一種復合多孔質(zhì)海綿材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及使用高分子復合材料引導人體器官的再生，比如修復關節(jié)軟骨的再生、骨的再生，具體為復合多孔質(zhì)海綿材料及其制備方法，旨在多孔質(zhì)海綿材料中培養(yǎng)患者自己的細胞，體外培養(yǎng)一段時間之后，移植入生物體。
【背景技術】
[0002]因交通事故，體育運動，生產(chǎn)勞動，年齡變大，疾病等原因，生物體常受損傷而不幸喪失軟骨和骨等組織，在醫(yī)院骨科也常見關節(jié)軟骨損傷，因為軟骨組織內(nèi)無血管，軟骨細胞在無血運環(huán)境中缺乏迀徙能力。軟骨損傷后很難再生，在矯形外科領域，如何修復或治療因疾病、創(chuàng)傷等引起的創(chuàng)傷性和退行性軟骨組織損失，在全世界都是難題，軟骨創(chuàng)傷不立即給予治療，創(chuàng)傷必將越來越大，最后不得不進行人工關節(jié)置換，但關節(jié)置換創(chuàng)傷大，對患者特別是老年患者負擔重，而且感染風險高、且多年后面臨翻修和重新置換等問題，普遍認為早期修復關節(jié)軟骨損傷非常必要。傳統(tǒng)治療軟骨損傷，有使用藥物刺激促進軟骨再生，也有手術如關節(jié)磨削成形術、鉆孔、微骨折及關節(jié)鏡灌洗術，使骨髓中軟骨源性、骨源性細胞及細胞因子滲透到軟骨損傷區(qū)域，促進向軟骨細胞分化，產(chǎn)生纖維軟骨。這種手術操作簡單，對小面積軟骨損傷在某種意義上較滿意，被廣泛應用。
[0003]但研究表明，實際上這些方法均不能將損壞軟骨修復，而且軟骨磨蝕、骨髓刺激等愈合形成的纖維軟骨組織與透明軟骨不同.目前關節(jié)軟骨缺損的修復仍缺乏理想有效方法。用捐獻的組織移植也是一種方法，但我國存在捐獻嚴重不足，而且別人捐獻的器官還有免疫應答排斥等種種問題。軟骨疾病不能得到有效治療的最終結果，導致關節(jié)置換，然而人造關節(jié)器官往往因磨損產(chǎn)生松緩破損等，導致功能不足，因此臨床上關節(jié)病變患者的巨大需求，促使研究者不斷探索新的可行的方法。
[0004]自體軟骨移植術是目前應用較廣的修復軟骨損傷的技術之一，自體軟骨組織移植療效較好但供材有限；臨床提取患者自體軟骨細胞后，細胞吸附于生物相容性良好并可被人體逐漸吸收的載體中，該載體提供三維空間，有利細胞獲得營養(yǎng)，氣體交換、排泄廢物，細胞按三維支架生長。臨床上MACI (Matrix-1nduced autologous chondrocyteimplantat1n)技術較成熟。將采集的軟骨細胞種植在生物膜上，再用纖維膠固定移植到缺損處。優(yōu)點在于，細胞得到固定，不會術后細胞流失。膠原膜為載體，不需切取骨膜，避免骨膜移植的各種并發(fā)癥。用生物相容性更好的纖維膠替代縫線封閉不需縫合、手術切口小，手術時間短，術后康復快。使用動物來源的軟骨(如豬，牛)，首先把軟骨組織去細胞化，然后播種患者自體細胞，體外培養(yǎng)后，臨床移植患者，這種療法也取得了一定效果，但異體移植存在免疫排斥且病毒感染等風險。間充質(zhì)干細胞SMSCs (synovial mesenchymal stemcells)傳代繁殖力強，連續(xù)多次傳代仍可保持良好增殖分化特性，與基質(zhì)材料復合植入體內(nèi)后可形成透明樣軟骨并在軟骨下區(qū)形成骨組織，而達到整合。目前這些方法僅處于動物實驗階段，還沒正式用于臨床，因為間充質(zhì)干細胞SMSCs的分化控制比較難，分化效率比較低，而且從患者體內(nèi)取干細胞，對患者也是一種負擔。目前用3D打印裝置打印方形孔蜂巢狀微結構的聚己內(nèi)酯-羥基磷灰石3D支架，與骨髓血結合在體外培養(yǎng)，誘導干細胞向軟骨細胞分化，也將有可能用于修復軟骨缺損。但是這技術離應用還有相當距離，還是一種概念性范疇。
[0005]上世紀90年代以來，組織工程興起，開始制作人工人體器官一生物體外(實驗室)培養(yǎng)生物體(軟骨)細胞，使他們增殖，首先制作細胞親和性支架材料，然后把生物細胞播種在材料上，組織(細胞)粘付在親和性材料上，在適當?shù)呐囵B(yǎng)溶液下，體外培養(yǎng)一段時間，形成生物組織后，手術移植到生物體內(nèi)。也可以播種生物細胞(如干細胞)到材料后，不體外培養(yǎng)，直接埋入生物內(nèi)，在生物內(nèi)誘導生物組織(如軟骨或骨)再生。長期培養(yǎng)后埋入體內(nèi)或直接埋入體內(nèi)，這要求材料具有一定強度以便能方便移植，或者移植后也不會輕易變形，從而維持生物組織的形態(tài)，這對制作的材料被誘導促進形成生物組織非常重要。因此組織工程要求材料具生物親合性，具有適當強度等，而且材料不給生物體帶來不利影響，生體組織形成的同時，也要求材料被分解吸收。
