发明内容
本发明的目的之一是为了提供一种具有双向形状记忆功能的智能肌腱修复器件,具有双向拉伸或收缩形状记忆功能,给予细胞和支架材料复合物一定的机械应力刺激,上述级联结构、细胞外基质、应力刺激共同构成修复细胞的微环境条件,使细胞向目标组织正常分化,促进细胞发挥功能,在体内诱导肌腱、韧带组织再生。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种具有双向形状记忆功能的智能肌腱修复器件,其特征在于:包括肌腱器件,所述肌腱器件具有类似肌腱组织的级联结构,所述级联结构采用18根五级结构纤维束编织而成,其编织角为20-40度,直径为8-10mm,所述五级结构纤维束由7根四级结构的纤维束加捻而成,所述四级结构的纤维束由3根三级结构的纤维束加捻而成,所述三级结构的纤维束由两根纤维束加捻而成,所述纤维束包括具有双向形状记忆高分子材料构成的基体,并经过细胞外基质进行修饰。
进一步,所述基体是一包括聚乙交酯、聚乳酸、聚己内酯及其共聚物所组成的多嵌段共聚物,所述多嵌段共聚物具有软硬两种链段,其中所述软链段的熔点温度为30度-40度,硬链段的熔点温度或玻璃化转变温度为140度-230度。
进一步,所述细胞外基质包括胶原、纤维黏连蛋白和层黏连蛋白。
进一步,所述纤维束的直径为200nm-1.5μm。
进一步,所述智能肌腱修复器件的形状为条绳状或扁平状,直径范围1mm-8mm,长度范围10mm-50mm。
本发明的目的之二,是在于提供一种具有双向形状记忆功能的智能肌腱修复器件的制备方法,制备简单,成本低,所得产品性能好。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种具有双向形状记忆功能的智能肌腱修复器件的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤一:基体多嵌段聚酯共聚物的制备:
第一步,端羟基聚酯均聚物和共聚物的合成:
1、聚已内酯(PCL)的制备:
在已充分干燥并带有搅拌装置的反应器中,在氮气的保护下,先加入引发剂乙二醇和催化剂辛酸亚锡,搅拌5-10min后,再加入的单体,然后将体系置于110-130℃油浴里反应24小时,反应结束后,体系降至60℃,此时加入四氢呋喃释析,然后,倒入大量冰甲醇中沉淀,过滤,在35 ℃下干燥至恒重,得到端羟基聚酯共聚物;
其中,所述单体为己内酯(CL),单体与乙二醇摩尔比为26:1-35:1,乙二醇与辛酸亚锡摩尔比为100:1-110:1;
上述所得聚已内酯(PCL)分子量为3000-4000、熔点为40-46℃;
2、L-丙交酯-co-乙交酯(PLLGA)的制备:
在已充分干燥并带有搅拌装置的反应器中,在氮气的保护下,先加入引发剂乙二醇和催化剂辛酸亚锡,搅拌5-10min后,再加入的单体,然后将体系置于110-130℃油浴里反应24小时,反应结束后,体系降至60℃,此时加入四氢呋喃释析,然后,倒入大量冰甲醇中沉淀,过滤,在35 ℃下干燥至恒重,得到端羟基聚酯共聚物;
其中,所述单体为L-丙交酯(LLA)和乙交酯(GL)的组合物,其中LLA与GL单体摩尔比为3:1-4:1,总单体与乙二醇摩尔比为86:1-95:1,乙二醇与辛酸亚锡摩尔比为100:1-110:1;
上述所得L-丙交酯-co-乙交酯(PLLGA)分子量为6500-7200、熔点为160℃;
第二步,进行缩聚反应:
