一种具有梯度诱导活性的韧带再生支架及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有梯度诱导活性的韧带再生支架及其制备方法。所述支架沿长度方向由中间至两侧依次包括肌腱/韧带软组织段、移行段、骨隧道段；所述支架由可降解复合纱线或其与可降解单组分纱线织造而成，并通过梯度浸渍‑热熔处理在骨隧道段、移行段获得不同无机活性成分浓度的梯度诱导涂层，同时在骨隧道段形成规律性粘合加固；所述可降解复合纱线由至少两种熔点不同的纱线编织而成。制备方法包括制备可降解复合纱线、制备支架预成体、清洗烘干、梯度浸渍‑热熔处理、清洗烘干、灭菌等步骤。本发明可用于韧带/肌腱/肩袖再生重建治疗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于韧带/肌腱/肩袖重建修复治疗的韧带再生支架及其制备方法，特别涉及一种具有梯度诱导活性的高稳定韧带再生支架及其制备方法，属于生物医用纺织品制备技术领域。

背景技术

前十字交叉韧带是人膝关节内重要的韧带结构，由滑膜组织包绕，连接股骨与胫骨，主要功能是控制膝关节旋转和侧方运动，防止股骨后移或胫骨过度前移，维持膝关节稳定。在日常活动和体育运动中，复杂和突然的受力经常导致前交叉韧带损伤。前交叉韧带为致密结缔组织，血管化有限，损伤后难以内源性愈合，因此85％的前交叉韧带撕裂都需要通过手术进行重建。

前交叉韧带重建常使用的移植物包括自体肌腱、异体肌腱和人工韧带移植。自体移植为韧带重建的“金标准”，多使用自体骨-髌腱-骨、腘绳肌腱、股四头肌腱-髌骨以及髂胫束，其具有优异的生物相容性，无免疫排斥反应，但存在供区并发症、取材有限等固有缺陷。异体移植伴随着包括免疫排斥、疾病传播、高再破裂率以及供体和受体之间年龄、性别和体重不匹配等问题，在使用中受到限制。人工韧带，包括Gore Tex假体、Stryker-Dacron韧带和Kennedy韧带增强装置(LAD)等移植物，表现出优异的短期效果，但由于机械性能不匹配，耐磨性差，疲劳失效率高以及移植物和宿主组织之间的有限整合，长期临床结果很差。目前，比较常见的方法是在材料表面进行生物活性涂层，如羟基磷灰石(HA)、生物玻璃、丝蛋白等。同时，如何提高涂层的耐疲劳性和均匀性也是急需解决的难点。前交叉韧带的独特机械特性和无法内源性愈合是诱导前交叉韧带组织再生的关键挑战。目前，基于无机涂层材料均匀分布于基材本体、可通过愈合周期需求缓释，且降解缓释过程中依然维持良好结构稳定性的具有梯度诱导活性的高稳定韧带再生支架尚未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：制备一种具有梯度诱导活性的高稳定韧带再生支架，该支架具有良好的结构稳定性和梯度诱导活性。

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有梯度诱导活性的韧带再生支架，其特征在于，所述支架沿长度方向设有肌腱/韧带软组织段，肌腱/韧带软组织段的一端或两端均设有骨隧道段，肌腱/韧带软组织段与骨隧道段之间设有移行段；所述支架由可降解复合纱线或其与可降解单组分纱线织造而成，并通过梯度浸渍-热熔处理在骨隧道段、移行段获得不同无机活性成分浓度的梯度诱导涂层，同时在骨隧道段形成规律性粘合加固，骨隧道段的无机活性成分浓度比移行段高；所述可降解复合纱线由至少两种熔点不同的纱线编织而成，其中，较高熔点的纱线形成编织结构。

优选地，所述支架由可降解复合纱线与可降解单组分纱线织造而成时，所述可降解单组分纱线的熔点高于可降解复合纱线中较低熔点纱线的熔点，所述支架通过梯度浸渍-热熔处理后仅可降解复合纱线中较低熔点纱线熔融。

更优选地，所述可降解单组分纱线为PLLA、PCL、PGA、PGLA、PGCL、PPDO和P4HB中的任意一种；所述可降解单组分纱线的单丝直径为0.05～0.5mm。

