一种椎间盘纤维环组织工程支架的制备方法

摘要

本发明公开一种椎间盘纤维环组织工程支架的制备方法，属于生物医学材料技术应用领域。本发明采用生物相容性良好的可降解生物材料魔芋葡甘聚糖（KGM）、明胶（Gelatin）和纳米羟基磷灰石（Nano HAP）为基本原料，利用湿法纺丝技术，以乙醇和丙三醇为固化剂进行固化，固化后先在乙醇和氨水组成的交联剂中进行初步交联，后在碱液中进一步交联，再经冷冻干燥，制得各向异性的椎间盘纤维环组织工程支架。该支架的制备方法使产品具有结构高度仿真、各向异性、孔隙率高、尺寸形状可任意设计、降解速率可调等优势；经该方法制备出的椎间盘纤维环组织工程支架作为椎间盘纤维环修复材料具有良好的应用前景。

权利要求

1.一种椎间盘纤维环组织工程支架的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）纺丝原液的配制：将魔芋葡甘聚糖、明胶、纳米羟基磷灰石溶于蒸馏水中制备得到纺丝原液，纺丝原液中魔芋葡甘聚糖浓度为10 30g/L，明胶浓度为0 30g/L，纳米羟基磷灰~ ~石浓度为0 20g/L；

~

（2）湿法纺丝：将纺丝原液倒入喷丝设备中，喷丝设备的喷头放入固化液中，喷丝设备在喷丝过程中按设定的轨迹运动，喷出的纺丝原液在固化液中固化为丝状，随着丝状纤维的堆积，需及时更换新的固化液，以确保原液及时固化；

（3）纤维环的交联：待原液完全挤出，取出凝固的初生纤维环，浸没于交联液中10 12小~时，取出后再将其放入碱液中，70 90℃水浴加热8 12小时；水浴加热结束，将纤维环取出冷~ ~却至室温，并用蒸馏水浸泡充分除碱；

（4）冷冻干燥：将除碱后的纤维环样品取出，在-18 -40℃的条件下冷冻24小时以上，然~后对样品进行冷冻干燥直至样品水分完全挥发，得到干燥的椎间盘纤维环组织工程支架。

2.根据权利要求1所述的椎间盘纤维环组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述固化液为乙醇或者乙醇和丙三醇的混合溶液，其中，混合溶液中丙三醇的体积分数小于等于

10%。

3.根据权利要求1所述的椎间盘纤维环组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述交联液为乙醇与氨水的混合液，其中，乙醇与氨水的体积比为2:1 3:1。

~

4.根据权利要求1所述的椎间盘纤维环组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述碱液为氨水。

5.根据权利要求1所述的椎间盘纤维环组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述纺丝原液的配制，具体包括以下步骤：将明胶加入蒸馏水中静置2 12h，然后水浴~加热至40 60℃，充分搅拌至明胶完全溶解；然后加入纳米羟基磷灰石粉体，继续搅拌直至~羟基磷灰石粉体在溶液中形成均匀悬浮状态，加入魔芋葡甘聚糖粉末搅拌至魔芋葡甘聚糖粉末与悬浮液充分混合，密封后置于700W功率的微波炉中加热20 30s，加热完成后取出冷~却至室温得到纺丝原液。

6.根据权利要求1所述的椎间盘纤维环组织工程支架的制备方法，其特征在于：喷丝设备在喷丝过程中由数控设备控制其精确运动。

7.根据权利要求1所述的椎间盘纤维环组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述喷丝设备的喷头的直径为0.5 1mm。

~

说明书

一种椎间盘纤维环组织工程支架的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种椎间盘纤维环组织工程支架的制备方法，属于生物医学材料技术应用领域。

背景技术

[0002] 椎间盘退变性疾病是当今社会中的一种常见疾病。在美国，仅次于上呼吸道感染而居第二位，是导致劳动力丧失的主要原因之一；亚洲国家如中国因为体力劳动者较多，发病率更高。随着我国老龄化进程的发展，椎间盘退变性疾病越来越成为严重影响人们工作生活的疾病。组织工程技术的出现为椎间盘疾病的治疗提供了新的思路和方法，有望为椎间盘修复或置换提供永久替代产品。其中，纤维环的再生修复是椎间盘组织工程首先要解决的问题，只有纤维环得到修复才能让髓核组织保持在椎间隙，进而对退变髓核实施下一步治疗。

