凍干燥12-36h，將干燥后的骨支架坯體高溫?zé)Y(jié)20°C -1550°C，使骨支架模型的樹(shù)脂負(fù)型氣化，從而得到包含纖維連接結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷骨支架； 3)由生物可降解微納米纖維編織成韌帶支架，生物可降解微納米纖維材料為聚乳酸纖維、聚乳酸羥基乙酸纖維、聚已內(nèi)酯纖維、蠶絲、手術(shù)縫合線或其共混物； 4)將韌帶支架與骨支架的纖維連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行捆綁連接實(shí)現(xiàn)韌帶支架與骨支架的初次連接，然后通過(guò)編織技術(shù)將未與骨支架的纖維連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行捆綁連接的韌帶支架進(jìn)行編織，形成初次連接的韌帶-骨復(fù)合支架； 5)將韌帶材料、水、二氧六環(huán)按0.5-1.5:0.5-2:6-10的質(zhì)量比配制韌帶材料溶液，韌帶材料為聚乳酸、聚乳酸羥基乙酸、聚已內(nèi)酯、蠶絲、手術(shù)縫合線或其共混物，向制備的韌帶材料溶液中加入不同質(zhì)量的骨支架材料，均勻混合后得到兩種及兩種以上的骨支架材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于5% 40%的復(fù)合材料溶液； 6)將用于仿生界面制造的模具和初次連接的韌帶-骨復(fù)合支架進(jìn)行固定，然后向初次連接的韌帶-骨復(fù)合支架界面處逐層灌注復(fù)合材料溶液，從骨支架端到韌帶支架端，骨支架材料在復(fù)合材料溶液內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸遞減，在靠近骨支架端，灌注骨支架材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的復(fù)合材料溶液，高度為0.1-0.5mm,骨支架材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為20% 40%，在骨支架與韌帶支架連接的中間部分，灌注骨支架材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的復(fù)合材料溶液，高度為·0.1-ο.5mm,骨支架材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為5% 20%,而在靠近韌帶支架端，灌注韌帶材料溶液，高度為0.1-0.5mm ； 7)將灌注好的初次 連接的韌帶-骨復(fù)合支架放入-20 _80°C低溫環(huán)境下預(yù)凍2-4h，隨后放入真空干燥機(jī)內(nèi)冷凍干燥12-36h，去除用于仿生界面制造的模具，得到具有仿生界面的韌帶-骨復(fù)合支架。
全文摘要
一種具有仿生連接界面的韌帶-骨復(fù)合支架及其成形方法，首先模擬自然韌帶-骨交界面結(jié)構(gòu)，利用快速成型技術(shù)制造出帶纖維連接結(jié)構(gòu)的骨支架模型的樹(shù)脂負(fù)型；向樹(shù)脂負(fù)型內(nèi)灌注骨支架材料溶液，冷凍干燥，高溫?zé)Y(jié)，制造出具有內(nèi)部連通管道及帶纖維連接結(jié)構(gòu)的骨支架；然后將韌帶纖維與骨支架的纖維連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行初次連接，并將用于仿生界面制造的模具和初次連接形成的韌帶-骨支架進(jìn)行固定；向韌帶與骨支架的交界面處灌注多種骨支架材料濃度變化的韌帶材料復(fù)合溶液作為二次連接；冷凍干燥，去除模具，得到具有仿生界面的韌帶-骨復(fù)合支架，本發(fā)明有助于營(yíng)養(yǎng)和代謝物的傳遞，提高了韌帶-骨復(fù)合支架的連接強(qiáng)度，有利于植入后細(xì)胞的長(zhǎng)入。
文檔編號(hào)A61L27/50GK103071187SQ20131001269
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者賀健康, 李滌塵, 靳忠民, 張文友, 李翔, 連芩, 劉亞雄, 王玲 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)