按端羟基聚酯共聚物中羟基与六亚甲基二异氰酸酯中异氰酸的摩尔比为1:1.1-1:1.5的比例进行以下缩聚反应,将上述所得的PCL均聚物与六亚甲基二异氰酸酯在85℃下搅拌反应1小时,再加入PLLGA共聚物,继续反应6小时,然后降温,加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂,配成重量百分比为10-15wt%的溶液,倒入聚四氟乙烯磨具里,在80℃烘箱烘24小时后,放入80℃真空烘箱抽真空继续干燥到恒重,最后,得到分子量高达55-60万的PCL均聚物含量为70wt%的具有两熔点的(低熔点为35-38℃和高熔点155-157℃)的多嵌段聚酯共聚物的双向形状记忆高分子材料。
步骤二:
首先将步骤一中制的基体,即具有双向形状记忆高分子材料的多嵌段聚酯共聚物作为岛相,将增塑改性聚乙烯醇为海相,采用定岛型海岛双组份熔融纺丝法制备微纳米级形状记忆纤维;
其中端羟基聚酯共聚物与聚乙烯醇体积比在7:3-9:3,纺丝温度为200-220℃。最终可得到直径约10-15微米的形状记忆微米纤维束,微米纤维束在海相材料的支撑下完成后续加捻后,再进行海相PVA的热水溶解,可获得微纳米纤维束结构,其直径为200纳米—1微米。
其次是制作双向形状记忆纤维束:以上述双向形状记忆微米纤维束为基础,第一是将两根纤维束一起加捻,捻度为每米5-15个,得到直径为0.31毫米的三级结构的纤维束,第二将三根三级结构的纤维束一起加捻,捻度为每米8-10个,得到直径为0.67毫米的四级结构的纤维束,第三是将七根四级结构的纤维束加捻,捻度为每米8-10个捻,形成了直径为2毫米的五级结构的纤维束;第四,五级结构的纤维束在热水浸泡3小时,除去PVA,经干燥后负载上重量含量为2-3wt%胶原。
最后,通过编织技术,采用18根五级结构的纤维束,编织角为20-40度,直径为8-10mm圆形截面肌腱器件。
本发明在使用时,植入动物体或人体的智能器件,通过简单的热敷/冷敷皮肤的方法,器件可相应进行伸长或收缩。当热敷温度为40度-55度,冷敷温度为35度-10度,智能器件伸缩范围在1%-15%内,便于肌腱修复,提高诱导肌腱组织再生概率,实现智能修复。
本发明的有益效果:本发明采用微纳米纤维复合生物活性因子后,加捻成纤维束,经细胞外基质表面修饰后再由编织技术制备智能肌腱修复器件,该器件由于赋予了双向形状记忆功能可使器件产生拉伸、收缩应力作用;同时该器件修饰细胞外基质蛋白有利于修复细胞黏附、增殖和分化,诱导肌腱组织再生,实现智能修复。因此具有以下优点:
1)本发明器件具有双向拉伸的形状记忆功能,在体内容易实现器件的伸长与收缩,使修复细胞能受到相应的机械应力刺激,诱导修复细胞的正常分化和肌腱组织再生。
2)本发明利用双向形状记忆高分子制备微纳米纤维,再加捻成纤维束,进一步编织成为肌腱修复器件,具有与肌腱组织近似的级联结构特征,确保制备的肌腱修复器件在结构上与天然肌腱组织相似。
3)本发明的器件由纤维束编制而成,由于纤维束表面修饰了细胞外基质,有利于修复细胞的黏附、增殖和迁移。
为了进一步解释本发明的技术方案,下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
参考附图1,本发明公开了一种具有双向形状记忆功能的智能肌腱修复器件,包括肌腱器件1,所述肌腱器件1具有类似肌腱组织的级联结构。级联结构采用18根五级结构纤维束2编织而成,其编织角为20-40度,直径为8-10mm,五级结构纤维束2由7根四级结构的纤维束3加捻而成,四级结构的纤维束3由3根三级结构的纤维束加捻而成,三级结构的纤维束由两根纤维束4加捻而成,纤维束4包括具有双向形状记忆高分子材料构成的基体,并经过细胞外基质5进行修饰。
