仿生人工韧带及其制备方法

1.本发明属于骨骼韧带修复技术领域，具体涉及一种仿生人工韧带及其制备方法。


背景技术：

2.韧带是骨与骨之相互连接的结缔组织索状物，与弹性纤维紧密并行，它附着于骨骼的可活动部分，但限制其活动范围以免损伤，从而能保持关节的稳定性。韧带主要由i型胶原(90％)组成，还包含少量的iii型胶原(10％)。致密的ⅰ型胶原纵向平行排列，组成直径约20μm的纤维，同时iii型胶原将i型胶原分成直径在20μm到400μm的纤维束，这种纵向平行排列的结构为韧带提供了足够的力学强度。
3.韧带严重损伤后不能自愈，移植重建是目前治疗的主要手段，临床上用于韧带重建最常用的材料主要有自体韧带、异体韧带和人工韧带3大类。最早的人工韧带材料包括碳纤维/聚四氟乙烯(ptfe)he聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterepthalate，pet)、蚕丝、聚乳酸等，这些早期的人工韧带材料短期效果良好，但是长期稳定性较差，容易引起滑膜炎、人工韧带断裂或松弛，复发率和失败率都较高。之后，通过材料选取、结构设计和织造加工，研究者又开发出了很多新型的支架型人工韧带。目前临床上最为常用的商用人工韧带是pet基的lars(ligamentadvanced reinforcement system)韧带。这类人工韧带一定程度上模拟了人体韧带的解剖结构，力学性能优良，术后恢复快，有较好的早期和中期疗效，但材料的选择使其长期疗效不佳。
4.进一步地，还有采用聚ε-己内酯(polyε-caprolactone，pcl)应用于韧带和肌腱等组织修复中，但其力学性能较差，限制了其在韧带、肌腱、骨组织等力学要求较高组织部位的实际应用，因此就需要提高聚己内酯的力学性能来满足这些组织的需要。
5.其中，pcl可以与其他聚合物(如pla、plga等)共混来实现力学强度的增强，混合后加工成型的材料虽然整体强度有所提高，但是由于材料内部发生了一定程度的相分离，从而导致受力不均匀的现象。另外，还有通过在材料中添加诸如碳纳米管、羟基磷灰石或石墨烯碳纳米管等纳米粒子，也可以实现材料的力学增强。但是这类物质与聚合物基质在表面极性上有很大的差异，因此无法均匀地分散在聚合物基质中，容易出现团聚，因此就需要通过一些复杂的工艺手段来提高其在基体中的分散性。同时，由于极性差异较大，当材料承载力时容易受力不均与而引起应力集中现象，以及，添加的纳米粒子可能会对细胞产生一定的细胞毒性作用，从而降低材料的生物相容性。此外，也可通过与其他聚合物单体进行共聚或者枝接改性，来提高pcl的力学性能，或改善pcl与其他材料的相容性，从而利于其与其他材料的共混，但是这种方法一定程度上会影响pcl的生物降解性和生物相容性，从而使材料的其他功能下降。
6.另外，目前一般的人工韧带固定方法都是靠外加机械固定，当人工韧带植入人体后，其在骨隧道内附着点的愈合能力很差，韧带-骨止点之间形成较宽的纤维瘢痕组织，导致植入物与骨的愈合缓慢且不够牢固。
7.因此，针对目前的人工韧带存在生物相容性差、结构设计不合理、生物力学强度不
匹配、生物活性较低，骨组织与韧带结合部位融合度差等问题，本发明提出一种仿生人工韧带及其制备方法。


技术实现要素：

8.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种仿生人工韧带及其制备方法。
9.本发明的一方面，提供一种仿生人工韧带的制备方法，具体步骤包括：形成纤维/基质一体化的自增强韧带支架；
10.在所述自增强韧带支架表面修饰细胞粘附层；
11.在表面修饰后的所述自增强韧带支架端部进行矿化处理，以得到所述仿生人工韧带。
12.可选的，所述形成纤维/基质一体化的自增强韧带支架，包括：
13.采用fdm增材制造机对打印原材料进行打印，形成基质；
14.将所述基质的中部区域沿其长度方向拉伸，以形成纵向排列的纤维增强部。
15.可选的，所述基质与所述纤维增强部之间具有结晶度缓变区。
16.可选的，所述打印的温度范围为100℃～150℃，打印速度范围为5mm/s～8mm/s，打印头的内径范围为0.2mm～0.5mm。
