[發(fā)明專利]一種基于氣動(dòng)精準(zhǔn)控制活性軟骨支架的連續(xù)梯度化仿生制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110487221.6
• 申請(qǐng)日: 2021-05-05
• 公開（公告）號(hào): CN113172880B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏慶華;孫道岑;汪焰恩;盧婷利;張映鋒;張衛(wèi)紅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B29C64/124
• 分類號(hào): B29C64/124;B29C64/236;B29C64/194;B29C64/386;B29C64/35;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/00;B33Y40/20;B33Y50/00;B33Y70/00;C12N5/077
• 代理公司: 西安匠星互智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 61291
• 代理人: 陳星

本發(fā)明提出一種基于氣動(dòng)精準(zhǔn)控制活性軟骨支架的連續(xù)梯度化仿生制造方法，基于海藻酸鈉SA離子交聯(lián)與明膠Gel低溫凝固成形機(jī)理，以SA、Gel、羥基磷灰石HA和軟骨細(xì)胞懸浮液為支架基體材料，根據(jù)天然軟體組織形態(tài)特征，采用基于高壓可控氣體的擠壓沉積3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌活細(xì)胞三維軟體支架的制備；制備過程中通過對(duì)不同料筒所施壓力的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)組分含量的精準(zhǔn)可控，而后經(jīng)動(dòng)態(tài)混合噴頭實(shí)現(xiàn)不同組分材料的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)混合及連續(xù)梯度鋪放，并在CaCl₂溶液及低溫平臺(tái)的共同作用下使支架交聯(lián)成。解決了現(xiàn)有軟骨支架材料濃度單一，分層結(jié)構(gòu)中各層材料成分單一等與天然軟骨連續(xù)梯度的解剖學(xué)特性不符的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于軟骨組織工程領(lǐng)域，具體涉及一種基于氣動(dòng)精準(zhǔn)控制活性軟骨支架的連續(xù)梯度化仿生制造方法。

背景技術(shù)

關(guān)節(jié)軟骨缺損是骨關(guān)節(jié)臨床常見病之一，由于軟骨細(xì)胞增殖能力差，損傷后無法通過自身軟骨細(xì)胞增殖修復(fù)創(chuàng)面，致使各種損傷、炎癥和退行性病變均可引起不可逆性軟骨缺損。傳統(tǒng)的治療方案主要有兩種，一種是自體骨移植，但會(huì)造成新的創(chuàng)傷，容易引發(fā)供體組織并發(fā)癥；另一種是異體骨移植，但容易引起免疫排斥反應(yīng)，存在從供體傳染疾病的危險(xiǎn)。近年來，3D打印組織工程軟骨支架的出現(xiàn)為臨床關(guān)節(jié)軟骨的缺損修復(fù)帶了曙光。

當(dāng)前3D打印技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了軟骨支架外形的可控制造，在工藝原理上滿足了制備軟骨支架的要求。但是天然關(guān)節(jié)軟骨具有復(fù)雜的連續(xù)梯度化層狀結(jié)構(gòu)，目前的制造技術(shù)還只是停留在單一濃度的水凝膠軟骨支架研究上，已有的層狀多級(jí)結(jié)構(gòu)軟骨支架也僅僅只是簡(jiǎn)單分幾個(gè)梯度來制造，每一層的成分含量是單一的，層與層之間存在明顯的界線。這與天然軟骨結(jié)構(gòu)、成分、性能的連續(xù)梯度解剖學(xué)特性還存在一定差距。

海藻酸鈉(SA)是從海藻中分離的多糖聚合物，有較好的細(xì)胞相容性和生物降解性并且交聯(lián)方式簡(jiǎn)單，當(dāng)其與鈣離子(Ca²⁺)接觸時(shí)，可瞬時(shí)凝膠化形成不可逆的海藻酸鈣水凝膠，但是單一的海藻酸鈉水凝膠存在很多缺點(diǎn)，比如力學(xué)強(qiáng)度低，細(xì)胞的附著點(diǎn)相對(duì)較少，打印一段時(shí)間后海藻酸鈉凝膠收縮嚴(yán)重，不能很好地成型，所以需要其他高分子生物材料對(duì)海藻酸鈉進(jìn)行改性。

明膠(Gel)是通過膠原蛋白的三重螺旋結(jié)構(gòu)水解形成的單鏈分子，是一種來源豐富的天然高分子材料。明膠具有很多優(yōu)點(diǎn)，其表面活性強(qiáng)，溫度敏感性高，且有良好的親水性能和生物相容性，易于降解吸收，并可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖及維持其表型表達(dá)，具有誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的作用。此外明膠不會(huì)與氯化鈣發(fā)生反應(yīng)，和海藻酸鈉共混后會(huì)產(chǎn)生分子間作用力，進(jìn)而提高材料機(jī)械強(qiáng)度，是構(gòu)建軟骨的理想材料。

羥基磷灰石(HA)是脊椎動(dòng)物骨骼和牙齒礦物質(zhì)的主要無機(jī)成分，具有良好的生物相容性、生物降解性與生物活性。大量的科學(xué)研究表明，羥基磷灰石材料對(duì)骨缺損區(qū)有較好的修復(fù)效果，因此HA作為人工骨材料在骨缺損修復(fù)上得到廣泛應(yīng)用。將HA引入到水凝膠基質(zhì)中，不僅可以提升水凝膠的拉伸與壓縮性能，更有助于改善水凝膠表面光滑與粘附性差等不足。

近年來，通過傳統(tǒng)組織工程和生物3D打印方法來制備仿生軟骨支架的論文和專利屢見不鮮，但在成分、結(jié)構(gòu)、細(xì)胞濃度及力學(xué)性能方面實(shí)現(xiàn)梯度化軟骨支架仿生制造的研究未見報(bào)道。

公開號(hào)為CN105031724A的專利公開了“一種組織工程軟骨支架及其制備方法”，該方法以Ⅱ型膠原蛋白、透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素和羥基磷灰石為基體材料，通過3D打印機(jī)得到初級(jí)CII-HA-CS-HAP三維軟骨支架，然后利用EDC/NHS系統(tǒng)將初級(jí)CII-HA-CS-HAP三維軟骨支架進(jìn)行交聯(lián)，再冷凍干燥得到最終的CII-HA-CS-HAP三維軟骨支架。該制備方法流程簡(jiǎn)單，所制備的軟骨支架具有生物相容性好，毒性低等優(yōu)點(diǎn)，但該方法僅以單一濃度成型材料構(gòu)成軟骨支架，支架的力學(xué)性能較差，且單一梯度的結(jié)構(gòu)與天然軟骨連續(xù)梯度的結(jié)構(gòu)不符。