一种关节软骨修复支架的制作方法

本实用新型涉及医疗器械领域，具体涉及一种关节软骨修复支架。

背景技术：

关节软骨属于透明软骨，它覆盖于关节的表面，起着缓冲应力、吸收震荡、润滑关节表面、防止磨损等重要作用。人体关节软骨是无血管组织，没有血液供应，其营养来源于周围关节滑液的滋润，一旦损伤就很难再生，因此软骨修复成为骨科医生最具挑战性的临床难题之一。北京大学运动医学研究所的调查结果显示，软骨损伤占膝关节运动创伤的40.5％以上，软骨损伤后常伴随着关节肿痛。造成关节软骨损伤的原因多种多样，包括关节受到暴力挤压或撕裂导致的急性损伤，以及长期大运动量、高负荷运动对关节造成的慢性磨损；也有研究表明，关节长期缺乏活动也会造成关节软骨退行性变。

组织工程软骨技术是一项新兴的治疗关节软骨损伤的方法，组织工程主要包括以下3个方面：提供种子细胞、提供支架材料、促进种子细胞在支架材料上生长。现有技术中提供种子细胞的方式包括钻孔微骨折，但仅通过这种方式治疗关节软骨损伤时，在软骨缺损区最终形成的是纤维软骨。纤维软骨是结缔组织与软骨之间的一种过渡类型，其在新鲜状态下呈乳白色、不透明，具有一定的伸展性，其结构特点是在基质中含有大量的呈平行或交叉排列的胶原纤维束。通过将钻孔微骨折术与现有支架材料共同用于治疗关节软骨损伤时，相比与仅应用钻孔微骨折术而言可以生成透明软骨从而克服纤维软骨的问题，但该透明软骨的平整度、弹性模量、硬度都有待进一步提高。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

实用新型目的

本实用新型的目的在于提供一种关节软骨修复支架。该关节软骨修复支架通过在支架材料上设置富血小板血浆凝胶的方式，可以释放出多种促进细胞增殖分化的高浓度生长因子，这些生长因子具有促进骨髓间充质干细胞迁移、增殖和软骨分化的作用，更好地解决了在通过钻孔微骨折的方式提供种子细胞时，所得新生软骨是纤维软骨的问题。另外本实用新型中关节软骨修复支架中的骨骼为未完全脱钙骨，不将骨骼进行完全脱钙，有利于保持其力学性能。应用本实用新型中关节软骨修复支架搭配微骨折修复关节软骨缺损时，微骨折术提供种子细胞，松质骨和第一皮质骨作为支架材料，第一富血小板血浆凝胶提供生长因子，所得新生软骨是透明软骨而非纤维型软骨，并且所得新生透明软骨数量多、弹性模量和硬度高，修复区域完整且平整度好。

解决方案

为实现本实用新型目的，本实用新型实施例提供了一种关节软骨修复支架，其由下至上包括：

松质骨；

第一皮质骨；

和，结合在第一皮质骨上表面的第一富血小板血浆凝胶层；

所述松质骨和第一皮质骨为未完全脱钙骨。

上述关节软骨修复支架在一种可能的实现方式中，所述第一皮质骨和松质骨上未开设任何主动打孔形成的孔洞。

上述关节软骨修复支架在一种可能的实现方式中，所述松质骨下表面还设置有第二皮质骨，并且所述第二皮质骨下表面结合有第二富血小板血浆凝胶层。

上述关节软骨修复支架在一种可能的实现方式中，所述第二皮质骨上未开设任何主动打孔形成的孔洞。

上述关节软骨修复支架在一种可能的实现方式中，所述第二皮质骨为未完全脱钙骨；

上述关节软骨修复支架在一种可能的实现方式中，所述未完全脱钙骨的钙含量为0.01％-10％。

上述关节软骨修复支架在一种可能的实现方式中，所述富血小板血浆凝胶层的厚度为0.05-2mm。

上述关节软骨修复支架在一种可能的实现方式中，所述松质骨、第一皮质骨、第二皮质骨为同种异体骨或异种骨，优选地为同种异体骨。

上述关节软骨修复支架在一种可能的实现方式中，所述关节软骨修复支架中还包括活性因子、抗生素中的一种或混合物。

本实用新型还提供了一种关节软骨修复支架的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

制备支架材料：选择包含一层皮质骨和一层松质骨的骨骼；将所述骨骼裁成所需规格后浸泡于脱钙液中进行不完全脱钙，清洗产品并干燥，灭菌；

将自体富血小板血浆或取自血库的富血小板血浆均匀铺于容器中，将制备得到的支架材料中的皮质骨部分均匀抹激活剂后，放置于铺有富血小板血浆的容器中，形成薄层富血小板血浆凝胶。

