专利名称：基于电纺超细纤维的仿骨组织工程支架材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于电纺超细纤维的组织工程支架材料的制备及其应用，特别是将一维高强度材料取向性地混入取向电纺超细纤维中以获得机械性能改善的组织工程支架。
背景技术：
在日常生活中种种原因如创伤、感染、肿瘤等造成的骨缺损、骨不愈合一直是骨科治疗领域的难题，因为常用的自体和异体骨移植各有缺点。为此人们试图以组织工程学的方法来制备包括干细胞、载体及必要的生物诱导因子的人工骨组织修复材料。其中，作为载体的支架在骨组织工程中扮演着极为重要的角色。支架材料主要起以下几方面的作用(1)作为连接细胞和组织的框架，引导组织生长成特定形态；(2)作为信号分子的载体，将其运送到缺损部位，并作为缓释体使骨诱导因子缓慢发挥作用；(3)作为骨组织繁殖分化和新陈代谢的场所，为细胞生长输运营养，排除废物；(4)支架表面特殊位点与细胞起特异性反应，对不同类型细胞起“身份斟别”及选择黏附的作用。所以，支架不仅对细胞、组织起物理连接和支持作用，而且还调节细胞的各种功能活动。
因此理想的骨组织工程支架材料应该具备(1)生物相容性可与骨直接进行化学结合，不阻止骨细胞在其表面的正常活性或干扰其周围骨细胞的自然再生过程，对骨组织的分解吸收具有传导性。(2)机械耐受性以小梁骨为准，抗压强度应大于5MPa，抗压模量在45～100MPa之间。(3)生物降解性在一定时间内被宿主骨替代，不影响骨组织的修复，无毒副作用。(4)诱导再生性通过自身或添加骨诱导因素，刺激或诱导骨骼生长。5)有一定的三维立体结构和良好的表面活性，如孔隙率在80％以上。高的内表面积有利于细胞的植入、贴附、营养物质的渗入及代谢废物的排出等，为细胞的生长、增殖提供良好的微环境。简言之，移植物的生物特性应与自然骨相似。
在众多的骨组织工程支架材料制备方法中，电纺技术起了人们的高度关注。因为通过电纺能够制备尺寸介于数十纳米至数微米的具有超高的特异性比表面积和孔隙率的超细纤维膜，该超细纤维薄膜结构与人体内部的细胞外基质非常相象，能够帮助促进细胞的黏附、分化、成形及包括营养传递吸收、代谢废弃物排泄等功能。研究表明通过简单地将羟基磷灰石纳米颗粒混入电纺高分子材料溶液中并制备相应的超细纤维薄膜即可获得包括生物相容性在内的效果良好的骨组织工程支架。
但是，有一个与机械强度相关的问题仍然需要人们进行解决。因为人工组织工程支架材料必须是多孔的，而多孔结构必然导致材料强度的下降。但目前的解决方法只能采用在多孔结构与材料强度之间取得一个最佳的平衡点，即在保证材料有一定的强度，能承受一定的生理压力的前提下有尽可能高的孔隙率，而这必然导致或者材料强度性能的下降或者孔隙率的降低或者可选材料的减少。
而在自然界，生物体为保持其多孔结构与机械强度采用了包括生物矿物在内的解决之道。例如骨骼由取向排列的羟基磷灰石纳米杆((长约40～60nm，宽约20nm)组成，该结构能够保证骨组织具有极高的强度和良好的断裂韧性。因此将组织工程支架材料的整体或者局部设计成仿骨结构的有序结构以在保证孔隙率的情况下提高组织工程支架材料的强度将是一件很有意义的事情。
为此，本申请通过将一维高强度纳米材料引入电纺超细纤维以获得强度提高的取向排列的超细纤维薄膜并将其应用于组织支架领域。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于电纺超细纤维的仿骨组织工程支架材料，该仿生组织支架材料能够有效改善现有组织直径材料的机械性能。
技术方案本发明的基于电纺超细纤维的仿骨组织工程支架材料是将一维高强度材料取向性地混入取向电纺超细纤维中，以获得机械性能改善的组织工程支架材料，其中所述的取向排列的一维高强度材料为杆状、线状或者管状的材料，其直径小于2微米，长度小于2毫米，取向电纺超细纤维的直径介于10微米～50纳米之间。