[0003] 近年来，用于构建纤维环组织工程支架的材料和方法研究较多。如静电纺丝纳米支架，虽然孔隙率高，但其力学性能是各向同性的，与天然纤维环不符，且其生产效率太低；取向性藻酸盐/壳聚糖复合支架，其力学性能与天然纤维环相差甚远；聚己酸内酯苹果酸三醇/脱钙骨基质明胶双相纤维环支架，双相支架的内外层结合不牢、容易脱落，且生物相容性差；国内徐宝山等用猪的纤维环脱细胞基质作为纤维环支架，存在的问题在于支架形状、大小、降解速率无法随意控制。因此，寻找新的纤维环组织工程支架材料和制备方法是椎间盘再生修复领域亟需解决的问题。

[0004] 本发明所采用的材料配方为魔芋葡甘聚糖、明胶和纳米羟基磷灰石，均无毒性且具有良好的生物相容性。魔芋葡甘聚糖力学性能好，降解速率偏慢；明胶力学性能差，降解速率偏快；通过改变二者的配比，可以按需控制支架的降解速率。纳米羟基磷灰石在支架中起到增强相的作用。本发明采用湿法纺丝法制备的纤维环支架，形状、尺寸可调，并且具有各向异性的结构特点和力学性能，能够满足纤维环抗一定张力的要求，在结构上具有高仿真性。本发明制备的纤维环由细丝按照一定取向堆积而成，孔隙率高，能够满足组织工程支架材料对孔径和孔隙率的要求。该支架在椎间盘再生修复领域具有良好的应用前景。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是现有纤维环支架结构仿真度不高、降解速率不可控、力学性能不具备各向异性等问题。

[0006] 本发明的目的在于提供一种椎间盘纤维环组织工程支架的制备方法，具体包括以下步骤：

[0007] （1）纺丝原液的配制：将魔芋葡甘聚糖、明胶、纳米羟基磷灰石溶于蒸馏水中制备得到纺丝原液，纺丝原液中魔芋葡甘聚糖浓度为10 30g/L，明胶浓度为0 30g/L，纳米羟基~ ~磷灰石浓度为0 20g/L；
~

[0008] （2）湿法纺丝：将纺丝原液倒入喷丝设备中，喷丝设备的喷头放入固化液中，喷丝设备在喷丝过程中按设定的轨迹运动，喷出的纺丝原液在固化液中固化为丝状，随着丝状纤维的堆积，需及时更换新的固化液，以确保原液及时固化；

[0009] （3）纤维环的交联：待原液完全挤出，取出凝固的初生纤维环，浸没于交联液中10~12小时，取出后再将其放入碱液中，70 90℃水浴加热8 12小时；水浴加热结束，将纤维环取~ ~
出冷却至室温，并用蒸馏水浸泡充分除碱；

[0010] （4）冷冻干燥：将除碱后的纤维环样品取出，在-18 -40℃的条件下冷冻24小时以~上，然后对样品进行冷冻干燥直至样品水分完全挥发，得到干燥的椎间盘纤维环组织工程支架。

[0011] 本发明所述固化剂为乙醇或者乙醇和丙三醇的混合溶液，其中，混合溶液中丙三醇的体积分数小于等于10%。

[0012] 本发明所述交联液为乙醇与氨水的混合液，其中，乙醇与氨水的体积比为2:1 3:~
1。

[0013] 本发明所述碱液为市售氨水。

[0014] 本发明所述纺丝原液的配制，具体包括以下步骤：将明胶加入蒸馏水中静置2~12h，然后水浴加热至40 60℃，充分搅拌至明胶完全溶解；然后加入纳米羟基磷灰石粉体，~
继续搅拌直至羟基磷灰石粉体在溶液中形成均匀悬浮状态，加入魔芋葡甘聚糖粉末搅拌至魔芋葡甘聚糖粉末与悬浮液充分混合，密封后置于700W功率的微波炉中加热20 30s，加热~
完成后取出冷却至室温得到纺丝原液。