其中,基体是一包括聚乙交酯、聚乳酸、聚己内酯及其共聚物所组成的多嵌段共聚物,多嵌段共聚物具有软硬两种链段,其中软链段的熔点温度为30度-40度,硬链段的熔点温度或玻璃化转变温度为140度-230度。
细胞外基质5包括胶原、纤维黏连蛋白和层黏连蛋白。
纤维束4的直径为200nm-1.5μm。
智能肌腱修复器件的形状为条绳状或扁平状,直径范围1mm-8mm,长度范围10mm-50mm。
本发明还公开了一种具有双向形状记忆功能的智能肌腱修复器件的制备方法,具体如下:
实施例一:
一种具有双向形状记忆功能的智能肌腱修复器件的制备方法,包括如下步骤:
步骤一:基体多嵌段聚酯共聚物的制备:
第一步,端羟基聚酯均聚物和共聚物的合成:
1、聚已内酯(PCL)的制备:
在已充分干燥并带有搅拌装置的反应器中,在氮气的保护下,先加入引发剂乙二醇和催化剂辛酸亚锡,搅拌10min后,再加入的单体,然后将体系置于110℃油浴里反应24小时,反应结束后,体系降至60℃,此时加入四氢呋喃释析,然后,倒入大量冰甲醇中沉淀,过滤,在35 ℃下干燥至恒重,得到端羟基聚酯共聚物;
其中,所述单体为己内酯(CL),单体与乙二醇摩尔比为35:1,乙二醇与辛酸亚锡摩尔比为100:1;
上述所得聚已内酯(PCL)分子量为4000、熔点为46℃;
2、L-丙交酯-co-乙交酯(PLLGA)的制备:
在已充分干燥并带有搅拌装置的反应器中,在氮气的保护下,先加入引发剂乙二醇和催化剂辛酸亚锡,搅拌5min后,再加入的单体,然后将体系置于110℃油浴里反应24小时,反应结束后,体系降至60℃,此时加入四氢呋喃释析,然后,倒入大量冰甲醇中沉淀,过滤,在35 ℃下干燥至恒重,得到端羟基聚酯共聚物;
其中,单体为L-丙交酯(LLA)和乙交酯(GL)的组合物,其中LLA与GL单体摩尔比为3:1,总单体与乙二醇摩尔比为95:1,乙二醇与辛酸亚锡摩尔比为100:1;
上述所得L-丙交酯-co-乙交酯(PLLGA)分子量为7200、熔点为160℃;
第二步,进行缩聚反应:
按端羟基聚酯共聚物中羟基与六亚甲基二异氰酸酯中异氰酸的摩尔比为1:1.5的比例进行以下缩聚反应,将上述所得的PCL均聚物与六亚甲基二异氰酸酯在85℃下搅拌反应1小时,再加入PLLGA共聚物,继续反应6小时,然后降温,加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂,配成重量百分比为15wt%的溶液,倒入聚四氟乙烯磨具里,在80℃烘箱烘24小时后,放入80℃真空烘箱抽真空继续干燥到恒重,最后,得到分子量高达60万的PCL均聚物含量为70wt%的具有两熔点的(低熔点为38℃和高熔点157℃)的多嵌段聚酯共聚物的双向形状记忆高分子材料。
上述所得产品,该多嵌段聚酯共聚物的双向形状记忆高分子材料通过DMA测定在1190kPa和900kPa预应力下,温度刺激范围10-40℃或者10-42℃间实现双向形状记忆功能,双向应变幅度为8%-10%,符合肌腱力学刺激的要求。
步骤二:
首先将步骤一中制的基体,即具有双向形状记忆高分子材料的多嵌段聚酯共聚物作为岛相,将增塑改性聚乙烯醇为海相,采用定岛型海岛双组份熔融纺丝法制备微纳米级形状记忆纤维;
其中端羟基聚酯共聚物与聚乙烯醇体积比在7:3,纺丝温度为200℃,最终可得到直径约10-15微米的形状记忆微米纤维束,微米纤维束在海相材料的支撑下完成后续加捻后,再进行海相PVA的热水溶解,可获得微纳米纤维束结构,其直径为200纳米—1微米。
