一种基于蚕丝的生物型可降解人工韧带的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于蚕丝的生物性可降解人工韧带，所述人工韧带为缠绕结构，由内到外包含有四级结构，由纤维缠绕为纤维束，由纤维束缠绕为丝，由丝缠绕为股，纤维的数量为A,纤维束的数量为B,丝的数量为C，股的数量为D，每级结构扭转一圈的长度分别为a、b、c、d，单位mm。A为6，B为2，C为96、144或288，D为1、2或3，a为0，b为2，c为10，d为0或12。本发明所制造的人工韧带，在模拟体内步态周期加载环境下，相对于传统方法在干态下按照静态力学测试所得出的人工韧带结构，具有更接近于自然韧带的抗拉强度和弹性强度，植入后，可以更好的完成人体自身韧带的生物力学功能。本研究结果表明，双股缠绕结构和三股编制结构更适宜作为人体前交叉韧带修复重建的人工韧带结构。
【专利说明】—种基于蚕丝的生物型可降解人工韧带【技术领域】
[0001]本发明涉及生物制造领域，特别涉及人工韧带与组织工程韧带构建方法。
【背景技术】
[0002]基于前交叉韧带特别的解剖位置与结构，其在日常生活及体育活动中承受着巨大的应力，是人体最容易损伤的韧带。研究表明美国每年约25万例被诊断为前交叉韧带损伤，其中7.5万例接受韧带重建治疗。我国每年超过40万的患者需要进行韧带置换手术。然而，由于价格及手术效果等因素的影响，2009年全年，我国仅有9.5万韧带疾病患者接受韧带置换手术。目前，临床上存在多种以移植为基础的韧带重建的方法，包括自体移植，异体移植，异种移植等，但这些方法均存在难以避免的缺点，如取韧带区损伤，疾病传播，免疫反应，力学功能不匹配，韧带松弛等。所以，临床上迫切需要具有活化性能的人工前交叉韧带。组织工程技术的发展为可活化的人工韧带的设计及制造提供了一种新的方法。
[0003]支架是组织工程的关键要素之一，理想的韧带组织工程支架需要生物可降解，良好的生物相容性，适宜的孔隙率及充分的生物力学性能。蚕丝蛋白是将抗原从天然生丝去除后的一种生物高聚物，长久以来，一直被用来制造外科缝线，具有良好及可控的力学性能，最大抗拉强度可以达到4.8 GPa，弹性形变可达到35%。研究表明作为细胞载体时，其在细胞相容性方面与胶原蛋白相当，可以诱导成骨细胞粘附及增殖。植入体内后蚕丝蛋白可以逐渐降解，抗拉强度逐渐下降。基于其良好的生物性能及机械性能，近10年来，大量研究将蚕丝蛋白作为韧带或肌腱移植物。Horan等的研究表明，利用蚕丝蛋白进行韧带重建时，线缆样束状结构是最佳选择。也有研究表明，6根蚕丝进行绳索样缠绕后的纤维束可以被利用来进行韧带修复。在欧洲，一种基于蚕丝的名为人工前交叉韧带，已进入到了临床实验阶段。同时也有大量的研究工作正在进行，以使基于蚕丝的组织工程型人工前交叉韧带早日进入临床应用。
[0004]然而，此前的这些研究在进行蚕丝人工韧带的生物力学研究时只关注于静态条件下韧带的力学性能，并以此为依据进行韧带结构与表面处理的依据，这与人体日常生活的自然状态完全不同。据估计，人体前交叉韧带，每天平均要进行3000次周期性运动，所以模拟步态加载下进行韧带的力学测试对组织工程型人工韧带更为重要，以此为基础进行韧带结构的设计，具有更高的可信度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了克服此前研究中韧带结构设计上的技术缺陷，设计一种动态力学性能与人体韧带性能相当的人工韧带结构。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案:一种基于蚕丝的生物性可降解人工韧带，所述人工韧带为缠绕结构，由内到外包含有四级结构，由纤维缠绕为纤维束，由纤维束缠绕为丝，由丝缠绕为股，纤维的数量为A，纤维束的数量为B，丝的数量为C，股的数量为D，每级结构在扭转一圈的长度，分别为a、b、c、d，单位mm。[0007]所述A 为 6，B 为 2，C 为 96、144 或 288，D 为 1、2 或 3，a 为 0，b 为 2，c 为 10，d 为O 或 12。
[0008]所述纤维为蚕丝。
[0009]本发明采用三种不同编制方法制造组织工程型前交叉韧带，即双股缠绕法、三股编织法、平行结构法。其制造的人工韧带包含有四级结构，分别用A(a)，B(b)，C(c)，D(d)来表示。A，B, C，D代表其在韧带结构中的级别，A代表纤维，B代表纤维束，C代表丝，D代表股。括号中的小写字母代表该级结构扭转一圈的长度(单位mm)，0表示为平行结构没有扭转三种不同结构的韧带其相关参数可以表示为双股缠绕法6 (O) *2 (2) *144 (10) *2 (12)，三股编制法 6 (O) *2 (2) *96 (10) *3 (12)，平行结构法 6 (O) *2 (2) *288 (10) *1 (O)。 [0010]利用万能力学试验机(GassmannTheiss, Bickenbach,德国)对制成的干燥和湿态韧带进行单纯抗拉检测和仿真步态模拟下进行韧带硬度与抗拉力的检测。参照人体韧带相关数据，初筛适宜进行仿真分析的人工韧带结构。
[0011]为了模拟体内周期加载环境，本研究开发了一种模拟体内环境的周期加载生物反应器，用于筛选后的韧带进行仿真步态模拟下的抗拉检测，以确定适宜进行人体前交叉韧带重建最佳的人工韧带结构和编制方法，并以此为依据制蚕丝组织工程型人工前交叉韧带。