[0015] 喷丝设备在喷丝过程中按设定的轨迹运动，喷丝设备的运动由数控设备精确控制，常规的数控设备只要能实现控制喷丝设备按设定的轨迹运动均可以用于本发明，例如激光切割机。

[0016] 优选的，本发明所述喷丝设备的喷头的直径为0.5 1mm。~

[0017] 本发明所述魔芋葡甘聚糖和明胶均属于天然高分子材料，无细胞毒性，具有良好的生物相容性，且来源广泛，价格低廉。魔芋葡甘聚糖力学性能好，降解速率偏慢；明胶力学性能差，降解速率偏快；通过改变二者的配比，可以按需控制支架的降解速率；适量添加的纳米羟基磷灰石在支架中起到增强相的作用；采用湿法纺丝法将魔芋葡甘聚糖、明胶和纳米羟基磷灰石材料制备成丝状，并且利用数控设备的精确运动，将细丝堆积成任意设计的形状。由于丝与丝之间的结合力不强，初生纤维环还需要后期的交联。魔芋葡甘聚糖在碱性溶液环境中可以发生脱乙酰基作用，从而产生交联，并且这种交联是热不可逆的，非常稳定。利用魔芋葡甘聚糖的这一特性，后期采用碱液浸泡加热进行交联，提高了纤维环的强度。

[0018] 本发明所述纺丝原液经固化剂固化成丝状，形成初生纤维环支架。之后，还需在交联剂中进行交联，以提高纤维环的强度；由于原材料中含有魔芋葡甘聚糖成分，因此利用魔芋葡甘聚糖在碱性环境中可发生脱乙酰基反应并产生交联这一特性，对初生纤维环支架进行交联；如果直接将初生纤维环支架放入碱液中进行交联则会出现纤维环溶胀并溶解的现象，会破坏纤维环支架的结构。因此，交联过程应分为两个步骤，先是初步交联，然后是后期交联。初步交联的交联剂配方是乙醇与氨水的混合液，其中，乙醇与氨水的体积比是2:1 3:~
1；后期交联的交联剂为氨水。

[0019] 本发明的有益效果：

[0020] （1）本发明所用原料魔芋葡甘聚糖、明胶和纳米羟基磷灰石均无细胞毒性，具有良好的生物相容性，并且通过改变魔芋葡甘聚糖和明胶的配比，使支架的降解速率可调。

[0021] （2）本发明所述方法制备得到的椎间盘纤维环支架细丝的直径可调，通过改变纺丝原液挤出设备喷丝孔的直径即可实现。

[0022] （3）本发明使用数控设备精确控制丝的堆积，堆积方式可通过数控编程控制喷丝孔的走向精确实现，因此，该方法可制备任意形状、尺寸的纤维环支架，以适应不同人群不同部位椎间盘纤维环的再生修复。

[0023] （4）本发明制备的纤维环支架是对天然椎间盘纤维环的高度仿真，具有各向异性的结构和力学特征，能够承受一定的压力和张力；另外，纤维环由细丝堆积而成，因而具备较高的孔隙率，有利于细胞的黏附生长。

附图说明

[0024] 图1为该椎间盘纤维环组织工程支架的制备工艺流程图；

[0025] 图2为实施例3得到的纤维环支架的红外光谱图；

[0026] 图3为实施例3得到的纤维环支架的粉末X射线衍射图；

[0027] 图4为实施例4得到的纤维环支架的扫描电子显微镜照片；

[0028] 图5为本发明实施例1 6所用装置。~

[0029] 图中：1-固化装置；2-固化剂；3-初生纤维环支架；4-喷头；5-纺丝原液；6-喷丝装置；7-数控设备；8-软管；9-空气泵。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