所述的一维高强度材料取向性地混入取向电纺超细纤维是通过将一维高强度材料混入高分子电纺溶液或者熔融液中然后在电纺过程中利用电场引导或者机械拉伸引导而获得一维高强度材料在取向排列的超细纤维中取向排列的超细纤维薄膜。
所述的取向电纺超细纤维材料为合成高分子材料或者天然高分子材料中的一种或是它们的衍生物、或是其中两种或多种的共混物。
所述的一维高强度材料为包括羟基磷灰石晶须及碳纳米管在内杆状、线状或者管状一维高强度材料。
仿骨组织工程支架材料中的取向超细纤维薄膜通过取向电纺技术制备。该仿骨组织工程支架材料用于组织支架领域。
有益效果目前，组织工程支架是组织缺失或者替换方面具有巨大应用价值的热点研究领域。为此人们开发了多种组织工程支架材料的制备方法如气体发泡法、层压技术、热致分相法、超临界CO2技术、计算机辅助成型技术、静电纺丝技术等。然而，有一个与机械强度相关的问题始终困扰着组织工程支架材料即高的孔隙率与高的机械强度之间的矛盾。为了满足组织工程支架材料对高孔隙率的需要及高机械强度的需要，人们只能采用降低要求的折中平衡方法。
而在自然界，生物体为保持其多孔结构与机械强度采用了包括生物矿物在内的解决之道。例如骨骼由取向排列的羟基磷灰石纳米杆((长约40～60nm，宽约20nm)组成，该结构能够保证骨组织具有极高的强度和良好的断裂韧性。因此将组织工程支架材料的整体或者局部设计成仿骨结构的有序结构以在保证孔隙率的情况下提高组织工程支架材料的强度将是一件很有意义的事情。
为此，本申请通过仿骨骼电纺超细纤维以制备内含取向排列的一维材料的取向超细纤维薄膜并将其应用于组织工程支架领域。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1A、羟基磷灰石纳米杆的制备1.6g油酸钠与4毫升油酸及16毫升无水乙醇在剧烈搅拌下混合均匀。然后将质量百分比为6.7％的硝酸钙水溶液滴加至剧烈搅拌的上述无水乙醇溶液中进行离子交换2小时以制备油酸钙。然后将质量百分浓度为6.7％的磷酸钠滴加至剧烈搅拌的含油酸钙的上述溶液中反应10分钟后转入高压反应釜中。将含有上述混合物的高压反应釜在90摄氏度反应8小时后即可获得含羟基磷灰石的混合物。将上述混合物在10000转/分钟的条件下离心15分钟后去除上清液即可获得未提纯的羟基磷灰石纳米杆。将未提纯的羟基磷灰石纳米杆通过超声分散-离心去上清液的方法依次用水、乙醇、丙酮进行清洗后干燥即可获得直径约为数纳米长约数百纳米的羟基磷灰石纳米杆。
B、含羟基磷灰石纳米杆电纺溶液的制备首先将上述清洗过的羟基磷灰石纳米杆通过超声分散在丙酮中。然后将分散在丙酮中的羟基磷灰石纳米杆注入重均分子量为20万的聚乳酸丙酮溶液中并配制终浓度为聚乳酸质量百分浓度10％及羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)质量百分浓度4％的丙酮电纺溶液。
C、含羟基磷灰石纳米杆的取向排列聚乳酸超细纤维薄膜的制备将上述电纺溶液加入注射器并以1毫升/小时的速度推进。注射器针头与2万伏的负高压电源的负极相连。距离注射器针头20厘米处一个表面缠有与轴平行、相互间隔为2毫米的铜丝的鼓与电源对电极相连并且以1000转/分钟的速度旋转。在注射器并以1毫升/小时的速度推进、针头上施加了高压电及鼓旋转的情况下在旋转鼓上即可获得含羟基磷灰石纳米杆的取向排列的聚乳酸超细纤维。该材料经卷绕、裁剪后得到骨组织修复材料。