17.可选的，所述打印原材料选用分子量为50000、80000以及150000的聚己内酯颗粒中的任一者；和/或，
18.所述基质尺寸范围为(18mm～22mm)
×
(3mm～7mm)；和/或，
19.所述纤维增强部中各纤维之间的间距为0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm和5mm中任意一者。
20.可选的，所述在所述自增强韧带支架表面修饰细胞粘附层，包括：
21.将所述自增强韧带支架浸泡于盐酸多巴胺溶液中，调节溶液的ph值至8.3～8.6，经常温振荡反应、超声清洗、干燥，以得到聚多巴胺修饰的自增强韧带支架；
22.将所述自增强韧带支架置于蛋白溶液中，在3℃～5℃下保持8h～12h，以在所述自增强韧带支架表面修饰有细胞粘附层。
23.可选的，所述蛋白溶液选用0.5wt％、1wt％、2wt％或4wt％的层粘连蛋白溶液。
24.可选的，所述在表面修饰后的所述自增强韧带支架端部进行矿化处理，包括：
25.将表面修饰后的自增强韧带支架端部浸入cacl2溶液，经第一次振荡处理后吸干自增强韧带支架表面水分；之后，浸入100mm/l～130mm/l的(nh4)2hpo4溶液，经第二次振荡处理；之后重复多次浸泡处理过程，以在所述自增强韧带支架端部形成矿化层，以作为骨质附着部。
26.本发明的另一方面，提供一种仿生人工韧带，根据前文记载的所述方法制得；其中，
27.所述仿生人工韧带包括自增强韧带支架、细胞粘附层以及矿化层；其中，
28.所述自增强韧带支架包括基质，所述基质的中部区域设置有纤维增强部，所述基质的端部区域设置有骨质附着部，所述纤维增强部与所述基质一体成型；
29.所述细胞粘附层包覆在所述自增强韧带支架表面；
30.所述矿化层包覆在所述骨质附着部。
31.可选的，所述骨质附着部包括多个平行设置的第一子支架与多个平行设置的第二子支架，多个所述第一子支架与多个所述第二子支架交错设置以形成多组骨质附着子部；
32.所述纤维增强部包括多个平行设置的第三子支架与平行设置的多个第四子支架，多个所述第三子支架与多个所述第四子支架交错设置以形成多组纤维增强子部；并且，
33.每组所述纤维增强子部中第三子支架长度大于每组所述骨质附着子部中第一子支架的长度，以使所述第三子支架形成纵向排列的纤维。
34.可选的，所述纤维与所述基质一体成型。
35.本发明提供一种仿生人工韧带及其制备方法，具体步骤包括：形成纤维/基质一体化的自增强韧带支架；在所述自增强韧带支架表面修饰细胞粘附层；在表面修饰后的所述自增强韧带支架端部进行矿化处理，以得到仿生人工韧带。本发明实现了纤维/基质结构的一体化成型，并且保证了纤维增强相与基相之间界面连接与融合度，从而进一步提高材料的力学性能，同时表面修饰的细胞粘附层将有利于成纤维细胞的长入，而末端骨质附着区域的矿化也有利于与周围骨性组织的长入与融合，解决现有人工韧带生物活性差，组织融合度低的缺点，从而增强人工韧带的中远期修复效果。
附图说明
36.图1为本发明一实施例的仿生人工韧带的制备流程框图；
37.图2为本发明另一实施例的仿生人工韧带的制备流程示意图；
38.图3为本发明另一实施例的仿生人工韧带的结构示意图。
具体实施方式
39.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
40.除非另外具体说明，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等既不限定所提及的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组，也不排除出现或加入一个或多个其他不同的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示技术特征的数量与顺序。
41.在发明的一些描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“相连”或者“固定”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是通过中间媒体间接连接，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的互相作用关系。以及，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