[0031] 本发明实施例1 6所用装置如图5所示，包括固化装置1、喷头4、纺丝原液5、喷丝装~置6、激光切割机7、软管8、空气泵9，空气泵9通过软管8与喷丝装置6连接，喷丝装置6下面设有喷头4；喷丝装置6固定在激光切割机7设备上，喷丝装置6的下方设有固化装置1，固化装置1内装有固化剂。

[0032] 使用时，空气泵9推动喷丝装置6将纺丝原液挤出成液态细流，随后在固化装置的固化液中固化成丝状；激光切割机7控制喷丝装置6运动将挤出的丝按需排列成设计好的形状。

[0033] 实施例1

[0034] （1）纺丝原液的配制：将魔芋葡甘聚糖加入蒸馏水中在转速为1400r/min的条件下搅拌15min，然后密封置于700W的微波炉中加热22s，加热完成后取出冷却至室温得到纺丝原液，纺丝原液中魔芋葡甘聚糖浓度20g/L；

[0035] （2）湿法纺丝：将纺丝原液倒入喷丝设备（60mL医用注射器）中，喷丝设备的喷头放入固化液中，喷丝设备在喷丝过程中按设定的轨迹运动，喷出的纺丝原液在固化液中固化为丝状，随着丝状纤维的堆积，需及时更换新的固化液（所述固化液为乙醇和丙三醇的混合溶液，其中，混合溶液中丙三醇的体积分数为10%），以确保原液及时固化；

[0036] （3）纤维环的交联：待原液完全挤出，取出凝固的初生纤维环，浸没于交联液（所述交联液为乙醇与氨水的混合液，其中，乙醇与氨水的体积比为2:1）中10小时，取出后再将其放入碱液（氨水）中，75℃水浴加热9小时；水浴加热结束，将纤维环取出烧杯冷却至室温，并用蒸馏水浸泡充分除碱；

[0037] （4）冷冻干燥：将除碱后的纤维环样品取出，在-22℃的条件下冷冻24小时以上，然后对样品进行冷冻干燥直至样品水分完全挥发，得到干燥的椎间盘纤维环组织工程支架。

[0038] 实施例2

[0039] （1）纺丝原液的配制：将明胶加入蒸馏水中静置10h，然后水浴加热至55℃，充分搅拌至明胶完全溶解；加入魔芋葡甘聚糖粉末搅拌，搅拌速度为1300r/min，时间为10min，至魔芋葡甘聚糖粉末与明胶溶液充分混合，密封后置于700W功率的微波炉中加热24s，加热完成后取出冷却至室温得到纺丝原液；纺丝原液中魔芋葡甘聚糖浓度为30g/L，明胶浓度为25g/L；

[0040] （2）湿法纺丝：将纺丝原液倒入喷丝设备（60mL医用注射器）中，喷丝设备的喷头放入固化液中，喷丝设备在喷丝过程中按设定的轨迹运动，喷出的纺丝原液在固化液中固化为丝状，随着丝状纤维的堆积，需及时更换新的固化液（所述固化液为乙醇），以确保原液及时固化；

[0041] （3）纤维环的交联：待原液完全挤出，取出凝固的初生纤维环，浸没于交联液（所述交联液为乙醇与氨水的混合液，其中，乙醇与氨水的体积比为2.5:1）中11小时，取出后再将其放入碱液（氨水）中，82℃水浴加热10小时；水浴加热结束，将纤维环取出烧杯冷却至室温，并用蒸馏水浸泡充分除碱；

[0042] （4）冷冻干燥：将除碱后的纤维环样品取出，在-28℃的条件下冷冻24小时以上，然后对样品进行冷冻干燥直至样品水分完全挥发，得到干燥的椎间盘纤维环组织工程支架。本是实施例所得样品的抗压强度为0.344MPa。

[0043] 实施例3

[0044] （1）纺丝原液的配制：将纳米羟基磷灰石粉体加入蒸馏水中，搅拌直至羟基磷灰石粉体在蒸馏水中形成均匀悬浮状态，加入魔芋葡甘聚糖粉末搅拌，搅拌速度为1350r/min，搅拌时间为20min，至魔芋葡甘聚糖粉末与悬浮液充分混合，密封后置于700W功率的微波炉中加热26s，加热完成后取出冷却至室温得到纺丝原液；纺丝原液中魔芋葡甘聚糖浓度为15g/L，纳米羟基磷灰石浓度为20g/L；