上述制备方法在一种可能的实现方式中，不包括在皮质骨和松质骨上主动打孔的步骤。

上述制备方法在一种可能的实现方式中，所述制备方法包括以下步骤：

所述骨骼在进行选择时，选择包含双层皮质骨和一层松质骨的骨骼，所述双层皮质骨将一层松质骨夹在中间。

上述制备方法在一种可能的实现方式中，所述脱钙液为盐酸、硝酸、甲酸、依地酸、依地酸二钠、甲醛、氨基酸等的一种或几种。

上述制备方法在一种可能的实现方式中，将所述骨骼脱钙至钙含量为0.01％-10％。

上述制备方法在一种可能的实现方式中，所述骨骼为同种异体骨或异种骨，优选地为同种异体骨。

上述制备方法在一种可能的实现方式中，产品干燥采用真空冷冻干燥，产品灭菌采用钴60辐照灭菌。

本实用新型还提供了一种上述关节软骨修复支架在制备修复关节软骨缺损的产品中的应用。

上述应用在一种可能的实现方式中，所述关节软骨缺损包括膝关节软骨缺损。

上述应用在一种可能的实现方式中，所述修复关节软骨缺损的产品与微骨折术搭配使用。

有益效果

(1)本实用新型中关节软骨修复支架治疗关节软骨缺损，其中：皮质骨提供力学性能，如：机械应力和弹性模量，其解决了蚕丝、纤维蛋白、人羊膜等天然生物材料支架机械力学差的缺陷；松质骨的疏松多孔结构可以募集容纳更多的软骨下骨释放的骨髓及骨髓来源干细胞(如：骨髓间充质干细胞)，并能给细胞的增殖和分化提供微环境；并且富血小板血浆凝胶层可以释放出多种促进细胞增殖分化的高浓度生长因子，这些生长因子具有促进骨髓来源干细胞的迁移、增殖和软骨分化的作用。另外本实用新型中关节软骨修复支架中的骨骼为未完全脱钙骨，不将骨骼进行完全脱钙，有利于保持其力学性能。应用本实用新型中关节软骨修复支架搭配微骨折修复关节软骨缺损时，微骨折术提供种子细胞，松质骨和第一皮质骨作为支架材料，第一富血小板血浆凝胶提供生长因子，所得新生软骨是透明软骨而非纤维型软骨，并且所得新生透明软骨数量多、弹性模量和硬度高，修复区域完整且平整度好。

(2)本实用新型中关节软骨修复支架的皮质骨和松质骨中不包含主动打孔形成的孔洞，实用新型人发现，由于关节软骨修复支架使用的时候伴随着微骨折术，因此即使不通过在第一皮质骨和松质骨上打孔，血液也能聚集到松质骨面上，从而无需在皮质骨和松质骨上打孔，这样能减少对皮质骨的损坏，增强关节软骨修复支架的力学性能，节省生产成本。

(3)本实用新型中关节软骨修复支架可以设置上下双层皮质骨，中间松质骨的三明治结构，这种双层皮质骨一方面增强了关节软骨修复支架的力学性能，另一方面皮质骨相对于松质骨表面光滑，有效降低对正常软骨的磨损伤害。再一方面，双层皮质骨的设计能有效减少骨髓干细胞和营养物质的流失，并且夹层结构有充足的空间让骨髓干细胞进行粘附、迁移和营养物质的交换，加速干细胞的增殖和分化，促进软骨缺损的修复。