优选地，所述可降解复合纱线通过在二向编织成型中采用较低熔点的壳纱和较高熔点核纱获得；或在三向编织成型中采用较高熔点的编织纱线，引入较低熔点的轴纱获得；或在加捻成型中采用较低熔点壳纱和较高熔点核纱获得。

优选地，所述的无机活性成分成分包括纳米羟基磷灰石、纳米β-TCP、介孔二氧化硅和生物玻璃中的任意一种。

优选地，所述支架的宽度为1～10mm，每段骨隧道段的长度为5～40mm，每段移行段的长度为1～3mm，肌腱/韧带软组织段的长度为5～30mm。

本发明还提供了上述具有梯度诱导活性的韧带再生支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：制备可降解复合纱线；

步骤2)、制备支架预成体：采用编织或机织一体成型技术，将可降解复合纱线或可降解复合纱线与可降解单组分纱线进行上机织造，得到支架预成体；

步骤3)：将步骤2)制得的支架预成体清洗、烘干，备用；

步骤4)、梯度浸渍-热熔处理：将支架预成体的骨隧道段于无机活性成分溶液中浸渍4～12小时，再将骨隧道段和移行段同时放入前述无机活性成分溶液中进行相同时间浸渍处理；将浸渍后的支架预成体置于可降解复合纱线的熔融梯度范围内进行恒温热熔处理，使可降解复合纱线中较低熔点的纱线熔融，带动位于纱线表层的无机活性成分均匀渗透入可降解复合纱线本体内部，同时互相接触的可降解复合纱线的交织点处、可降解复合纱线与可降解纱线的交织点处形成规律性粘合加固；冷却；

步骤5)：将步骤4)得到的支架清洗、烘干、灭菌即可。

优选地，所述步骤1)具体为以下方法中的任意一种：

方法一：采用二向编织成型工艺，选用较低熔点壳纱和较高熔点核纱，获得壳纱两上两下或一上一下绕核纱正反对称交错交织的可降解复合纱线；

方法二：采用三向编织成型工艺，选用较高熔点的编织纱线，同时引入较低熔点的轴纱，获得编织纱线两上两下或一上一下交织、轴纱沿轴向交织的可降解复合纱线；

方法三、采用加捻成型工艺，选用较低熔点壳纱和较高熔点核纱，获得壳纱绕核纱呈“S”捻或“Z”捻包覆的可降解复合纱线。

优选地，所述步骤3)、步骤5)中的清洗采用体积浓度75％的乙醇，烘干温度为37℃；所述步骤5)中的灭菌采用环氧乙烷。

优选地，所述步骤4)中无机活性成分溶液的浓度为0.5～50mg/mL，所用溶剂为去离子水、乙醇或PBS缓冲液；所述恒温热熔处理的温度为90～190℃，时间为10～60min。

相比于未进行热熔处理形成粘合结构的支架，所述高稳定支架体外5000次循环拉伸强力衰减率降低20～70％，支架疲劳性能得到显著改善。所述支架和普通PET支架与成骨细胞体外培养结果显示，具有梯度活性的支架上可观察到更多的细胞增殖，且细胞铺展性良好，细胞活力提高20～50％，同时可有效促进骨特异性蛋白(骨形态发生蛋白、碱性磷酸酶、胶原蛋白等)的表达。

本发明旨在制备一种具有梯度诱导活性的高稳定韧带再生支架及其制备方法，所述支架由单组份可降解纱线和具有熔融梯度的多组分可降解复合纱线通过新型多维多重纺织成型技术织造，并借助梯度浸渍-热熔处理获得具有强持久性及耐疲劳性的梯度诱导涂层，同时在支架骨隧道段形成高稳定的规律性粘合加固。

本发明与现有技术相比：

①授权号为CN104117095B的发明专利提供了一种锶/丝蛋白仿生涂层修饰人工韧带的制备方法，通过将等离子体处理过的PET人工韧带浸渍于含锶的丝蛋白混合液中，以丝蛋白作为矿化模板，在人工韧带表面进行锶仿生丝蛋白复合涂层修饰，改善人工韧带在体内应用存在的腱骨愈合差的问题。该专利虽在PET表面形成了仿生矿化复合涂层，但涂层物质只是简单涂覆于材料表面，难以实现活性物质于韧带本体内的均匀分布，且涂层牢度及释放时间难以保证。

