聚氨基酸基半月板组织工程支架及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半月板组织工程支架及其制备方法，特别是一种聚氨基酸基半月板组织工程支架及其制备方法。
【背景技术】
[0002]现如今，半月板损伤已经是一种很常见疾病。在美国，每年有超过100万人接受半月板手术治疗。这些损伤直接破坏半月板组织中重要胶原纤维结构，使其负载转换功能下降；并且由于半月板组织缺乏血供，其自愈合能力较差。对于半月板损伤治疗，也是临床一大难题。
[0003]随着对半月板切除术后发生关节退行性病变的认识加深，越来越多的外科医生意识到半月板生物力学功能的重要性，认为不宜简单地将损伤半月板切除。组织工程技术的发展为半月板损伤的修复治疗提供了可行性的思路。
[0004]在半月板组织工程修复再生中，支架材料是关键因素。首先，半月板要承受多种力的作用，因此半月板支架材料应具备合适的力学性能，各向异性，几何形状和润滑性。同时材料应具有生物活性，能够维持细胞表型，能够诱导细胞外基质的产生，没有免疫原性，能与宿主很好的结合。半月板组织工程支架材料起到临时细胞外基质的作用，理想的支架材料应在组分，构建和力学性能上模拟细胞外基质。为细胞的体外培养和体内修复提供近似天然组织的环境。
[0005]聚乙交酯及其共聚物支架材料虽然具有良好的生物相容性、可控的降解性能和较高的力学强度，作为半月板组织工程材料研究较多并且大多处于动物实验阶段，但是这类材料缺少弹性，在半月板修复过程中因无法吸收分散负荷而导致股胫关节软骨产生磨损和退行性改变，以致发生骨性关节炎；美国专利公开号:20080097605 (Al)，该专利公开了一种以聚丙交酯(PLA)/聚乙交酯(PGA)纤维增强且表面涂覆透明质酸的聚己内酯(PCL)复合半月板支架，其生物相容性好，力学性能突出，能够部分或者完全代替损伤半月板以及损伤半月板的再生。美国专利公开号:2012165939 (Al)，该专利公开了一种非纺聚酯纤维材料增强的泡沫支架材料，其赋予泡沫支架材料更好的缝合抗拔强度，解决了支架在半月板损伤部位的固定。但PGA/PLA这类聚酯材料其降解产物呈酸性，引发炎症反应。源自细胞外基质的天然生物材料能够逻辑性的构建一个天然细胞生存环境且具有生物活性，中国专利申请号:200910038062.0，公开了一种高强度胶原组织修复材料制品，其可用于半月板以及关节软骨修复。但是其只能从生命体中获得，降解速率难以控制，力学性能差，价格昂贵，还可能携带朊病毒。这一类材料已经部分应用于临床如胶原，但是由于胶原支架的难缝合性以及降解收缩，已经从临床中踢除。
[0006]如何构建促进关节润滑、有利于营养传输、保持再生组织高度均一性、具有较高生物力学性能和可生物可降解性半月板组织工程支架，是组织工程领域关键技术和巨大挑战。
[0007]目的与创新: 聚氨基酸作为一种合成多肽材料，具有良好生物降解性、生物相容性、低免疫原性等特点。可促进组织修复和细胞生长，模拟细胞外基质，降解产物L-谷氨酸是蛋白质的主要构成成分，在体内无免疫原性和毒副作用。
[0008]由于聚氨基酸力学性能不足，阻碍了其在组织工程领域中的应用。引入脂肪族聚酯，例如聚(e-己内酯)，作为半结晶性生物材料，广泛应用在组织工程领域，具有生物可降解性，生物相容性和良好的柔韧性，且降解产物不会引起酸性环境。通过聚己内酯杂化聚氨基酸制备多孔弹性水凝胶组织工程支架，为关节提供力学支撑以及起到缓冲作用。
【发明内容】
