一種組織工程半月板支架及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及生物材料與組織工程技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種組織工程半月板支架及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半月板由纖維軟骨組成，內(nèi)外各一，位于膝關(guān)節(jié)的脛股關(guān)節(jié)間隙，是膝關(guān)節(jié)的重要組成部分。其具有吸收震蕩、傳遞負(fù)荷、營養(yǎng)關(guān)節(jié)軟骨及維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定等重要功能。半月板嚴(yán)重?fù)p傷或切除后，會(huì)加快膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)展。盡管半月板切除術(shù)后短期療效好、功能恢復(fù)快，但再生半月板不具有正常半月板的功能，遠(yuǎn)期將加重關(guān)節(jié)軟骨退變。組織工程技術(shù)的進(jìn)展為半月板修復(fù)和替代提供了一種新的治療模式。組織工程半月板(TEM)構(gòu)建需要種子細(xì)胞復(fù)合植入支架材料，在特定生長因子或應(yīng)力刺激下完成。
[0003]TEM的支架材料包括人工合成和天然材料。人工合成材料包括聚己內(nèi)酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、碳纖維、聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、滌綸、特富龍、聚氨酯等。天然材料包括膠原、小腸粘膜下組織、脫鈣骨、骨膜、軟骨膜等。
[0004]理想的支架材料具有以下性能:1、良好的生物相容性和生物可降解性;2、足夠的力學(xué)強(qiáng)度;3、高孔隙率;4、高表面積;5、表面利于細(xì)胞的黏附增殖和分化;6、易于消毒及植入;7、可加工成各種形狀和結(jié)構(gòu)，易于重復(fù)操作。人工合成材料來源廣泛，可塑性強(qiáng)，具有良好的生物相容性和生物學(xué)活性，且能滿足TEM的生物力學(xué)強(qiáng)度。其中，聚己內(nèi)酯(PCL)因其良好的生物力學(xué)、生物活性及材料加工特性已被廣泛應(yīng)用于組織工程構(gòu)建軟骨、骨等方面。天然材料有良好的生物相容性，且含有生物活性成分，能夠促進(jìn)細(xì)胞增殖和基質(zhì)分泌，但大多數(shù)在生物學(xué)強(qiáng)度及孔隙率和形態(tài)上難以滿足完整TEM構(gòu)建的要求。
[0005]由于半月板組織結(jié)構(gòu)的異構(gòu)性，人工構(gòu)建的半月板支架需要其微觀結(jié)構(gòu)能夠仿造正常半月板結(jié)構(gòu)，顯然傳統(tǒng)制造工藝(鹽析、凍干、電紡絲等)不能滿足此要求。熔融沉積成型技術(shù)(FDM)是3D打印技術(shù)的一種，是將熱熔性材料加熱熔化，通過噴頭擠噴出來，隨即與前一個(gè)層面熔結(jié)在一起，逐層沉積直至形成三維支架。其具有良好的成型、控制支架的孔徑及孔隙率等特性，促進(jìn)種子細(xì)胞發(fā)揮良好的生物學(xué)性能的同時(shí)兼顧生物力學(xué)的特性，適用于組織工程半月板的構(gòu)建。目前，盡管文獻(xiàn)報(bào)道有將Π)Μ打印組織工程骨修復(fù)方面的應(yīng)用，但半月板特殊的結(jié)構(gòu)和尺寸特點(diǎn)決定了其生物力學(xué)功能與其他部位不同，例如骨修復(fù)支架要求具有較強(qiáng)的抗壓能力，而半月板支架要求具有更大的抗拉伸強(qiáng)度和彈性模量?，F(xiàn)有FDM打印的組織工程支架形態(tài)往往不能滿足半月板支架的性能要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有FDM打印組織工程支架的方法不能滿足半月板支架性能要求的問題，提供一種基于FDM的組織工程半月板支架及制備方法。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:構(gòu)造一種組織工程半月板支架的制備方法，包括以下步驟:
[0008]S1、將聚己內(nèi)酯材料置入熔融沉積成型三維打印機(jī)的噴頭內(nèi)加熱至120-140°C，并在600-1000kPa的氣壓下準(zhǔn)備打??；
[0009]S2、將熔融沉積成型三維打印機(jī)的打印速度設(shè)置為0.6-0.75mm/s，纖維直徑設(shè)置為300-320μπι，纖維間隔設(shè)置為200-300μπι，打印出組織工程半月板支架；
[0010]S3、使用鈷60對所述組織工程半月板支架進(jìn)行輻照滅菌處理。
[0011]在根據(jù)本發(fā)明所述的組織工程半月板支架的制備方法中，所述組織工程半月板支架的外形為環(huán)形，且其環(huán)形外徑為9.5-10.5mm，環(huán)形內(nèi)徑為3.5-4.5mm，厚度1.4-1.6mm。
[0012]在根據(jù)本發(fā)明所述的組織工程半月板支架的制備方法中，所述組織工程半月板支架的環(huán)形外徑為10mm，環(huán)形內(nèi)徑為4mm，厚度1.5mm。
