一种具有梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架的制作方法

1.本发明属于生物医用材料技术领域。更具体地，涉及一种具有梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架。


背景技术：

2.因疾病、各种原因导致的关节软骨损伤是目前临床中常见的疾病，特别是随着全球老龄化程度日益严重，关节软骨疾病显得尤为突出，为病人家庭、社会和国家都带来了巨大的压力。因为在软骨组织中缺乏血管和神经，使得软骨组织的修复与重建显得尤为困难。组织工程技术为软骨组织的修复与重建提供了新的契机。组织工程包含三大要素，细胞、生长因子以及支架。其中支架的作用尤为重要，不仅是生长因子的主要载体，同时也为细胞的生长、分化提供必要的空间，更对新生组织的生长起到决定性的作用。
3.电疗法常被临床应用于脑深部刺激、治疗帕金森/运动障碍、改善骨骼肌状态、促进伤口愈合、组织修复以及骨折愈合等方面，但是体外实施的电疗法存在效率较低、电流难以穿过皮肤到达目标部位等问题，因此使用内源性的压电生物材料在目标部位直接产生电荷进行治疗成为目前的研究热点。其中，压电效应是指压电体在外力的刺激下产生形变时，其内部会发生电极化，使材料表面电荷发生重排产生电位差，从而在材料表面形成电荷；当撤去外力后，材料又会恢复到不带电状态。压电材料是一类具有压电效应的智能生物材料，相对于传统生物材料，其会响应细胞迁移、身体运动或超声波等外部刺激，产生电信号并传递给周围的细胞及组织，在早期修复阶段，压电效应还可影响细胞的迁移、增殖、分化等过程。如能将压电材料应用于骨组织工程支架中，则可以实现在目标部位直接产生电荷进行治疗的目的。
4.天然软骨组织由浅表层、中间层、深层和钙化层四部分组成，由上至下的呈现出梯度变化的结构，同时在软骨组织中没有血管、神经等组织存在，因此在软骨组织重建过程中，不需要太大的孔径。研究表明，100μm左右的孔径有利于干细胞向软骨细胞方向分化；而对于底部钙化层来说，则需要300～500μm左右的孔径以便于血管和神经的长入。但是现有技术提供的生物医用材料主要集中研究孔隙率和生物相容性等，并没有对孔隙结构进行进一步的限定，且还没有找到较好的方法制备得到具有梯度分布的孔隙结构。
5.因此，迫切需要提供一种具有100～500μm梯度分布孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架，同时可以很好地保持细胞活性，具有优异的快速成骨和成血管的功能，达到体内电疗的效果。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是克服现有技术没有找到较好的方法促进骨组织生成，缺乏制备得到具有梯度分布孔隙结构骨组织工程支架，体外电疗法效率低的缺陷和不足，提供一种具有100～500μm梯度分布孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架，同时可以很好地保持细胞活性，具有优异的快速成骨和成血管的功能，达到体内电疗的效果。
7.本发明的目的是提供一种具有梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架。
8.本发明另一目的是提供所述骨组织工程支架的制备方法。
9.本发明上述目的通过以下技术方案实现：
10.一种具有梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架，所述骨组织工程支架由聚乳酸、钛酸钡、辅助材料和无菌粉体填料制成，所述钛酸钡的添加量为聚乳酸的1～20wt％，所述辅助材料的添加量为聚乳酸的1～20wt％，所述无菌粉体填料的添加量为聚乳酸的1～20wt％；
11.其中，所述骨组织工程支架具有100～500μm梯度分布的孔隙结构。
12.进一步地，所述骨组织工程支架孔隙率为30～85％，所述骨组织工程支架的干态压缩模量为0.1～4mpa。
13.更进一步地，所述聚乳酸为左旋聚乳酸，分子量为1～15万。
14.进一步地，所述钛酸钡粒径为1～300μm。
15.更进一步地，所述辅助材料选自卵磷脂、壳聚糖、透明质酸、多肽、葡聚糖、环糊精中的一种或多种。
16.进一步地，所述无菌粉体填料为无机粉体和/或高分子微球。
17.更进一步地，所述无机粉体选自羟基磷灰石、α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸八钙、碳酸钙、硅酸二钙、硅酸三钙、硫酸钙、生物玻璃中的一种或多种。
18.进一步地，所述高分子微球选自聚乳酸微球、聚己内酯微球、聚羟基乙酸微球、聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球、聚氨酯微球、明胶微球中的一种或多种。
19.另外的，本发明还提供了所述骨组织工程支架的制备方法，包括以下步骤：
20.s1、制备浓度为1～5wt％的聚乳酸溶液，再加入钛酸钡、辅助材料和无菌粉体填料，混合均匀，得溶液a；