42.如图1和图2所示，本发明的一方面，提供一种仿生人工韧带的制备方法s100，包括具体步骤s110～s130：
43.s110、形成纤维/基质一体化的自增强韧带支架。
44.需要说明的是，目前人工韧带材料主要通过添加纳米粒子实现材料力学增强，但由于两者表面极性差异较大，纳米粒子无法均匀分散在聚合物中，造成人工韧带承载力时容易受力不均而引起应力集中。基于此，本发明首次建立高融合度的聚己内酯熔融纺丝拉伸纤维增强相与基相，形成自增强材料，以通过增强相与基相为同源化合物，实现聚合物本身的力学性能增强。
45.应当理解的是，在自增强复合材料中，增强相和基相属于同源化合物或分子结构相同，高度各向异性的增强相起到承受力的作用，各相同性或各向异性较低的基相将增强相粘合起来。在传统复合材料中，基相与增强相之间的界面作用力主要是范德华力，界面间的作用力较差，而在自增强复合材料中增强相与基相化学组分基本相同，增强相与基相之间的分子间缠结、无定型/结晶区的特殊结构以及氢键的作用能够使得其界面粘合力提高，因此增强相无需表面处理就可以与基相形成良好的界面，从而有效解决传统复合材料中的界面问题。
46.目前，大多采用包合法、纤维热压法以及纤维浸渍法形成韧带材料，由于纤维与基质之间缺乏结晶度缓变过度区，导致界面粘附性差，使得纵向力学性能较低，可能导致重建的韧带撕裂，影响材料强度。针对此，本实施例首次建立了3d打印增材制造后拉伸成型的人工韧带制备方法，创新性的实现纤维/基质结构的一体化成型，形成了一体化的自增强韧带支架，在纤维与基质之间具有结晶度缓变过渡区，即在这一区间内的材料结晶度是逐步变化的，以保证纤维增强相与基相之间界面连接与融合度，从而进一步提高材料的力学性能，相当于人工仿生韧带在骨-韧带结合处具有结晶度缓变区，以保证人工韧带具有一定的纵向力学。
47.具体地，如图1和图2所示，形成纤维/基质一体化的自增强韧带支架的具体过程如下：
48.第一、选用不同分子量的医用级pcl颗粒(mw＝50000、80000、150000da)作为打印原材料，如图2中的a所示。
49.需要说明的是，本实施例通过调节pcl的分子量，可以有效的控制植入物的降解，使其与组织的生长速度相匹配，最终实现自体再生组织对材料的替换。
50.第二、使用熔融沉积建模(fdm)增材制造机进行坯材打印(如图2中的b所示)。其中，打印参数如下：打印头内径为0.4mm，打印温度为120℃，打印速度为6mm/s、坯材打印尺寸为20mm(长)
×
5mm(宽)的长方形基质110，即相当于基相，如图2中的c所示，当然，还可以根据实际需要将坯材打印为其他尺寸，不作具体限定。
51.第三、将基质110的中部区域沿其长度方向拉伸，打印结束后室温冷却，以形成呈纵向排列的纤维增强部111，即相当于增强相，基质110的端部区域形成骨质附着部112，如图2中的d所示。其中，坯材的纵向纤维之间的间距可以设置为0.5mm，1mm，2mm，3mm、4mm和5mm中任一者。也就是说，先将pcl原材料打印形成基质，再对基质的中部区域进行拉伸，使其中部区域形成纵向排列的纤维。
52.需要说明的是，本实施例的制备方法可通过调节制备过程的各参数，例如，材料分
子量、3d模型结构设计、增材制造制备条件，胚材拉伸条件，拉伸后材料性质，通过调节上述参数，可以实现材料的力学强度和降解速率调节，以适应不同程度患者腕横韧带的力学要求，并与韧带的修复再生速率相匹配，解决传统人工韧带无法适应不同患者的差异性需求的问题，突出个体化治疗。
53.本实施例采用pcl为原料，作为半结晶性聚合物，由于自增强材料无外来添加剂的引入，在提高韧带支架的力学性能的同时，还可以保持其生物相容性和生物降解性。当然，还可以采用其他半结晶性聚合物，例如、聚乙烯、聚丙烯等，还可以采用无定形聚合物为基质，例如、pet纤维增强的无定型共聚酯。