其次是制作双向形状记忆纤维束:以上述双向形状记忆微米纤维束为基础,第一是将两根纤维束一起加捻,捻度为每米5-15个,得到直径为0.31毫米的三级结构的纤维束,第二将三根三级结构的纤维束一起加捻,捻度为每米8-10个,得到直径为0.67毫米的四级结构的纤维束,第三是将七根四级结构的纤维束加捻,捻度为每米8-10个捻,形成了直径为2毫米的五级结构的纤维束;第四,五级结构的纤维束在热水浸泡3小时,除去PVA,经干燥后负载上重量含量为2-3wt%胶原。
最后,通过编织技术,采用18根五级结构的纤维束,编织角为40度,直径为10mm圆形截面肌腱器件。
实施例二:
一种具有双向形状记忆功能的智能肌腱修复器件的制备方法,包括如下步骤:
步骤一:基体多嵌段聚酯共聚物的制备:
第一步,端羟基聚酯均聚物和共聚物的合成:
1、聚已内酯(PCL)的制备:
在已充分干燥并带有搅拌装置的反应器中,在氮气的保护下,先加入引发剂乙二醇和催化剂辛酸亚锡,搅拌5min后,再加入的单体,然后将体系置于110℃油浴里反应24小时,反应结束后,体系降至60℃,此时加入四氢呋喃释析,然后,倒入大量冰甲醇中沉淀,过滤,在35 ℃下干燥至恒重,得到端羟基聚酯共聚物;
其中,单体为己内酯(CL),单体与乙二醇摩尔比为26:1,乙二醇与辛酸亚锡摩尔比为100:1;
上述所得聚已内酯(PCL)分子量为3000、熔点为40℃;
2、L-丙交酯-co-乙交酯(PLLGA)的制备:
在已充分干燥并带有搅拌装置的反应器中,在氮气的保护下,先加入引发剂乙二醇和催化剂辛酸亚锡,搅拌5min后,再加入的单体,然后将体系置于110℃油浴里反应24小时,反应结束后,体系降至60℃,此时加入四氢呋喃释析,然后,倒入大量冰甲醇中沉淀,过滤,在35 ℃下干燥至恒重,得到端羟基聚酯共聚物;
其中,所述单体为L-丙交酯(LLA)和乙交酯(GL)的组合物,其中LLA与GL单体摩尔比为3:1,总单体与乙二醇摩尔比为86:1,乙二醇与辛酸亚锡摩尔比为100:1;
上述所得L-丙交酯-co-乙交酯(PLLGA)分子量为6500、熔点为160℃;
第二步,进行缩聚反应:
按端羟基聚酯共聚物中羟基与六亚甲基二异氰酸酯中异氰酸的摩尔比为1:1.1的比例进行以下缩聚反应,将上述所得的PCL均聚物与六亚甲基二异氰酸酯在85℃下搅拌反应1小时,再加入PLLGA共聚物,继续反应6小时,然后降温,加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂,配成重量百分比为10wt%的溶液,倒入聚四氟乙烯磨具里,在80℃烘箱烘24小时后,放入80℃真空烘箱抽真空继续干燥到恒重,最后,得到分子量高达60万的PCL均聚物含量为70wt%的具有两熔点的(低熔点为35℃和高熔点155℃)的多嵌段聚酯共聚物的双向形状记忆高分子材料。
上述所得产品,该多嵌段聚酯共聚物的双向形状记忆高分子材料通过DMA测定在1190kPa和900kPa预应力下,温度刺激范围10-40℃或者10-42℃间实现双向形状记忆功能,双向应变幅度为8%-10%,符合肌腱力学刺激的要求。
步骤二:
首先将步骤一中制的基体,即具有双向形状记忆高分子材料的多嵌段聚酯共聚物作为岛相,将增塑改性聚乙烯醇为海相,采用定岛型海岛双组份熔融纺丝法制备微纳米级形状记忆纤维;
其中端羟基聚酯共聚物与聚乙烯醇体积比在7:3,纺丝温度为200℃。最终可得到直径约10-15微米的形状记忆微米纤维束,微米纤维束在海相材料的支撑下完成后续加捻后,再进行海相PVA的热水溶解,可获得微纳米纤维束结构,其直径为200纳米—1微米。
其次是制作双向形状记忆纤维束:以上述双向形状记忆微米纤维束为基础,第一是将两根纤维束一起加捻,捻度为每米5-15个,得到直径为0.31毫米的三级结构的纤维束,第二将三根三级结构的纤维束一起加捻,捻度为每米8-10个,得到直径为0.67毫米的四级结构的纤维束,第三是将七根四级结构的纤维束加捻,捻度为每米8-10个捻,形成了直径为2毫米的五级结构的纤维束;第四,五级结构的纤维束在热水浸泡3小时,除去PVA,经干燥后负载上重量含量为2-3wt%胶原。