[0045] （2）湿法纺丝：将纺丝原液倒入喷丝设备（60mL医用注射器）中，喷丝设备的喷头放入固化液中，喷丝设备在喷丝过程中按设定的轨迹运动，喷出的纺丝原液在固化液中固化为丝状，随着丝状纤维的堆积，需及时更换新的固化液（所述固化液为乙醇和丙三醇的混合溶液，其中，混合溶液中丙三醇的体积分数8%），以确保原液及时固化；

[0046] （3）纤维环的交联：待原液完全挤出，取出凝固的初生纤维环，浸没于交联液（所述交联液为乙醇与氨水的混合液，其中，乙醇与氨水的体积比为3:1）中12小时，取出后再将其放入碱液（氨水）中，88℃水浴加热11小时；水浴加热结束，将纤维环取出烧杯冷却至室温，并用蒸馏水浸泡充分除碱；

[0047] （4）冷冻干燥：将除碱后的纤维环样品取出，在-30℃的条件下冷冻24小时以上，然后对样品进行冷冻干燥直至样品水分完全挥发，得到干燥的椎间盘纤维环组织工程支架。

[0048] 本实施例制备得到的椎间盘纤维环组织工程支架的红外光谱图如图2所示，由图可以看出，样品在波数为1025 cm-1、605 cm-1和561 cm-1处出现的吸收峰对应于PO43-中P-O键的非对称伸缩振动峰，说明材料中存在羟基磷灰石相。在波数为808 cm-1和877 cm-1处出现的吸收峰对应于甘露糖的特征吸收峰，说明材料中KGM的一级形态保持完整；X射线衍射图如图3所示，由图可以看出，样品在2θ＝25.87°，2θ＝31.77°, 2θ＝32.20°, 2θ＝32.90°，2θ＝46.71°对应的是羟基磷灰石的（002），（211），（112），（300），（222）晶面的衍射峰。与羟基磷灰石的标准PDF卡片（JCPDS NO.09-0432）相符合；在2θ＝20°左右对应的是KGM的非晶峰。

[0049] 实施例4

[0050] （1）纺丝原液的配制：将明胶加入蒸馏水中静置2h，然后水浴加热至40℃，充分搅拌至明胶完全溶解；然后加入纳米羟基磷灰石粉体，继续搅拌直至羟基磷灰石粉体在溶液中形成均匀悬浮状态，加入魔芋葡甘聚糖粉末搅拌至魔芋葡甘聚糖粉末与悬浮液充分混合，密封后置于700W功率的微波炉中加热20s，加热完成后取出冷却至室温得到纺丝原液；纺丝原液中魔芋葡甘聚糖浓度为10g/L，明胶浓度为5g/L，纳米羟基磷灰石浓度为4g/L；

[0051] （2）湿法纺丝：将纺丝原液倒入喷丝设备（60mL医用注射器）中，喷丝设备的喷头放入固化液中，喷丝设备在喷丝过程中按设定的轨迹运动，喷出的纺丝原液在固化液中固化为丝状，随着丝状纤维的堆积，需及时更换新的固化液（所述固化液为乙醇），以确保原液及时固化；

[0052] （3）纤维环的交联：待原液完全挤出，取出凝固的初生纤维环，浸没于交联液（所述交联液为乙醇与氨水的混合液，其中，乙醇与氨水的体积比为2:1）中10小时，取出后再将其放入碱液（氨水）中，70℃水浴加热12小时；水浴加热结束，将纤维环取出烧杯冷却至室温，并用蒸馏水浸泡充分除碱；

[0053] （4）冷冻干燥：将除碱后的纤维环样品取出，在-18℃的条件下冷冻24小时以上，然后对样品进行冷冻干燥直至样品水分完全挥发，得到干燥的椎间盘纤维环组织工程支架。