(4)本实用新型中通过选择未完全脱钙骨的钙含量，获得了兼具力学性能和柔韧性能的骨骼。

(5)本实用新型中关节软骨修复支架中的骨骼优选运用同种异体骨，解决了人工合成支架的生物相容性问题，其有良好的组织相容性，易于细胞粘附及增殖。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

图1是本实用新型实施例1中关节软骨修复支架的结构示意图。

图2是本实用新型实施例1中关节软骨修复支架制备方法的流程图。

图3左图是本实用新型实施例2中在关节软骨修复支架上种植人骨髓间充质干细胞不同天数后检测人骨髓间充质干细胞的dna含量图，图3右图是软骨细胞分泌的糖胺多糖的含量。图3左图和右图中，xng/mg代表每1mg移植有人骨髓间充质干细胞的关节软骨修复支架上包含xng某种物质。

图4是本实用新型实施例2中关节软骨修复支架修复兔子的大体观，第1列表示仅通过微骨折术进行修复的结果；第2列表示通过微骨折术提供种子细胞，并使用不包含富血小板血浆凝胶层的关节软骨修复支架进行修复的结果；第3列表示通过微骨折术提供种子细胞，并使用实施例1制备的包含富血小板血浆凝胶层的关节软骨支架进行修复的结果，其中：n表示正常软骨，r代表修复区域。

图5是本实用新型实施例2中取材软组织切片的he染色结果。

图6是本实用新型实施例4制备得到的三明治结构的软骨修复支架的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。另外，为了更好的说明本实用新型，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本实用新型同样可以实施。在一些实施例中，对于本领域技术人员熟知的原料、元件、方法、手段等未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

人同种异体骨：本实用新型中，人同种异体骨是指获取于骨组织库的、来源于捐献的人体骨组织。其来自于人体，但不是来自于患者自体。异体骨临床应用的范围可以包括几乎所有各类植入材料的适应症。异体骨，一般分为小块骨和大段骨，小块异体骨主要由松质骨构成，多用于骨腔充填，与自体骨相比，其缺少活细胞，成骨较慢；大段异体骨主要由骨干皮质骨和骨关节构成，与假体相比其强度不高但可以达到骨性愈合。

皮质骨：是指分布在骨头外周表面的骨密质。

松质骨：呈海绵状，由相互交织的骨小梁排列而成，配布于骨的内部，骨小梁的排列与骨所承受的压力和张力的方向一致，因而能承受较大的重量。

骨组织库：本实用新型中，骨组织库是指筛选供体，收集、加工、检验、贮存、分发同种异体骨组织制品的机构，主要是保证其制品从获取到临床应用的质量。

富血小板血浆：本实用新型中，富血小板血浆是指将全血经过离心处理后得到的富含高浓度血小板的血浆，在其中加入激活剂后可变为胶状物，因此也被称为富血小板凝胶。富血小板血浆中含有大量的生长因子，如：血小板源性生长因子(pdgf)、转化生长因子β(tgf-β)、胰岛素样生长因子1(igf-1)等。

实施例1、关节软骨修复支架的制备

如图1所示，一种关节软骨修复支架，其由下至上包括：

松质骨1；

第一皮质骨2；

和，结合在第一皮质骨2上表面的第一富血小板血浆凝胶层3；

其中：所述松质骨1和第一皮质骨2为未完全脱钙骨。

本实用新型中关节软骨修复支架治疗关节软骨缺损，其中：皮质骨提供力学性能，如：机械应力和弹性模量，其解决了蚕丝、纤维蛋白、人羊膜等天然生物材料支架机械力学差的缺陷；松质骨的疏松多孔结构可以募集容纳更多的软骨下骨释放的骨髓及骨髓来源干细胞(如：骨髓间充质干细胞)，并能给细胞的增殖和分化提供微环境；并且富血小板血浆凝胶层可以释放出多种促进细胞增殖分化的高浓度生长因子，这些生长因子具有促进骨髓来源干细胞的迁移、增殖和软骨分化的作用。另外本实用新型中关节软骨修复支架中的骨骼为未完全脱钙骨，不将骨骼进行完全脱钙，有利于保持其力学性能。应用本实用新型中关节软骨修复支架搭配微骨折修复关节软骨缺损时，微骨折术提供种子细胞，松质骨和第一皮质骨作为支架材料，第一富血小板血浆凝胶提供生长因子，所得新生软骨是透明软骨而非纤维型软骨，并且所得新生透明软骨数量多、弹性模量和硬度高，修复区域完整且平整度好。