[0012]经试验证明，本发明所制造的人工韧带，在湿态环境下的生物力学性能，具有更接近于自然韧带的抗拉强度和弹性强度，适宜作为人体前交叉韧带修复重建的材料。相比目前已有的在干态下优化生物力学特性而得出的人工韧带结构，具有更高的可信度和实际应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是平行结构法人工韧带结构示意图及其成品图。
[0014]图2是双股缠绕法人工韧带结构示意图及其成品图。
[0015]图3是二股编制法人工韧带结构不意图及其成品图。
[0016]图4是人工韧带的扫描电镜图:(a)生蚕丝；(b)去抗原后。
[0017]图5是人工韧带的抗拉强度检测结果(静态)。
[0018]图6是人工韧带的弹性强度的测试结果(静态)。
[0019]图7是模拟体内环境的步态周期加载生物反应器。
[0020]图8是人工韧带在不同加载条件下的抗拉强度对比。
[0021]图9是人工韧带在不同加载条件下的弹性强度对比。
[0022]图10是人工韧带随不同加载周期的力学性能对比。
【具体实施方式】
[0023]以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。
[0024]1.韧带的构建
取家蚕抽取蚕丝为原料(Trudel Limited,瑞士)，由纤维缠绕为纤维束，由纤维束缠绕为丝，由丝缠绕为股，根据双股缠绕法、三股编织法、平行结构法构建组织工程型人工韧带，三种不同结构的韧带其相关参数可以表示为双股缠绕法6(0)*2(2)*144(10)*2(12)，三股编制法 6 (O) *2 (2) *96 (10) *3 (12)，平行结构法 6 (O) *2 ⑵ *288 (10) *1 (O)，如图1 至图3所示。
[0025]2.韧带去抗原
将人工韧带浸泡于0.5%的Na2CO3溶液中，90~95 °C的温度下，在磁力搅拌器中进行搅拌90分钟，转速为300 RPM，然后去离子水漂洗15分钟，空气中干燥I小时，如此重复3次。抗原去除后，喷金后，利用扫描电镜(FEG-SEM，Zeiss LEO Gemini 1530,德国)对韧带进行观察，结果显示，抗原去除后，蚕丝结构完整，如图4所示。
[0026]3.生物力学强度检测
以万能力学试验机(Zwick 1456，Zwick GmbH, Ulm,德国)和20KN力学传感器(GassmannTheiss, Bickenbach,德国)为实验平台，自制特殊夹具及容器,对制成的干燥和湿态韧带进行生物力学测试。
[0027]人工韧带的抗拉强度和弹性强度静态单纯力学检测结果如图5和6所示。
[0028]图中，虚线为人体前交叉韧带力学功能数值。双股缠绕法和三股编制法构建的韧带，相对于单纯平行结构法构建的韧带，具有更接近于自然韧带的抗拉强度和弹性强度，故将平行结构法构建的韧带从进一步的研究中剔除。
[0029]选择双股编制法韧带与三股缠绕法韧带进入仿真模拟步态检测。待测样品置于定制的特殊生物反应器中，如图7所示。将生物反应器(其中充满磷酸缓冲溶液，或细胞培养液)置于细胞培养箱中，温度37 °C，湿度100%，CO2浓度5%，初始应力5N，100~250N周期性加载应力100000次，每250次中间休息30秒。
[0030]非加载下，PBS浸泡7天后，双股缠绕法韧带的抗拉强度从1543 ± 85 N下降到1362 土 20 N，三股编制法韧带的抗拉强度从1599 ± 65 N下降到1391 土 12 N。长期周期性应力加载后，双股缠绕法韧带的抗拉强度可下降到500N，三股编制法韧带的抗拉强度可下降到400N。经长期周期性应力加载后，双股缠绕法韧带的硬度从290 土 21 N/mm增加到500N/mm，三股编制法韧带则从220 土 19 N/mm增加到550 N/mm。两种结构的人工韧带在不同加载条件下的抗拉强度对比和弹性强度对比分别如图8和图9所示。人工韧带随不同加载周期的力学性能对比如图10所示，两种方法所构建韧带拉伸长度上无显著性差异。
[0031]根据以上结果可以得出，双股缠绕和三股编制法构建韧带在抗拉强度，和弹性强度上都接近于自然韧带的参数。故可以认为此两种结构的人工前交叉韧带从生物力学上最适宜作为人体前交叉韧带修复重建的人工韧带结构。
【权利要求】
1.一种基于蚕丝的生物性可降解人工韧带，其特征在于:所述人工韧带为缠绕结构，由内到外包含有四级结构，由纤维缠绕为纤维束，由纤维束缠绕为丝，由丝缠绕为股，纤维的数量为A，纤维束的数量为B，丝的数量为C，股的数量为D，每级结构扭转一圈的长度分别为 a、b、C、d,单位 mm。
2.根据权利要求1所述的基于蚕丝的生物性可降解人工韧带，其特征在于:所述A为6，B 为 2，C 为 96、144 或 288，D 为 1、2 或 3，a 为 O，b 为 2，c 为 10，d 为 O 或 12。
3.根据权利要求1所述的基于蚕丝的生物性可降解人工韧带，其特征在于:所述纤维为蚕丝 。
【文档编号】A61L27/22GK103767806SQ201210410779
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年10月25日 优先权日:2012年10月25日
【发明者】李翔, 边卫国, 张卫刚 申请人:苏州瑞世医疗科技有限公司