[0009]本发明的目的之一在于克服现有技术中存在的问题提供一种聚氨基酸基半月板组织工程支架。
[0010]本发明的目的之二在于提供该半月板组织工程支架的制备方法。
[0011]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种聚氨基酸基半月板组织工程支架，该工程支架是由填充材料填充在多层骨架中形成的骨架增强的弹性支架，其特征在于:
a.所述的骨架是由壳聚糖通过静电纺丝制得的薄膜经弯曲成半月板月牙形结构而成，厚度为0.05-0.5毫米；层数为5~10层；
b.所述的填充材料是由聚(L-谷氨酸)聚(e_己内酯)/聚(L-天冬氨酸)聚(e-己内酯)接枝共聚物与寡聚乙二醇交联剂经交联反应形成的交联网络凝胶，经冷冻干燥得到的弹性支架，其中交联度为50%;所述聚(L-谷氨酸聚(e-己内酯)/聚(L-天冬氨酸)-^聚(e_己内酯)接枝共聚物中聚(e-己内酯)接枝率为5~40%。
[0012]上述的聚(L-谷氨酸)-^聚(e-己内酯)/聚(L-天冬氨酸)聚(e_己内酯)接枝共聚物中主链聚(L-谷氨酸)/聚(L-天冬氨酸)分子量为100000~200000 ;聚(L-谷氨酸)-^聚(e-己内酯)/聚(L-天冬氨酸)聚(e-己内酯)接枝共聚物中侧链聚(e-己内酯)的分子量为500~10000。上述壳聚糖(CS)的粘均分子量为5~15万。
[0013]上述半月板模具其长度为32-36毫米；所述半月板模具其宽度为27-29毫米，模拟月牙形构造。一种制备上述的聚氨基酸基半月板组织工程支架的方法，其特征在于该方法的具体步骤为:
a.将壳聚糖静电纺丝薄膜作为填充材料固定于半月板模具中，构建多层骨架；
b.将聚(L-谷氨酸聚(e-己内酯)/聚(L-天冬氨酸)聚(e-己内酯)接枝共聚物溶解，加入催化剂、寡聚乙二醇交联剂，搅拌均匀后，灌注到由壳聚糖静电纺丝薄膜构成的多层骨架半月板模具中，制得骨架增强的半月板弹性交联网络凝胶；
c.将制得的骨架增强半月板弹性凝胶通过梯度透析的方式，去除反应中引入的有机溶剂以及催化剂，冷冻干燥得到力学性能优异的弹性支架。
[0014]在上述的半月板支架中，所述正常半月板环向拉伸强度为100~300MPa ;所述正常半月板径向拉伸强度为10~30MPa。
[0015]以聚氨基酸为主体材料，同时引入聚酯和天然多糖，在组分和结构方面模拟正常半月板组织。在力学性能方面，支架材料本身在环向拉伸强度、径向拉伸强度、轴向压缩强度与正常半月板相近。支架在半月板重建早期，以支架材料代替半月板，不仅为关节提供力学支撑，而且材料自身能够效仿正常半月板将垂直的压力变成水平环向应力，从而有效起到缓冲作用。在体内修复过程中，再生的半月板在组织构成上更加接近正常半月板，并且具有更加优异的生物力学性能。
[0016]基于国内外关于半月板组织工程支架研究开发进展，本发明成功开发具有生物相容性、生物可降解性、较高力学性能的半月板组织工程支架。在结构上，模拟“钢筋混凝土的复配体系”(钢筋:韧性突出、抗拉性好；复配体系:提供负重以及负载转移能力；混凝土:抗压性好、抗拉和抗弯性差)，采用静电纺丝薄膜填充化学交联弹性支架方法制得。“钢筋”由多层静电纺丝薄膜构成(月牙形排列)混凝土”选用聚酯化学改性的聚氨基酸多孔弹性支架(模拟半月板自身抗压缩性能以及模拟ECM环境)；所制得组织工程半月板支架力学性能与正常半月板接近。该支架在半月板重建早期，以支架材料代替半月板，不仅为关节提供力学支撑，而且材料自身能够效仿正常半月板将垂直压力变成水平环向应力，从而有效起到缓冲作用；在体内修复过