54.本实施例形成的自增强韧带支架在保持与韧带相似的纵向平行排列仿生结构的同时，基于基质与纤维一体成型，在基质与纤维增强部之间具有结晶度缓变区，更加符合韧带的力学要求。这相比传统的纺织或静电纺丝技术来说，3d打印可以制造出具有精确孔径和几何形状的支架，更好地模拟细胞外基质的3d结构，使其具有更高的力学性能，解决了传统自增强人工韧带在纤维与基质之间缺乏结晶度缓变过度区界面粘附性较低，从而导致的纵向力学性能较低的技术瓶颈。
55.s120、在自增强韧带支架表面修饰细胞粘附层，包括下述具体过程：
56.第一、配制浓度为2mg/ml的盐酸多巴胺溶液，将步骤s110形成的自增强韧带支架材料浸泡于溶液中，用0.5m的naoh溶液将溶液ph值调至8.5。之后，常温振荡24h后，取出支架材料，放置于一次水中，超声清洗10min，反复清洗3次，洗去未结合的多巴胺，干燥备用。
57.第二、分别配制0.5wt％、1wt％、2wt％、4wt％的层粘连蛋白溶液，并将聚多巴胺修饰的支架浸没于蛋白溶液中，4℃过夜，取出支架材料，用一次水反复冲洗后，冻干备用，以在自增强韧带支架的表面修饰有层粘连蛋白，如图2中的e所示。
58.本实施例利用细胞外基质蛋白对材料进行表面修饰，以在韧带支架表面形成细胞粘附层，可以提高人工韧带生物活性。其中，层粘连蛋白(laminin)是胚胎和组织基膜的主要功能成分，也是胚胎发育中最早出现的细胞外基质成分，是一种结构较为复杂的高分子糖蛋白，具有较高的生物活性，可以有效促进间充质干细胞的粘附和增殖，并上调了成骨相关基因的表达。除此之外，层粘连蛋白还有利于提高材料表面的亲水性，从而有利于支架材料的体外矿化。
59.s130、在表面修饰后的所述自增强韧带支架端部进行矿化处理，以得到仿生人工韧带，即相当于在骨质附着部112包覆有矿化层，如图2中的f所示。
60.需要说明的是，目前一般的人工韧带固定方法是靠外加机械固定，而不能直接依靠人工韧带材料自身固定，当人工韧带植入人体后，其在骨隧道内附着点的愈合能力很差，韧带-骨止点之间形成较宽的纤维瘢痕组织，导致植入物与骨的愈合缓慢且不够牢固。基于此，本实施例在韧带支架末端的骨质附着部进行矿化处理，使人工韧带移植物在骨附着点周围的骨传导和骨整合性能得以改善。
61.具体地，将步骤s120修饰后的自增强韧带支架末端5mm位置处浸入至200mm/l的cacl2溶液，37℃以150rpm的转速在摇床上振荡1h，然后取出样品，滤纸吸干表面水分，浸入120mm/l的(nh4)2hpo4溶液，在37℃摇床上振荡1h，速率为150rpm。重复以上浸泡周期若干次后，用去离子水冲洗样品并用滤纸吸干，随油纸放入25℃真空干燥箱内干燥24h，以使基质端部的骨质附着部上形成矿化层，可有效的促进骨整合和骨再生。
62.需要说明的是，本实施例可以通过调节矿化的交替周期次数(例如，3次、5次、7次)来调节矿化程度，从而得到不同矿化程度的仿生人工韧带。
63.本实施例通过将支架材料浸没于一定钙磷比例的无机盐溶液中，使钙磷等无机离子在生物调控下通过化学反应形成难溶性盐，并与有机基质结合形成矿化组织，以在韧带支架末端的骨质附着部与骨骼形成韧带-骨界面，可以特异性地使人工韧带移植物在骨附着点周围的骨传导和骨整合性能得以改善，当植入人体后，在骨隧道内附着点的愈合能力很好且比较牢固。
64.本实施例采用类羟基磷灰石作为矿化组织，具有与骨组织相似的晶体结构，可有效的促进骨整合和骨再生。并且，本实施例在韧带支架的端部进行矿化，有助于仿生韧带与骨组织形成骨性联结，又能避免韧带的过度钙化，影响其功能。
65.本发明利用生物降解弹性材料聚己内酯(pcl)，通过增材制造技术设计并制备出具有特定结构的人工韧带基础胚材，并通过后期拉伸和表面修饰，制备出符合关节韧带重建需求的仿生人工韧带。
66.另外，本发明还利用层粘连蛋白对所制备的自增强型pcl材料进行表面改性，再对材料末端的骨质附着区域进行矿化处理，可以进一步增强生物相容性和生物活性，增加附着点附近的骨形成，减少韧带-骨界面的纤维瘢痕组织，获得更好的生物相容性和材料末端骨愈合性。
67.本发明的另一方面，提供一种仿生人工韧带，根据前文记载的方法制得，具体过程请参考前文记载，在此不再赘述。
68.如图3所示，本实施例的仿生人工韧带包括自增强韧带支架、细胞粘附层以及矿化层；其中，自增强韧带支架包括基质110，该基质110的中部区域设置纤维增强部111，基质110的端部区域设置有骨质附着部112；细胞粘附层包覆在所述自增强韧带支架表面；矿化层包覆在所述骨质附着部112。