[0054] 本实施例制备得到的椎间盘纤维环组织工程支架的扫描电子显微镜照片如图4所示，由图可以看出丝与丝之间存在空隙，并且丝的内部也具有大量的孔洞，说明整个支架呈现多孔结构。羟基磷灰石颗粒分布在丝与丝之间以及丝的内部，起到强化力学性能的作用。

[0055] 实施例5

[0056] （1）纺丝原液的配制：将明胶加入蒸馏水中静置8h，然后水浴加热至50℃，充分搅拌至明胶完全溶解；然后加入纳米羟基磷灰石粉体，继续搅拌直至羟基磷灰石粉体在溶液中形成均匀悬浮状态，加入魔芋葡甘聚糖粉末搅拌至魔芋葡甘聚糖粉末与悬浮液充分混合，密封后置于700W功率的微波炉中加热25s，加热完成后取出冷却至室温得到纺丝原液；纺丝原液中魔芋葡甘聚糖浓度为23g/L，明胶浓度为20g/L，纳米羟基磷灰石浓度为20g/L；

[0057] （2）湿法纺丝：将纺丝原液倒入喷丝设备（60mL医用注射器）中，喷丝设备的喷头放入固化液中，喷丝设备在喷丝过程中按设定的轨迹运动，喷出的纺丝原液在固化液中固化为丝状，随着丝状纤维的堆积，需及时更换新的固化液（所述固化液乙醇和丙三醇的混合溶液，其中，混合溶液中丙三醇的体积分数为10%），以确保原液及时固化；

[0058] （3）纤维环的交联：待原液完全挤出，取出凝固的初生纤维环，浸没于交联液（所述交联液为乙醇与氨水的混合液，其中，乙醇与氨水的体积比为3:1）中11小时，取出后再将其放入碱液（氨水）中，80℃水浴加热10小时；水浴加热结束，将纤维环取出烧杯冷却至室温，并用蒸馏水浸泡充分除碱；

[0059] （4）冷冻干燥：将除碱后的纤维环样品取出，在-18℃的条件下冷冻24小时以上，然后对样品进行冷冻干燥直至样品水分完全挥发，得到干燥的椎间盘纤维环组织工程支架。本实施例所得样品的抗压强度为0.561MPa。

[0060] 实施例6

[0061] （1）纺丝原液的配制：将明胶加入蒸馏水中静置12h，然后水浴加热至60℃，充分搅拌至明胶完全溶解；然后加入纳米羟基磷灰石粉体，继续搅拌直至羟基磷灰石粉体在溶液中形成均匀悬浮状态，加入魔芋葡甘聚糖粉末搅拌至魔芋葡甘聚糖粉末与悬浮液充分混合，密封后置于700W功率的微波炉中加热30s，加热完成后取出冷却至室温得到纺丝原液；纺丝原液中魔芋葡甘聚糖浓度为30g/L，明胶浓度为30g/L，纳米羟基磷灰石浓度为10g/L；

[0062] （2）湿法纺丝：将纺丝原液倒入喷丝设备（60mL医用注射器）中，喷丝设备的喷头放入固化液中，喷丝设备在喷丝过程中按设定的轨迹运动，喷出的纺丝原液在固化液中固化为丝状，随着丝状纤维的堆积，需及时更换新的固化液（所述固化液为乙醇和丙三醇的混合溶液，其中，混合溶液中丙三醇的体积分数为6%），以确保原液及时固化；

[0063] （3）纤维环的交联：待原液完全挤出，取出凝固的初生纤维环，浸没于交联液（所述交联液为乙醇与氨水的混合液，其中，乙醇与氨水的体积比为2.5:1）中12小时，取出后再将其放入碱液（氨水）中，90℃水浴加热8小时；水浴加热结束，将纤维环取出烧杯冷却至室温，并用蒸馏水浸泡充分除碱；

[0064] （4）冷冻干燥：将除碱后的纤维环样品取出，在-40℃的条件下冷冻24小时以上，然后对样品进行冷冻干燥直至样品水分完全挥发，得到干燥的椎间盘纤维环组织工程支架。