D、含羟基磷灰石纳米杆的无序排列聚乳酸超细纤维薄膜的制备将上述电纺溶液加入注射器并以1毫升/小时的速度推进。注射器针头与2万伏的负高压电源的负极相连。距离注射器针头20厘米处一个铝箔与电源对电极相连。在注射器并以1毫升/小时的速度推进、针头上施加了高压电情况下即可在铝箔上获得含羟基磷灰石纳米杆的无序排列的聚乳酸超细纤维。
E、含羟基磷灰石纳米颗粒无序排列的聚乳酸超细纤维薄膜的制备配制含质量百分浓度为4％的平均颗粒直径为数百纳米的天然羟基磷灰石球磨粉及质量百分浓度为10％的重均分子量为20万的聚乳酸丙酮溶液。将上述电纺溶液加入注射器并以1毫升/小时的速度推进。注射器针头与2万伏的负高压电源的负极相连。距离注射器针头20厘米处一个铝箔与电源对电极相连。在注射器并以1毫升/小时的速度推进、针头上施加了高压电情况下即可在铝箔上获得含羟基磷灰石纳米颗粒的无序排列的聚乳酸超细纤维。
E、抗断裂强度的测试将上述取向排列的含羟基磷灰石纳米杆的超细纤维薄膜与无序排列的含羟基磷灰石纳米杆的超细纤维薄膜及含羟基磷灰石纳米颗粒的无序排列的聚乳酸超细纤维薄膜用双手进行拉伸对比实验。对比结果表明在相同厚度及超细纤维直径尺寸相似的情况下取向排列的含羟基磷灰石纳米杆的超细纤维薄膜抗断裂能力明显好于无序排列的含羟基磷灰石纳米杆的超细纤维薄膜及含羟基磷灰石纳米颗粒的无序排列的聚乳酸超细纤维。
F、骨组织工程支架的制备将上述C过程中所制备的含羟基磷灰石纳米杆的取向排列聚乳酸超细纤维薄膜以取向方向与骨骼受力方向相一致的方向缠绕在以实际骨骼管内腔用可溶性材料如碳酸钙或者聚乙二醇冲制的模具上直至厚度与实际骨骼相一致。然后溶解去除模具材料即可获得骨组织工程支架。通过该方法制备的骨组织工程支架在受力方向上的承重能力明显强于以无序排列的聚乳酸超细薄膜用相同方法制备的骨组织工程支架。该骨组织工程支架与骨细胞培养后即可获得相应的骨组织。
权利要求
1.一种基于电纺超细纤维的仿骨组织工程支架材料，其特征在于该材料是将一维高强度材料取向性地混入取向电纺超细纤维中，以获得机械性能改善的组织工程支架材料，其中所述的取向排列的一维高强度材料为杆状、线状或者管状的材料，其直径小于2微米，长度小于2毫米，取向电纺超细纤维的直径介于10微米～50纳米之间。
2.根据权利要求1所述的基于电纺超细纤维的仿骨组织工程支架材料，其特征在于所述的一维高强度材料取向性地混入取向电纺超细纤维是通过将一维高强度材料混入高分子电纺溶液或者熔融液中然后在电纺过程中利用电场引导或者机械拉伸引导而获得一维高强度材料在取向排列的超细纤维中取向排列的超细纤维薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于电纺超细纤维的仿骨组织工程支架材料，其特征在于所述的取向电纺超细纤维材料为合成高分子材料或者天然高分子材料中的一种或是它们的衍生物、或是其中两种或多种的共混物。
4.根据权利要求1所述的基于电纺超细纤维的仿骨组织工程支架材料，其特征在于所述的一维高强度材料为包括羟基磷灰石晶须及碳纳米管在内杆状、线状或者管状一维高强度材料。
全文摘要
基于电纺超细纤维的仿骨组织工程支架材料涉及一种基于电纺超细纤维的骨组织工程支架材料的制备及其应用，特别是将一维高强度材料取向性地混入取向电纺超细纤维中以获得机械性能改善的骨组织工程支架材料。该材料是将一维高强度材料取向性地混入取向电纺超细纤维中，以获得机械性能改善的组织工程支架材料，其中所述的取向排列的一维高强度材料为杆状、线状或者管状的材料，其直径小于2微米，长度小于2毫米，取向电纺超细纤维的直径介于10微米～50纳米之间。
文档编号A61F2/28GK101069755SQ20071002448
公开日2007年11月14日 申请日期2007年6月19日 优先权日2007年6月19日
发明者张继中 申请人:东南大学