上述实施例中，可选地，所述第一皮质骨和松质骨上未开设任何主动打孔形成的孔洞。

实用新型人发现，由于关节软骨修复支架使用的时候伴随着微骨折术，因此即使不通过在第一皮质骨和松质骨上打孔，血液也能聚集到松质骨面上，从而无需在皮质骨和松质骨上打孔，这样能减少对皮质骨的损坏，增强支架材料的力学性能，节省生产成本。

通过以下方法制备所述关节软骨修复支架：

1、支架材料的制备

1)从骨组织库中选择含有1层皮质骨、1层松质骨结构的人同种异体骨；

2)将该人同种异体骨浸泡于脱钙液中在常温条件下进行脱钙处理，脱钙液为0.05m的依地酸，用原子吸收分光光度计监测脱钙进程至螯合脱钙后的人同种异体皮质骨的钙含量为0.01％-10％；

3)清洗产品，去除产品中的无机盐离子。

4)清洗干净的产品经真空冷冻干燥；

5)产品冻干后进行钴60辐照灭菌，灭菌剂量40kgy，得到适用于软骨修复的皮质-松质骨支架材料。

2、制备自体富血小板血浆

采集10ml自体静脉血或10ml同血型血库中的血液移入抗凝管中，先以3000r/min离心10min，在超净台内吸取全部上清液、白膜层及以下2mm的红细胞层，置于另一抗凝管中，再次以3000r/min离心15min，弃掉约3/4上清液，沉淀部分在剩下的上清液中放置一段时间后即为富血小板血浆。

3、制备复合材料

将步骤2制备得到的富血小板血浆均匀铺于培养皿中，将步骤1制备得到的支架材料中的皮质骨部分均匀抹一层激活剂1000u/ml人凝血酶后，放置于铺有富血小板血浆的培养皿中，激活血浆，待形成薄层血浆凝胶后，取出。

本实用新型制备方法的流程图详见图2。

实施例2、关节软骨修复支架的应用效果

1)将实施例1制备的关节软骨修复支架上种植人骨髓间充质干细胞(bmscs)，探讨细胞在支架上的黏附能力、增殖能力以及软骨细胞外基质分泌的能力。结果如图3所示，图3中左图是上述在关节软骨修复支架上种植人骨髓间充质干细胞不同天数后检测人骨髓间充质干细胞的dna含量，可以反映人骨髓间充质干细胞在支架上的黏附能力和增殖能力，其检测方法为picogreen荧光染色法(picogreen双链dna荧光定量测定试剂盒，上海哈灵生物科技有限公司)。图3中右图是软骨细胞分泌的糖胺多糖的含量，可以反映软骨细胞外基质分泌的能力，其检测方法为二甲基亚甲基蓝比色法(试剂盒：上海哈灵生物科技有限公司)。

结果表明：本实用新型关节软骨修复支架的生物相容性极好，bmscs从第一天就开始增殖，并分化为软骨细胞，且软骨细胞不断分泌糖胺多糖(gags)。此外，与第1天相比，第7天gags和人间充质干细胞的dna显著增加，表明在培养7天后，软骨细胞分泌gags的能力逐步增加。

2)分别采用钻孔微骨折术、钻孔微骨折术搭配不加富血小板血浆凝胶层的关节软骨修复支架(其制备方法按照实施例1中支架材料的制备步骤进行)、钻孔微骨折术搭配实施例1制备所得关节软骨修复支架用于修复兔软骨损伤。术后6周、12周、24周后对采用上述3种不同方法治疗的兔子取缺损处的新生组织，每个取材点取5只动物，并进行大体形态观察，结果如图4所示。大体观上可看出加了富血小板血浆凝胶的产品大体观上更为平整，凝胶中的多种生长因子能有效促进软骨缺损处的修复，24周已跟正常软骨没有差别。