②授权号为CN108066048B的发明专利提供了一种热粘合复合结构可降解管腔支架及其制备方法，利用具有熔融梯度的编织纱和可降解高分子丝线构建编织管腔支架，热处理后形成规律性粘结交织点。该发明可通过调整编织纱排布形成具有不同规律交织点的支架，提高管状支架的径向支撑力，但该发明构建具有熔融梯度编织纱的方法为采用芯层高熔点壳层低熔点纱线排布，这与本专利中构建具有熔融梯度可降解复合纱线的三种成型方法不同；且该专利通过热熔处理仅实现了粘合加固效果，这与本发明利用热熔处理实现粘合加固同时获得无机活性成分均匀渗透入支架本体的效果不同。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出了一种生物活性支架制备方法，基于韧带/肌腱/肩袖愈合需求，对支架骨隧道段和移行段进行了梯度涂层处理；同时恒温热熔处理使可降解复合纱线中相对低熔点纱线发生熔融和粘性流动，带动位于可降解复合纱线表层的无机活性成分均匀渗透入可降解复合纱线本体内部。相较于简单浸渍涂层，无机活性颗粒负载牢度、负载均匀度和负载量得到改善。

(2)本发明所制备的具有梯度诱导活性的高稳定韧带再生支架，可在纱线交织点处形成有序粘合点加固，提高支架结构稳定性，避免植入后支架中纱线因受力发生横向滑移而引起的疲劳失效，改善支架疲劳性能。

(3)本发明将活性成分引入支架中可降解复合纱线本体壳层，可根据愈合周期需求选择合适降解周期的可降解单丝原料作为可降解复合纱线中低熔点材料，植入后随着低熔点材料的逐渐降解达到活性成分在体内的控释效果，同时支架整体结构依然保持稳定。

附图说明

图1为本发明提供的具有梯度诱导活性的高稳定韧带再生支架的示意图；

图2为可降解复合纱线经梯度浸渍-热熔后截面示意图；

图3为实施例1中可降解复合纱线的结构示意图；

图4为实施例2中可降解复合纱线的结构示意图；

图5为实施例3中可降解复合纱线的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，为实施例1-3提供的一种具有梯度诱导活性的韧带再生支架，所述支架沿长度方向设有肌腱/韧带软组织段Ⅲ，肌腱/韧带软组织段Ⅲ的一端或两端均设有骨隧道段Ⅰ，骨隧道段Ⅰ与肌腱/韧带软组织段Ⅲ之间设有移行段Ⅱ；所述支架由可降解复合纱线或其与可降解单组分纱线织造而成，并通过梯度浸渍-热熔处理在骨隧道段Ⅰ、移行段Ⅱ获得不同无机活性成分浓度的梯度诱导涂层，同时在骨隧道段Ⅰ形成规律性粘合加固，骨隧道段Ⅰ的无机活性成分浓度比移行段Ⅱ高；所述可降解复合纱线由至少两种熔点不同的纱线编织而成，其中，较高熔点的纱线形成编织结构。所述支架的宽度为1～10mm，每段骨隧道段(Ⅰ)的长度为5～40mm，每段移行段(Ⅱ)的长度为1～3mm，肌腱/韧带软组织段(Ⅲ)的长度为5～30mm。

所述支架由可降解复合纱线与可降解单组分纱线织造而成时，所述可降解单组分纱线的熔点高于可降解复合纱线中较低熔点纱线的熔点，所述支架通过梯度浸渍-热熔处理后仅可降解复合纱线中较低熔点纱线熔融。所述可降解单组分纱线为PLLA、PCL、PGA、PGLA、PGCL、PPDO和P4HB中的任意一种；所述可降解单组分纱线的单丝直径为0.05～0.5mm。

