一种具有梯度界面的纳米纤维支架的增材制造方法
【专利摘要】一种具有梯度界面的纳米纤维支架的增材制造方法，首先要配置两种用于静电纺丝的材料溶液A和溶液B，两种溶液复合有不同的生物材料、生长因子；然后将材料溶液A通过静电纺丝纺制出定向有序的纳米纤维薄膜层，再将材料溶液B在材料溶液A纺制成的薄膜层的连接处纺制成纳米纤维薄膜层，形成了具有结构和材料梯度的单层薄膜；重复上述过程而得到梯度材料的纳米纤维薄膜；直接将薄膜按垂直于纤维的方向将薄膜卷曲，则可以得到没有复合细胞的梯度材料界面的纳米纤维薄膜；或在薄膜上种植细胞后再按垂直于纤维方向将薄膜卷曲，则可以得到复合有细胞的梯度材料界面的纳米纤维支架复合移植体，本发明利于移植物与硬组织连接界面处多种组织的复合再生。
【专利说明】一种具有梯度界面的纳米纤维支架的增材制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及组织工程支架的生物制造【技术领域】，具体涉及一种具有梯度界面的纳米纤维支架的增材制造方法。
【背景技术】
[0002]生物体内弹性致密结缔组织(如韧带、肌腱、声带、肌肉)和硬质骨组织在连接界面处呈现多材料、多结构、多细胞的梯度分布特征，从而在受力过程中合理传递应力与避免应力集中。例如韧带与骨组织形成的韧带-非钙化软骨-钙化软骨-骨的梯度界面。当意外伤害导致弹性致密结缔组织发生不可自愈的损伤时，通常采取人工支架作为体外移植物来进行重建手术以恢复其生理功能。目前重建手术采用的人工支架多为单一材料或结构，不利于移植物与硬组织连接界面处多种组织的复合再生，从而导致远期疗效不佳。设计制造一种具有多材料、多结构及生长因子梯度界面的组织工程支架有望解决该问题。静电纺丝技术能够将多数生物材料及生长因子的材料溶液纺制成纳米纤维，通过工艺调控可在支架的不同位置制备出多种材料、生长因子和结构的纳米纤维支架，从而有望实现多种组织在支架上的复合生长。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有梯度界面的纳米纤维支架的增材制造方法，该支架的材料具有良好的生物相容性，支架在显微结构、材料成分方面与自然弹性致密结缔组织基质相近，在与硬组织的连接界面处呈现多材料、多结构梯度；同时可在界面处复合细胞生长因子梯度，从而加快支架及其与自体硬组织连接处多组织界面的再生。
[0004]为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为:
[0005]一种具有梯度界面的纳米纤维支架的增材制造方法，其制备材料溶液有材料溶液A和材料溶液B两种，其中材料溶液A分为两类，一类是丙酮和N，N-二甲基甲酰胺按1:1混合的混合溶液为溶剂配置的聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸羟基乙酸、聚乙醇酸或聚已内酯的质量分数为1%~30%的溶液，同时在溶液中添加成纤维生长因子(FGF)至0.001~0.06g/ml ;另一类是以蚕丝蛋白、胶原、壳聚糖、明胶、海藻酸钠或聚乙烯醇为溶质的质量分数为1%~30%的水溶液，同时在溶液中添加成纤维生长因子(FGF)至0.001~0.06g/ml ;材料溶液B为复合有纳米尺寸的β -磷酸三钙或羟基磷灰石按质量/体积比为3:7的比例与材料溶液A混合溶解，同时在溶液中添加骨形态发生蛋白(BMP)、转化生长因子-β (TGF—B，)、血小板衍生生长因子(PDGF)或骨钙素(BGP)至0.001~0.06g/ml。
[0006]一种具有梯度界面的纳米纤维支架的增材制造方法，具体包括以下步骤:
[0007]I)配制用于电纺纳米纤维支架的材料溶液A，料溶液A分为两类，一类是丙酮和N，N - 二甲基甲酰胺按1:1混合的混合溶液为溶剂配置的聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸羟基乙酸、聚乙醇酸或聚已内酯的质量分数为1%~30%的溶液，同时在溶液中添加成纤维生长因子(FGF)至0.0Ol~0.06g/ml ;另一类是以蚕丝蛋白、胶原、壳聚糖、明胶、海藻酸钠或聚乙烯醇为溶质的质量分数为1%~30%的水溶液，同时在溶液中添加成纤维生长因子(FGF)至
0.001 ~0.06g/ml ；
[0008]2)配制用于电纺韧带骨纳米纤维支架的材料溶液B，材料溶液B为复合有纳米尺寸的β -磷酸三钙或羟基磷灰石按质量/体积比为3:7的比例与材料溶液A混合溶解，同时在溶液中添加骨形态发生蛋白(BMP)、转化生长因子-β (TGF— B，)、血小板衍生生长因子(PDGF)或骨钙素(BGP)至 0.001 ~0.06g/ml ；
