一种力学性能可控的聚乙烯醇软骨支架的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种PVA软骨支架的制备方法。设及W分子动力学为计算理论，通过数 值仿真计算聚乙締醇(PVA)共混水凝胶基体材料的微观力学，从而实现对PVA软骨支架力学 性能的可控。
【背景技术】
[0002] 由于疾病、衰老、事故和战争等导致的软骨缺损常见于媒体和临床病例中，特别是 对于体育运动员来说，软骨缺损极有可能导致其过早结束自己的运动员生涯，严重的更可 能对其W后的正常生活造成影响。因此软骨修复问题刻不容缓，解决软骨缺损运一问题最 有效的方法是对缺损软骨位进行人工替代。但软骨的再生是面临的一大难题，目前临床上 主要用骨膜、不可降解或者可降解的生物材料来修复，但是运些治疗方法都有其固有的缺 陷。如降解产物对机体的不良反应，不可降解的材料引起机体的排异反应和远期效果不好 等。当今应用的多是利用高分子材料支架传递软骨细胞修复软骨缺损，但是医用高分子材 料昂贵且其降解产物对组织有破坏性，所W，生物组织工程中对软骨支架的制备一般是采 用水凝胶材料。而聚乙締醇(PVA)水凝胶的使用最为广泛，因为PVA水凝胶除了具备一般水 凝胶的性能外，特别具有毒性低、机械性能优良（高弹性模量和高的机械强度）、吸水量高和 生物相容性好等优点，作为医疗代用材料具有潜在的应用前景。很多科研人员对PVA类水凝 胶进行了较为深入的研究，并取得了丰硕的成果。
[0003] 临床上使用的软骨支架必须满足一定的力学性能，因为软骨一般分布在人体的关 节部位，承载着一定的负荷，而不同的关节部位对对软骨的力学性能要求不一样。此外，不 同的病患在同一关节部位对软骨支架的力学性能要求也不一样。理想的软骨支架其力学性 能必须与病患的个体特异性相匹配，运就对我们的制造工艺提出了挑战。如何制备出具有 特定力学性能的软骨支架成为了软骨支架制备工艺的难题，传统的方法只能是通过不断地 实验尝试，而后对样品进行测试才能制备出具有特定力学性能的软骨支架，运一过程不仅 成本较高，而且开发周期较长，不利于病患软骨的修复、治疗。
【发明内容】
[0004] 为了克服传统制备工艺中软骨支架力学性能不可控的问题，本发明提出一种力学 性能可控的聚乙締醇软骨支架的制备方法，利用分子动力学的数值计算方法，通过对PVA水 凝胶体系进行建模，从微观分子相互作用的层面对体系进行分子动力学平衡计算，并获得 水凝胶体系的微观静态力学性能参数。进而可W对材料的性质进行预测，为软骨支架的制 备提供可靠的工艺参数，可快速简便地获得根据个体差异定制具有不同机械强度的软骨支 架基体材料，大大缩短了软骨支架材料的研发周期，为病患快速制备力学性能相匹配的软 骨支架。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] 所述一种力学性能可控的聚乙締醇软骨支架的制备方法，其特征在于:包括W下 步骤：
[0007] 步骤I:通过分子动力学模拟仿真软件分别构建聚乙締醇高分子链模型和水分子 模型，将构建的聚乙締醇高分子链与水分子按M:N的质量之比构建聚乙締醇水凝胶体系的 无定型晶胞模型；
[0008] 步骤2:在分子动力学模拟仿真软件中建立适用于步骤1所得聚乙締醇水凝胶体系 的无定型晶胞模型的力场环境;并在力场环境下对聚乙締醇水凝胶体系的无定型晶胞模型 进行分子动力学仿真;待聚乙締醇水凝胶体系平衡后，再对聚乙締醇水凝胶平衡轨迹进行 静态力学性能分析，得到聚乙締醇水凝胶体系的力学性能；
[0009] 步骤3:根据病患对软骨支架力学性能的要求，W及步骤2得到的聚乙締醇水凝胶 体系的力学性能，调整构建聚乙締醇水凝胶体系无定型晶胞模型的聚乙締醇高分子链与水 分子的质量比，再重复步骤2,直至聚乙締醇水凝胶体系的力学性能达到病患对软骨支架力 学性能的要求，得到此时聚乙締醇高分子链与水分子的质量比m:n;