所述的无机活性成分成分包括纳米羟基磷灰石、纳米β-TCP、介孔二氧化硅和生物玻璃中的任意一种。

上述具有梯度诱导活性的韧带再生支架的制备方法：

步骤1)：制备可降解复合纱线；

步骤2)、制备支架预成体：采用编织或机织一体成型技术，将可降解复合纱线或可降解复合纱线与可降解单组分纱线进行上机织造，得到支架预成体；

步骤3)：将步骤2)制得的支架预成体采用体积浓度75％的清洗、37℃烘干，备用；

步骤4)、梯度浸渍-热熔处理：将支架预成体的骨隧道段Ⅰ于无机活性成分溶液中浸渍4～12小时，再将骨隧道段Ⅰ和移行段Ⅱ同时放入前述无机活性成分溶液中进行相同时间浸渍处理；将浸渍后的支架预成体置于可降解复合纱线的熔融梯度范围内进行恒温热熔处理，使可降解复合纱线中较低熔点的纱线熔融，带动位于纱线表层的无机活性成分均匀渗透入可降解复合纱线本体内部，同时互相接触的可降解复合纱线的交织点处、可降解复合纱线与可降解纱线的交织点处形成规律性粘合加固；冷却；无机活性成分溶液的浓度为0.5～50mg/mL，所用溶剂为去离子水、乙醇或PBS缓冲液；所述恒温热熔处理的时间为10～60min；

步骤5)：将步骤4)得到的支架采用体积浓度75％的清洗、37℃烘干、环氧乙烷灭菌处理即可。

实施例1

一种具有梯度诱导活性的韧带再生支架的制备方法：

步骤1：制备多组分可降解复合纱线：采用二向编织成型工艺，壳纱选用PCL单丝3-a，核纱选用PGCL单丝3-b，获得PCL单丝绕PGCL单丝正反对称交错、PCL单丝两上两下交织的可降解复合纱线备用，如图3所示；

步骤2：制备支架预成体：采用机织一体成型技术，经纱采用PGCL纱线，纬纱采用步骤1所得可降解复合纱线，进行上机织造，得到支架预成体；

步骤3：将步骤2制得的支架预成体用75％乙醇清洗后37℃烘干，备用；

步骤4：梯度浸渍-热熔处理：将50mg的纳米羟基磷灰石颗粒加入到100mL的去离子水中，超声分散60分钟，得到纳米羟基磷灰石溶液；将步骤3得到的支架预成体骨隧道段于纳米羟基磷灰石溶液中浸渍12小时，再将骨隧道段和移行段同时放入浸渍12小时；进一步地，将梯度浸渍后的支架预成体两端固定，置于恒温热流环境中，温度90℃，处理时间1小时，使可降解复合纱线中PCL纱线聚集态结构中非晶区大分子链软化滑移，表观上发生熔融和粘性流动，互相接触的可降解复合纱线交织点处及可降解复合纱线与单组份可降解纱线交织点处形成规律性粘合加固，非交织点处可降解复合纱线中PCL熔融带动位于可降解复合纱线表层的纳米羟基磷灰石颗粒粘性流动，均匀渗透入可降解复合纱线本体内部；经冷却得到具有良好结构稳定性、纳米羟基磷灰石颗粒均匀分散的具有梯度诱导活性的高稳定韧带再生支架；经梯度浸渍-热熔后，可降解复合纱线的界面如图2所示，低熔点材料2-a经恒温热处理后熔融；热处理后无机活性颗粒2-c随低熔点材料2-a熔融流动均匀渗透入高熔点材料2-b形成的纱线本体结构内部；

步骤5：后处理：将步骤4得到的支架预成体用75％乙醇清洗后37℃烘干，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，最终得到一种具有梯度诱导活性的高稳定韧带再生支架。

相比于未进行热熔处理形成粘合结构的支架，所述高稳定支架体外5000次循环拉伸强力衰减率降低40～70％，支架疲劳性能得到显著改善。所述支架和普通PET韧带与成骨细胞体外培养结果显示，具有梯度活性的支架上可观察到更多的细胞增殖，且细胞铺展性良好，细胞活力提高20％，同时可有效促进骨特异性蛋白(骨形态发生蛋白、碱性磷酸酶、胶原蛋白等)的表达。

实施例2

步骤1：制备多组分可降解复合纱线：采用三向编织成型工艺，选用PLLA单丝4-a作为编织纱线，同时引入PPDO单丝4-b作为轴纱，获得PLLA单丝两上两下交织、PPDO沿可降解复合纱线轴向交织的可降解复合纱线，如图4所示；

步骤2：制备支架预成体：采用机织一体成型技术，经纱采用PLLA单丝，纬纱采用步骤1所得可降解复合纱线与PLLA单丝按照1:1数量比间隔配置，进行上机织造，得到支架预成体；