[0009]3)应用静电纺丝法，静电纺丝装置在电压8~30kV，溶液供给速度在0.6 -6ml/h,转鼓转速1000 - 5000r/min的工作参数下工作0.1~4h，将材料溶液A纺制成具有定向有序的韧带纳米纤维的薄膜；
[0010]4)应用静电纺丝法，静电纺丝装置在转鼓静止于薄膜连接处，在电压8 - 30kV，溶液供给速度在0.6 - 6ml/h的工作参数下工作5~120min，将材料溶液B在步骤3)纺制的薄膜连接处纺制成 由纳米纤维构成的薄膜；
[0011]5)通过重复步骤3)和步骤4)所述的工艺过程I~20次，得到厚度为0.05~
2.5mm的纳米纤维薄膜；
[0012]6)将步骤5)制备的薄膜直接用于成形人工支架，具体为:将纳米纤维薄膜按实际需求剪裁成不同长度与宽带，长度为1-50cm，宽带为1-30cm，然后沿垂直于纤维方向卷成纳米纤维支架，两端用可降解线捆绑固定，从而得到有梯度界面的纳米纤维支架；
[0013]或将步骤5)制备的薄膜复合细胞后再制作成支架，具体为:将纳米纤维薄膜按实际需求剪裁成不同长度与宽带，长度为1-50cm，宽带为1-30cm，在薄膜表面种植干细胞或根据组织生长要求分区种植不同组织细胞，复合培养1-20天后，然后在无菌环境下沿垂直于纤维方向卷成细胞-纳米纤维支架复合体，两端用可降解线捆绑固定，从而得到具有生物活性的及梯度界面的纳米纤维移植物，干细胞包括骨髓基质干细胞、胚胎干细胞或多潜能干细胞(iPS细胞)，组织细胞包括韧带成纤维细胞、软骨细胞、肌肉细胞或骨细胞。
[0014]本发明的主要目的是针对人工支架与自体硬组织连接处因缺乏梯度界面而不利于多组织再生的问题，提出了一种具有材料、结构梯度界面的纳米纤维支架的增材制造方法。本发明的支架的成形过程中灵活采用的静电纺丝法制备有序和无序纳米纤维，形成了结构的梯度界面；支架不同位置采用不同的材料，形成了材料和生长因子的梯度界面，提高了支架与自体骨连接的强度及稳定性；该支架的材料具有良好的生物相容性，并可以复合了诱导因子和细胞，在组织重建中有利于诱导韧带支架向自然结缔组织、硬组织及连接多层界面的转化。本发明利于移植物与硬组织连接界面处多种组织的复合再生，疗效好。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为应用静电纺丝法将电纺材料溶液A纺制成有序纳米纤维薄膜。
[0016]图2为应用静电纺丝法将电纺材料溶液B纺制成纳米纤维薄膜。
[0017]图3为应用静电纺丝法法纺制的梯度材料界面的纳米纤维薄膜。
[0018]图4为薄膜卷曲后得到的梯度材料界面的纳米纤维支架。
【具体实施方式】[0019]下面结合实例和附图对本发明做详细描述。
[0020]一种具有梯度界面的纳米纤维支架的增材制造方法，其制备材料溶液有材料溶液A和材料溶液B两种，其中材料溶液A是丙酮和N，N-二甲基甲酰胺按1:1混合的混合溶液为溶剂配置的聚乳酸羟基乙酸的质量分数为15%的溶液，同时在溶液中添加成纤维生长因子(FGF)至0.01g/ml ;材料溶液B为复合有纳米尺寸的β -磷酸三钙按质量/体积比为3:7的比例与材料溶液A混合溶解，同时在溶液中添加骨形态发生蛋白(BMP)至0.01g/ml。
[0021]一种具有梯度界面的韧带-骨纳米纤维支架的增材制造方法，具体包括以下步骤:
[0022]I)配制用于电纺韧带-骨纳米纤维支架的材料溶液A，料溶液A是丙酮和N，N - 二甲基甲酰胺按1:1混合的混合溶液为溶剂配置的聚乳酸羟基乙酸质量分数为15%的溶液，同时在溶液中添加成纤维生长因子(FGF)至0.01g/ml ；
[0023]2)配制用于电纺韧带-骨纳米纤维支架的材料溶液B，材料溶液B为复合有纳米尺寸的β -磷酸三钙按质量/体积比为3:7的比例与材料溶液A混合溶解，同时在溶液中添加骨形态发生蛋白(BMP)至0.01g/ml ；
[0024]3)参照图1，应用静电纺丝法，静电纺丝装置在电压12kV，溶液供给速度在1.2ml/h,转鼓转速3000r/min的工作参数下工作0.25h，将材料溶液A纺制成具有定向有序的韧带纳米纤维的薄膜；
[0025]4)参照图2，应用静电纺丝法，静电纺丝装置在转鼓静止于处于薄膜连接处，在电压12kV，溶液供给速度在1.2ml/h的工作参数下工作15min，将材料溶液B在步骤3)纺制的薄膜连接处纺制成由纳米纤维构成的薄膜；
·[0026]5)重复步骤3)和步骤4)所述的工艺过程4次，得到厚度为1mm厚的纳米纤维薄膜，参照图3;