[0006]組織工程研制軟骨代用品很有前途，目前歐美日本的組織工程化軟骨在臨床醫(yī)用上，使用的成熟技術是用膠原蛋白膠體包埋自體軟骨細胞，移植入病損，細胞在支架吸收時增殖，同時分泌基質(zhì)，形成新原位組織形態(tài)和功能的軟骨組織，目前在該領域臨床中，我國天津引進英德的軟骨再生系統(tǒng)(Cartilage Regenerat1n System, CaReS)是如今國際比較先端的成熟技術。2009年獲藥監(jiān)局臨床試驗許可，在國內(nèi)三甲醫(yī)院開展應用，療效被病例證實，適應治療缺損面積2.5-lOcm2。但缺點是膠原蛋白膠體沒有彈性，強度不夠，容易收縮。因此全世界現(xiàn)在很多機構在研究再生醫(yī)療工學手法，研究如何制作優(yōu)良的再生材料，比如在各種多孔質(zhì)海綿材料中培養(yǎng)患者自己的細胞，然后再生移植。
[0007]如今制作多孔質(zhì)海綿材料多利用多乳酸Poly lactic acid(PLA包括F1DLA orPLLA)，聚乙醇酸 Poly glycol acid (PGA)，乳酸 lactic acid 和乙醇酸 glycol acid 的共聚體(PLGA)、Poly( ε - caprolactone)聚己內(nèi)酯(PCL)等，它們和膠原蛋白，透明質(zhì)酸，蛋白多糖，氨基葡萄糖，硫酸軟骨素等生物吸收性天然高分子材料配合制作成為復合材料。PLA(PDLA or PLLA)和PGA，PLGA, PCL等都是生物吸收性合成高分子，加水能分解，容易被吸收，已經(jīng)多年臨床應用，證明了它們的安全性和有效性，根據(jù)不同情況，這些材料的分解物將通過體內(nèi)代謝路徑被吸收，因此控制這些高分子材料的結構形狀厚度就能控制合成高分子的吸收分解速度，這些合成高分子材料具有強度高，而且加工性能好等優(yōu)點，不過，制作的多孔質(zhì)海綿材料氣孔率較低，親和性也不如膠原蛋白等生物體天然來源物質(zhì)。另一方面膠原蛋白，透明質(zhì)酸，蛋白多糖，氨基葡萄糖，硫酸軟骨素等生物吸收性天然高分子親和性好，而且容易制造出高氣孔率的多孔質(zhì)海綿材料，不過加工性能相對差，強度很弱，很難制作得到我們希望的形態(tài)，而且在培養(yǎng)中或體內(nèi)移植后，壓迫之下容易變形。
[0008]我們鑒于以上不同經(jīng)驗進行精心琢磨，克服了以上不同材料的缺點，制作了一種新的復合材料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]為解決以上的問題，本發(fā)明提供一種一定形狀的多孔質(zhì)海綿材料，它具有充分的高氣孔率，能為細胞培養(yǎng)提供充分空間，同時具有一定的強度和親和性，制作后種植細胞培養(yǎng)后，進行生物體移植，填補生物體(軟骨)缺失，進行(軟骨)再生。
[0010]本發(fā)明復合多孔質(zhì)體海綿結構材料，由合成高分子多孔質(zhì)體組成外圍骨架，內(nèi)部交聯(lián)填充比該外圍氣孔率大的天然高分子多孔質(zhì)體，作為特征。
[0011]本發(fā)明，制造一定形狀的復合多孔質(zhì)海綿材料，由生物吸收性合成高分子和天然高分子混練形成，合成高分子多孔質(zhì)海綿材料是外圍骨架，支撐整個支架的形狀和結構，能承受一定壓力，內(nèi)部中空交聯(lián)填充比這氣孔率大的天然高分子多孔質(zhì)海綿材料，作為特征。
[0012]本發(fā)明的復合多孔質(zhì)海綿材料內(nèi)部有充分氣孔空間，由天然來源的生物體高分子構成，可大密度播種培養(yǎng)細胞，比如軟骨細胞，復合材料外圍骨架能承受生物埋設時的壓力從而保持結構形狀，能調(diào)整氣孔比例和選擇材料，混練制作合成高分子多孔質(zhì)海綿材料，決定適合的外圍強度和形狀，從而適合不同的使用對象。
[0013]具體而言，用加工性能良好的生物吸收性合成高分子制作外廓骨架，中央部具有空洞，力學強度和氣孔率都比較高，可通過選擇材料，調(diào)整厚度及氣孔率來調(diào)節(jié)材料強度，生物吸收性天然高分子的多孔質(zhì)結構體填充在大空洞內(nèi)，交聯(lián)進一步加強這種結構，從而形成高強度和大氣孔率的復合多孔質(zhì)海綿材料的制造方法。外廓骨架的大強度使這個復合材料能持久性保持一定力學強度，也可在中空部分設置合成高分子材料的支柱或頂部結構進一步提尚力學強度。
[0014]該生物吸收性合成高分