[0013]在根據(jù)本發(fā)明所述的組織工程半月板支架的制備方法中，所述步驟S2中設(shè)置的纖維直徑為300μηι，纖維間隔為200μηι。
[0014]在根據(jù)本發(fā)明所述的組織工程半月板支架的制備方法中，所述制備方法還包括:
S4、將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞細(xì)胞接種到所述組織工程半月板支架上復(fù)合培養(yǎng)7天。
[0015]在根據(jù)本發(fā)明所述的組織工程半月板支架的制備方法中，所述聚己內(nèi)酯材料的重均分子量為60000。
[0016]本發(fā)明還提供了一種組織工程半月板支架，其采用如上所述的組織工程半月板支架的制備方法制得。
[0017]本發(fā)明還提供了另一種組織工程半月板支架，所述組織工程半月板支架為環(huán)形三維結(jié)構(gòu)，由熔融沉積的多層聚己內(nèi)酯纖維構(gòu)成，每層聚己內(nèi)酯纖維的纖維直徑為300_320μm，纖維間隔為200-300μπι。該組織工程半月板支架的環(huán)形外徑為9.5-10.5mm，環(huán)形內(nèi)徑為3.5-4.5mm,厚度1.4-1.6_。所述組織工程半月板支架的拉伸彈性模量為40_45Mpa，壓縮彈性模量為25-30Mpa。
[0018]實(shí)施本發(fā)明的組織工程半月板支架及制備方法，具有以下有益效果:本發(fā)明通過使用熔融沉積成型的方法打印出具有合適可修剪外形、合適孔隙結(jié)構(gòu)、合適纖維直徑、合適生物力學(xué)強(qiáng)度的組織工程半月板支架，有效地提高了拉伸和壓縮彈性模量，使生物力學(xué)強(qiáng)度更高，更適于用作部分缺損半月板的修復(fù)和完全切除半月板的移植替代，并且其孔隙結(jié)構(gòu)更利于提高接種細(xì)胞和植入?yún)^(qū)域自體長入細(xì)胞的存活率、增殖率和向半月板纖維軟骨細(xì)胞分化的能力，從而最終形成形態(tài)、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和功能良好的新生半月板。
【附圖說明】
[0019]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0020]圖1為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的組織工程半月板支架的制備方法的流程圖；
[0021]圖2為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的組織工程半月板支架的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的組織工程半月板支架的外形示意圖；
[0023]圖4a和4b分別為實(shí)驗(yàn)組的組織工程半月板支架的大體觀察圖及表面電鏡圖；
[0024]圖5a為實(shí)驗(yàn)組的組織工程半月板支架的細(xì)胞復(fù)合培養(yǎng)圖；圖513和5c分別為實(shí)驗(yàn)組和對照組的細(xì)胞死活染色結(jié)果圖；
[0025]圖6為實(shí)驗(yàn)組和對照組的細(xì)胞增殖活性檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；
[0026]圖7a和7b分別為實(shí)驗(yàn)組和對照組的拉伸彈性模量和壓縮彈性模量測試結(jié)果圖；
[0027]圖8a為對照組手術(shù)后的大體觀察圖，圖8b和8c分別實(shí)驗(yàn)組和空白對照組手術(shù)后6周的大體觀察圖；
[0028]圖9a和9b分別為實(shí)驗(yàn)組和空白對照組的半月板覆蓋區(qū)域(脛骨平臺)HE染色結(jié)果圖；圖9c和9d分別為實(shí)驗(yàn)組和空白對照組的半月板覆蓋區(qū)域(脛骨平臺)甲苯胺藍(lán)染色結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0030]請參閱圖1，為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的組織工程半月板支架的制備方法的流程圖。如圖1所示，該實(shí)施例提供的制備方法主要包括以下步驟:
[0031 ]首先，在步驟S1中，將聚己內(nèi)酯(PCL)材料置入熔融沉積成型(Π)Μ)三維打印機(jī)的噴頭內(nèi)加熱至120-140°c，并在600-1000kPa的氣壓下準(zhǔn)備打印。該熔融沉積成型三維打印機(jī)包括高精度氣動(dòng)三維實(shí)驗(yàn)平臺及尖筆直寫噴頭。優(yōu)選地，PCL材料的重均分子量Mw為60000，熔點(diǎn)為 60°C。
[0032]隨后，在步驟S2中，將Π)Μ三維打印機(jī)的打印速度設(shè)置為0.6-0.75mm/s，纖維直徑設(shè)置為300-320μηι，纖維間隔設(shè)置為200-300μηι，打印出組織工程半月板支架。請參閱圖2，為根據(jù)本發(fā)明組織工程半月板支架的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，打印出的組織工程半月板支架由多層PCL纖維熔融沉積而成，通過對其中FDM三維打印機(jī)的參數(shù)設(shè)置，并對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以使得每層聚己內(nèi)酯纖維的纖維