步骤3：将步骤2制得的支架预成体用75％乙醇清洗后37℃烘干，备用；

步骤4：梯度浸渍-热熔处理：将1g的纳米β-TCP颗粒加入到100mL的去离子水中，超声分散60分钟，得到纳米β-TCP溶液；将步骤3得到的支架预成体骨隧道段纳米β-TCP溶液中浸渍12小时，再将骨隧道段和移行段同时放入浸渍12小时；进一步地，将梯度浸渍后的支架预成体两端固定，置于恒温热流环境中，温度140℃，处理时间10min，使可降解复合纱线中PPDO纱线聚集态结构中非晶区大分子链软化滑移，表观上发生熔融和粘性流动，互相接触的可降解复合纱线交织点处及可降解复合纱线与单组份可降解纱线交织点处形成规律性粘合加固，非交织点处可降解复合纱线中PPDO熔融带动位于可降解复合纱线表层的纳米β-TCP颗粒粘性流动，均匀渗透入可降解复合纱线本体内部；经冷却得到具有良好结构稳定性、纳米β-TCP颗粒均匀分散的具有梯度诱导活性的高稳定韧带再生支架；

步骤5：后处理：将步骤4得到的支架预成体用75％乙醇清洗后37℃烘干，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，最终得到一种具有梯度诱导活性的高稳定韧带再生支架。

相比于未进行热熔处理形成粘合结构的支架，所述高稳定支架体外5000次循环拉伸强力衰减率降低20～40％，支架疲劳性能得到显著改善。所述支架和普通PET韧带与成骨细胞体外培养结果显示，具有梯度活性的支架上可观察到更多的细胞增殖，且细胞铺展性良好，细胞活力提高40％，同时可有效促进骨特异性蛋白(骨形态发生蛋白、碱性磷酸酶、胶原蛋白等)的表达。

实施例3

步骤1：制备多组分可降解复合纱线：采用加捻成型工艺，壳纱选用PCL单丝5-a，核纱选用PLLA单丝5-b，获得PCL单丝绕PLLA单丝呈“S”捻包覆的可降解复合纱线，如图4所示；

步骤2：制备支架预成体：采用编织一体成型技术，PLLA单丝与可降解复合纱线装锭比为3:1，进行上机织造，得到支架预成体；

步骤3：将步骤2制得的支架预成体用75％乙醇清洗后37℃烘干，备用；

步骤4：梯度浸渍-热熔处理：将5g的介孔生物玻璃(MBG)颗粒加入到100mL的去离子水中，超声分散60分钟，得到MBG溶液；将步骤3得到的支架预成体骨隧道段于MBG溶液中浸渍4小时，再将骨隧道段和移行段同时放入上述MBG溶液中浸渍4小时；进一步地，将梯度浸渍后的支架预成体两端固定，置于恒温热流环境中，温度90℃，处理时间1小时，使可降解复合纱线中PCL纱线聚集态结构中非晶区大分子链软化滑移，表观上发生熔融和粘性流动，互相接触的可降解复合纱线交织点处及可降解复合纱线与单组份可降解纱线交织点处形成规律性粘合加固，非交织点处可降解复合纱线中PCL熔融带动位于可降解复合纱线表层的MBG颗粒粘性流动，均匀渗透入可降解复合纱线本体内部；经冷却得到具有良好结构稳定性、MBG颗粒均匀分散的具有梯度诱导活性的高稳定韧带再生支架；

步骤5：后处理：将步骤4得到的支架预成体用75％乙醇清洗后37℃烘干，然后进行环氧乙烷灭菌处理24小时，最终得到一种具有梯度诱导活性的高稳定韧带再生支架。

相比于未进行热熔处理形成粘合结构的支架，所述高稳定支架体外5000次循环拉伸强力衰减率降低30～50％，支架疲劳性能得到显著改善。所述支架和普通PET韧带与成骨细胞体外培养结果显示，具有梯度活性的支架上可观察到更多的细胞增殖，且细胞铺展性良好，细胞活力提高50％，同时可有效促进骨特异性蛋白(骨形态发生蛋白、碱性磷酸酶、胶原蛋白等)的表达。