另外，取术后24周的新生组织进行he染色，结果如图5所示，发现微骨折术生成的组织软骨细胞小而少，基质也少，含平行或交叉排列的胶原纤维，表明生成的是纤维软骨。用钻孔微骨折术搭配不加富血小板血浆凝胶层的关节软骨修复支架修复的组织细胞成分较多，成群分布，基质呈现一片比较均匀的粉红色，表明生成的是透明软骨细胞。但修复组织较薄，修复区域填充较差。钻孔微骨折术搭配实施例1所得关节软骨修复支架修复的组织损伤组织与正常组织交界处平坦，组织细胞成分多，基质呈现一片均质的粉红色，新生成的软骨组织更多，修复区域也更为完整。与微骨折术相比，关节软骨修复支架修复的软组织上可观察到有光泽的白色类透明软骨组织生成，其在外观上与正常关节软骨相当。

3)术后24周取缺损处的新生组织，每个取材点取5只动物，采用万能力学试验机检测软骨修复后的弹性模量和硬度。检测弹性模量的方法为：1.将待测试样放于力学测试仪托盘上，输入试样高度(2mm)与截面积(4mm²)；2.用10n的压力探头进行压缩试验，压缩速率为0.05mm/s，应变量达到50％时停止试验；3.根据获取的应力-应变曲线的直线区计算弹性模量。检测硬度的方法为纳米压痕法：最大加载力5mn，加载分5次循环，加载时间15s。结果如下表所示：

从上表可以看出，相比采用钻孔微骨折术搭配不加富血小板血浆凝胶层的关节软骨修复支架，采用钻孔微骨折术搭配实施例1所得关节软骨修复支架进行修复后，所得新生软骨组织的弹性模量和硬度都更接近于正常软骨。

实施例3、关节软骨修复支架本身的力学性能测试

对实施例1中制备得到的关节软骨修复支架、实施例1中制备得到的关节软骨修复支架上打孔的支架材料(打孔在脱钙步骤和清洗步骤之间进行，具体方式为：垂直于脱钙皮质骨水平表面以0.1mm的直径激光打孔，相邻小孔中心之间的距离为0.5mm，钻孔贯穿脱钙皮质骨和脱钙松质骨两层，穿透整个支架)的弹性模量和硬度进行检测。检测方法同实施例2中的相应方法，但样品尺寸有所不同，为20(长)×20(宽)×10mm(厚)，所得结果如下表所示，

结论：长度和厚度两个测试方向上，打孔的支架材料和不打孔的支架材料的弹性模量，均能满足修复关节软骨的目的。但在两个测试方向上，不打孔的支架材料弹性模量都要高于打孔的，相对于打孔产品能进一步节省费用，提高支架力学强度。同时如实施例2所示，不打孔并没有影响对软骨的修复作用。

实施例4三明治结构产品的制备

如图6所示，一种关节软骨修复支架，其由下至上包括：

结合在第二皮质骨下表面的第二富血小板血浆凝胶层5；

第二皮质骨4；

松质骨1；

第一皮质骨2；

和，结合在第一皮质骨2上表面的第一富血小板血浆凝胶层3；

其中：所述松质骨1、第一皮质骨2和第二皮质骨4均为未完全脱钙骨。

当需要制备上述双层皮质骨将一层松质骨夹在中间的三明治结构产品时，选取包含双层皮质骨和一层松质骨的人同种异体骨并且所述双层皮质骨将一层松质骨夹在中间，其余制备步骤同实施例1即可。

这种双层皮质骨一方面增强了关节软骨修复支架的力学性能，另一方面皮质骨相对于松质骨表面光滑，有效降低对正常软骨的磨损伤害。再一方面，双层皮质骨的设计能有效减少骨髓干细胞和营养物质的流失，并且夹层结构有充足的空间让骨髓干细胞进行粘附、迁移和营养物质的交换，加速干细胞的增殖和分化，促进软骨缺损的修复。

上述实施例1中的产品和上述实施例4中的三明治结构产品中，优选同种异体骨，也可以替换成异种骨，但同种异体骨相对于异种骨或其他人工支架材料，具有良好的组织相容性，易于细胞粘附及增殖。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。