21.s2、将步骤s1得到的溶液a置于模具中，将模具置于高温相分离源和低温相分离源之间，保持1～4h，得聚乳酸凝胶；
22.s3、将步骤s2得到的聚乳酸凝胶置于-80℃条件下1～4h进行相分离，置换溶剂、冷冻干燥，即得。
23.进一步地，步骤s2中，所述高温相分离源的温度为4～20℃。
24.更进一步地，步骤s2中，所述低温相分离源的温度为-80～-20℃。
25.进一步地，步骤s2中，所述模具由底部封口的圆管和另一根圆管或圆柱组成，所述底部封口的圆管和另一根圆管或圆柱在截面上为同心圆，所述底部封口的圆管直径为10～200mm，所述另一根圆管或圆柱的直径为1～200mm。
26.本发明具有以下有益效果：
27.本发明一种具有梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架具有100～500μm梯度分布的孔隙结构，外层使用高浓度聚乳酸溶液制备而成，为支架提供良好的机械性能，100～200μm孔径较小的部位为软骨组织的生长提供空间，300～500μm孔径较大的部位为血管和硬组织的生长提供合适的空间，所制备得的组织工程骨修复支架能很好地保持细胞活性，并且在适当的外界机械力刺激下，可在支架表面产生电荷，促进骨组织的生长及血管的形成。
附图说明
28.图1为本发明实施例一种具有梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架的制备过程示意图。
具体实施方式
29.以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
30.除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
31.实施例1一种具有梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架
32.所述具有梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架的制备包括以下步骤：
33.s1、制备浓度为5wt％的聚乳酸溶液，再加入聚乳酸重量10％的纳米羟基磷灰石、聚乳酸重量10％的钛酸钡和聚乳酸重量10％的卵磷脂，65℃混合均匀，得溶液a；
34.s2、将步骤s1得到的溶液a置于模具中，同时避免气泡，将模具置于高温相分离源4℃和低温相分离源-20℃之间，保持2h后，得聚乳酸凝胶；
35.s3、将步骤s2得到的聚乳酸凝胶置于-80℃条件下2h进行相分离，再转移至4℃条件下，用去离子水进行溶剂置换，每天换水3次，持续2天，最后通过48h冷冻干燥，得高30mm，直径10mm的圆柱体的具有100～500μm梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架，其孔隙率为85％，干态压缩模量为1mpa。
36.实施例2一种具有梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架
37.所述具有梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架的制备包括以下步骤：
38.s1、制备浓度为1wt％的聚乳酸溶液，再加入聚乳酸重量20％的聚乳酸微球和聚乳酸重量1％的钛酸钡，65℃混合均匀，得溶液a；
39.s2、将步骤s1得到的溶液a置于模具中，同时避免气泡，将模具置于高温相分离源10℃和低温相分离源-80℃之间，保持1h后，得聚乳酸凝胶；
40.s3、将步骤s2得到的聚乳酸凝胶置于-80℃条件下2h进行相分离，再转移至4℃条件下，用去离子水进行溶剂置换，每天换水3次，持续2天，最后通过48h冷冻干燥，得高30mm，直径10mm的圆柱体的具有100～500μm梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架，其孔隙率为83％，干态压缩模量为2mpa。
41.实施例3一种具有梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架
42.所述具有梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架的制备包括以下步骤：
43.s1、制备浓度为3wt％的聚乳酸溶液，再加入聚乳酸重量1％的钛酸钡和聚乳酸重量20％的卵磷脂，65℃混合均匀，得溶液a；
44.s2、将步骤s1得到的溶液a置于模具中，同时避免气泡，将模具置于高温相分离源20℃和低温相分离源-20℃之间，保持4h后，得聚乳酸凝胶；
45.s3、将步骤s2得到的聚乳酸凝胶置于-80℃条件下2h进行相分离，再转移至4℃条件下，用去离子水进行溶剂置换，每天换水3次，持续2天，最后通过48h冷冻干燥，得高30mm，直径10mm的圆柱体的具有100～500μm梯度孔隙结构与压电性能的骨组织工程支架，其孔隙率为84％，干态压缩模量为4mpa。
46.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。