[0027]6)参照图4，将步骤5)制备的薄膜直接用于成形人工支架，具体为:将纳米纤维薄膜按实际需求剪裁成长度为18cm、宽度为13cm的薄膜，然后沿垂直于纤维方向卷成纳米纤维支架，两端用可降解线如手术缝合线捆绑固定，从而得到有梯度界面的纳米纤维支架；
[0028]或将步骤5)制备的薄膜复合细胞后再制作成支架，具体为:将纳米纤维薄膜按实际需求剪裁成长度为18cm、宽度为13cm的薄膜，在薄膜表面种植多潜能干细胞(iPS细胞)，复合培养3天后，然后在无菌环境下沿垂直于纤维方向卷成细胞-纳米纤维支架复合体，两端用可降解线如手术缝合线捆绑固定，从而得到具有生物活性的及梯度界面的纳米纤维移植物。
【权利要求】
1.一种具有梯度界面的纳米纤维支架的增材制造方法，其制备材料溶液有材料溶液A和材料溶液B两种，其中材料溶液A分为两类，一类是是丙酮和N，N - 二甲基甲酰胺按1:1混合的混合溶液为溶剂配置的聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸羟基乙酸、聚乙醇酸或聚已内酯的质量分数为1%~30%的溶液，同时在溶液中添加成纤维生长因子(FGF)至0.001~0.06g/ml ;另一类是以蚕丝蛋白、胶原、壳聚糖、明胶、海藻酸钠或聚乙烯醇为溶质的质量分数为1%~30%的水溶液，同时在溶液中添加成纤维生长因子(FGF)至0.001~0.06g/ml ;材料溶液B为复合有纳米尺寸的β -磷酸三钙或羟基磷灰石按质量/体积比为3:7的比例与材料溶液A混合溶解，同时在溶液中添加骨形态发生蛋白(BMP)、转化生长因子-β (TGF—B，)、血小板衍生生长因子(PDGF)或骨钙素(BGP)至0.001~0.06g/ml。
2.一种具有梯度界面的纳米纤维支架的增材制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤: 1)配制用于电纺纳米纤维支架的材料溶液A，料溶液A为两类，一类是丙酮和N，N-二甲基甲酰胺按1:1混合的混合溶液为溶剂配置的聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸羟基乙酸、聚乙醇酸或聚已内酯的质量分数为1%~30%的溶液，同时在溶液中添加成纤维生长因子(FGF)至0.001~0.06g/ml ;另一类是以蚕丝蛋白、胶原、壳聚糖、明胶、海藻酸钠或聚乙烯醇为溶质的质量分数为1%~30%的水溶液，同时在溶液中添加成纤维生长因子(FGF)至0.001~0.06g/ml ； 2)配制用于电纺韧带骨纳米纤维支架的材料溶液B，材料溶液B为复合有纳米尺寸的β -磷酸三钙或羟基磷灰石按质量/体积比为3:7的比例与材料溶液A混合溶解，同时在溶液中添加骨形态发生蛋白(BMP)、转化生长因子-β (TGF— B，)、血小板衍生生长因子(PDGF)或骨钙素(BGP)至 0.001 ~0.06g/ml ； 3)应用静电纺丝法，静电纺丝 装置 在电压8~30kV，溶液供给速度在0.6 - 6ml/h,转鼓转速1000 - 5000r/min的工作参数下工作0.1~4h，将材料溶液A纺制成具有定向有序的韧带纳米纤维的薄膜； 4)应用静电纺丝法，静电纺丝装置在转鼓静止于薄膜连接处，在电压8- 30kV，溶液供给速度在0.6 - 6ml/h的工作参数下工作5~120min，将材料溶液B在步骤3)纺制的薄膜连接处纺制成由纳米纤维构成的薄膜； 5)通过重复步骤3)和步骤4)所述的工艺过程I~20次，得到厚度为0.05~2.5mm的纳米纤维薄膜； 6)将步骤5)制备的薄膜直接用于成形人工支架，具体为:将纳米纤维薄膜按实际需求剪裁成不同长度与宽带，长度为1-50cm，宽带为1-30cm，然后沿垂直于纤维方向卷成纳米纤维支架，两端用可降解线捆绑固定，从而得到有梯度界面的纳米纤维支架； 或将步骤5)制备的薄膜复合细胞后再制作成支架，具体为:将纳米纤维薄膜按实际需求剪裁成不同长度与宽带，长度为1-50cm，宽带为1-30cm，在薄膜表面种植干细胞或根据组织生长要求分区种植不同组织细胞，复合培养1-20天后，然后在无菌环境下沿垂直于纤维方向卷成细胞-纳米纤维支架复合体，两端用可降解线捆绑固定，从而得到具有生物活性的及梯度界面的纳米纤维移植物，干细胞包括骨髓基质干细胞、胚胎干细胞或多潜能干细胞(iPS细胞)，组织细胞包括韧带成纤维细胞、软骨细胞、肌肉细胞或骨细胞。
【文档编号】A61L27/54GK103585673SQ201310485647
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】贺健康, 李涤尘, 秦霆, 刘亚雄, 连芩, 王玲, 靳忠民 申请人:西安交通大学