[0010] 步骤4:依据步骤3计算所得的聚乙締醇高分子链与水分子的质量比m:n，称取相应 质量的聚乙締醇高聚物和去离子水；
[0011] 步骤5:将所称取的聚乙締醇高聚物与去离子水混合并在室溫下揽拌均匀，然后放 入90°C恒溫水浴环境中；待聚乙締醇高聚物完全溶解后，将装有聚乙締醇水溶液的容器从 水浴环境中取出，并置于40°C~70°C环境下恒溫去泡；
[0012] 步骤6:待步骤5所得的聚乙締醇水溶液澄清后，将该聚乙締醇水溶液倒入具有病 患软骨支架外观形状的医用模具中，然后连同模具一起进行多个冷冻-解冻循环处理，得到 聚乙締醇软骨支架;单个冷冻-解冻处理过程为:将装有聚乙締醇水溶液的模具在不高于-15°C环境下冷冻至少10小时，然后再置于25°C~30°C环境下解冻至少6小时。
[0013] 进一步的优选方案，所述一种力学性能可控的聚乙締醇软骨支架的制备方法，其 特征在于:步骤5和步骤6优选为：
[0014] 步骤5:将所称取的聚乙締醇高聚物与去离子水混合并在室溫下揽拌均匀，然后放 入90°C恒溫水浴环境中；待聚乙締醇高聚物完全溶解后，将装有聚乙締醇水溶液的容器从 水浴环境中取出，并置于60°C环境下恒溫去泡；
[0015] 步骤6:待步骤5所得的聚乙締醇水溶液澄清后，将该聚乙締醇水溶液倒入具有病 患软骨支架外观形状的医用模具中，然后连同模具一起进行5个冷冻-解冻循环处理，得到 聚乙締醇软骨支架;单个冷冻-解冻处理过程为:将装有聚乙締醇水溶液的模具在-20°C环 境下冷冻16小时，然后再置于25°C恒溫水浴环境下解冻6小时。
[0016] 有益效果
[0017] 本发明的有益效果是：
[0018] (1)本发明从材料微观分子层面对人工骨复合材料的弹性模量进行研究，提高软 骨支架材料机械强度评估效率，并为定制相应力学性能的骨支架奠定理论基础。
[0019] (2)本发明是基于分子动力学计算理论，W分子动力学软件为平台的数值计算方 法，可W根据病患对软骨支架特定力学性能的要求，快速高效地对PVA水凝胶的模型进行构 建，并得到所对应的力学性能，为PVA软骨支架的制备提供可靠的工艺参考。运种目标性明 确的工艺方法大大缩短了 PVA软骨支架的制备时间。
[0020] (3)本发明专利借助数值计算方法，通过改变PVA与去离子水的质量比制备PVA水 凝胶软骨支架，不仅生产成本低廉、操作工艺简便，同时可根据病患个体差异定制具有特定 力学强度的软骨支架基体材料，从而保障了软骨支架的力学性能的可靠性。
【附图说明】
[0021] 图1为PVA水凝胶体系的分子动力学计算模型。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合具体实施例描述本发明：
[0023] 实施例1:
[0024] 本实施例中选用的PVA高分子材料的聚合度为1750±50,水为去离子水。具体的一 种力学性能可控的聚乙締醇软骨支架的制备方法包括W下步骤：
[0025] 步骤1:通过分子动力学模拟仿真软件(material studios软件）分别构建聚乙締 醇高分子链模型和水分子模型，其中所建聚乙締醇分子链含重复单元体个数为50,将构建 的聚乙締醇高分子链与水分子按M:N的质量之比构建聚乙締醇水凝胶体系的无定型晶胞模 型。本实施例中M:N取25:75,所建晶胞模型中含有4条PVA高分子链，1221个水分子。
[0026] 步骤2:在分子动力学模拟仿真软件中，通过脚本文件编辑建立适用于步骤1所得 聚乙締醇水凝胶体系的无定型晶胞模型的力场环境;并在力场环境下对聚乙締醇水凝胶体 系的无定型晶胞模型进行分子动力学仿真：
[0027] 首先在