69.需要说明的是，本实施例的细胞粘附层可采用层粘连蛋白，可以有效的促进了间充质干细胞的粘附和增殖，并上调了成骨相关基因的表达，同时也有利于提高材料表面的亲水性，从而有利于材料的体外矿化。另外，矿化层可采用类羟基磷灰石作为矿化组织，具有与骨组织相似的晶体结构，可有效的促进骨整合和骨再生。
70.请继续参考图3所示，骨质附着部112包括多个平行设置的第一子支架和多个平行设置的第二子支架，多个第一子支架与多个第二子支架交错设置以形成多组骨质附着子部，如图3中的基质110端部区域形成的多个小方格，每个小方格为一组骨质附着子部，多组骨质附着子部连续分布以形成骨质附着部112，用于与骨骼形成韧带-骨接触面。
71.另外，请继续参考图3所示，纤维增强部111包括多个平行设置的第三子支架与多个平行设置的第四子支架，多个第三子支架与多个第四子支架交错设置以形成多组纤维增强子部，如图3中的基质110中间区域形成的多个小长方形结构，每个小长方形结构为一组增强子部；其中，第四子支架与第二子支架设置方向相同，第三子支架与第一子支架设置方向相同，且每组纤维增强子部中第三子支架长度大于每组骨质附着子部中第一子支架的长度，以使第三子支架形成纵向排列的纤维。也就是说，由相互交错设置的子支架形成基质，再对基质的中部区域进行拉伸，使基质中部区域(纤维增强部)沿拉伸方向的子支架长度大于端部区域(骨质附着部)子支架的长度，即在基质的中部区域形成纵向纤维。
72.需要说明的是，本实施例的基质为20mm(长)
×
5mm(宽)的长方形坯材，当然，还可以选择其他尺寸的坯材。纵向排列的纤维之间的间距可以为0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm或者5mm。
73.进一步需要说明的是，本实施例选用不同分子量的医用级pcl颗粒(mw＝50000、80000、150000da)作为打印原材料，经3d打印形成基质。
74.进一步地，为了提高增强相与基相的界面融合度，纤维与基质一体成型，例如，可通过3d打印pcl原材料先形成基质，再对基质的中间区域进行拉伸处理，以使其第三子支架拉伸形成多个纵向平行排列的纤维，以实现自增强。
75.本实施例的纤维/基质结构一体化成型，能够保证纤维与基质之间的界面连接与融合度，提高纤维在微观层面的取向程度，从而进一步提高材料的力学性能，使其在保证原有的生物相容性和生物可降解性的同时，更加的符合人工韧带的力学要求。
76.本发明的人工韧带具有高度匹配人韧带的仿生结构，该仿生人工韧带的纤维增强相呈纵向排列，具有与天然韧带相似的取向排列结构，这种纵向平行排列的结构为韧带提供了足够的力学强度。同时，表面修饰的细胞粘附层将有利于成纤维细胞的长入，而末端骨质附着部的矿化层也有利于与周围骨性组织的长入与融合，解决现有人工韧带生物活性差，组织融合度低的缺点，从而增强人工韧带的中远期修复效果。
77.本发明提出一种仿生人工韧带及其制备方法，具有以下有益效果：
78.第一、本发明的制备方法仅可以实现纤维/基质结构的一体化成型，还能够保证纤维与基质之间的界面连接与融合度，提高纤维在微观层面的取向程度，从而进一步提高材料的力学性能，使其在保证原有的生物相容性和生物可降解性的同时，更加的符合人工韧带的力学要求，且具有与韧带相似的纵向平行排列仿生结构。
79.第二、本发明可通过调节制备过程的不同参数，可以实现材料的力学强度和降解速率调节，以适应不同程度患者腕横韧带的力学要求，并与韧带的修复再生速率相匹配，解决传统人工韧带无法适应不同患者的差异性需求的问题，突出个体化治疗。
80.第三、本发明通过在支架表面修饰层粘连蛋白，有利于成纤维细胞的长入，具有较高的生物活性。
81.第四、本发明通过在支架端部骨附着区域矿化处理，有利于与周围骨性组织的长入与融合，解决现有人工韧带生物活性差，组织融合度低的缺点，从而增强人工韧带的中远期修复效果。
82.第五、本发明的人工韧带的纤维增强相呈纵向排列，具有与天然韧带相似的取向排列结构。
83.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。