最后,通过编织技术,采用18根五级结构的纤维束,编织角为20度,直径为8mm圆形截面肌腱器件。
实施例三:
一种具有双向形状记忆功能的智能肌腱修复器件的制备方法,包括如下步骤:
步骤一:基体多嵌段聚酯共聚物的制备:
第一步,端羟基聚酯均聚物和共聚物的合成:
1、聚已内酯(PCL)的制备:
在已充分干燥并带有搅拌装置的反应器中,在氮气的保护下,先加入引发剂乙二醇和催化剂辛酸亚锡,搅拌7min后,再加入的单体,然后将体系置于120℃油浴里反应24小时,反应结束后,体系降至60℃,此时加入四氢呋喃释析,然后,倒入大量冰甲醇中沉淀,过滤,在35 ℃下干燥至恒重,得到端羟基聚酯共聚物;
其中,所述单体为己内酯(CL),单体与乙二醇摩尔比为30:1,乙二醇与辛酸亚锡摩尔比为110:1;
上述所得聚已内酯(PCL)分子量为3500、熔点为46℃;
2、L-丙交酯-co-乙交酯(PLLGA)的制备:
在已充分干燥并带有搅拌装置的反应器中,在氮气的保护下,先加入引发剂乙二醇和催化剂辛酸亚锡,搅拌5min后,再加入的单体,然后将体系置于120℃油浴里反应24小时,反应结束后,体系降至60℃,此时加入四氢呋喃释析,然后,倒入大量冰甲醇中沉淀,过滤,在35 ℃下干燥至恒重,得到端羟基聚酯共聚物;
其中,所述单体为L-丙交酯(LLA)和乙交酯(GL)的组合物,其中LLA与GL单体摩尔比为4:1,总单体与乙二醇摩尔比为90:1,乙二醇与辛酸亚锡摩尔比为105:1;
上述所得L-丙交酯-co-乙交酯(PLLGA)分子量为7000、熔点为160℃;
第二步,进行缩聚反应:
按端羟基聚酯共聚物中羟基与六亚甲基二异氰酸酯中异氰酸的摩尔比为1:1.3的比例进行以下缩聚反应,将上述所得的PCL均聚物与六亚甲基二异氰酸酯在85℃下搅拌反应1小时,再加入PLLGA共聚物,继续反应6小时,然后降温,加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂,配成重量百分比为12wt%的溶液,倒入聚四氟乙烯磨具里,在80℃烘箱烘24小时后,放入80℃真空烘箱抽真空继续干燥到恒重,最后,得到分子量高达60万的PCL均聚物含量为70wt%的具有两熔点的(低熔点为38℃和高熔点155℃)的多嵌段聚酯共聚物的双向形状记忆高分子材料。
上述所得产品,该多嵌段聚酯共聚物的双向形状记忆高分子材料通过DMA测定在1190kPa和900kPa预应力下,温度刺激范围10-40℃或者10-42℃间实现双向形状记忆功能,双向应变幅度为8%-10%,符合肌腱力学刺激的要求。
步骤二:
首先将步骤一中制的基体,即具有双向形状记忆高分子材料的多嵌段聚酯共聚物作为岛相,将增塑改性聚乙烯醇为海相,采用定岛型海岛双组份熔融纺丝法制备微纳米级形状记忆纤维;
其中端羟基聚酯共聚物与聚乙烯醇体积比在8:3,纺丝温度为210℃。最终可得到直径约10-15微米的形状记忆微米纤维束,微米纤维束在海相材料的支撑下完成后续加捻后,再进行海相PVA的热水溶解,可获得微纳米纤维束结构,其直径为200纳米—1微米。
其次是制作双向形状记忆纤维束:以上述双向形状记忆微米纤维束为基础,第一是将两根纤维束一起加捻,捻度为每米5-15个,得到直径为0.31毫米的三级结构的纤维束,第二将三根三级结构的纤维束一起加捻,捻度为每米8-10个,得到直径为0.67毫米的四级结构的纤维束,第三是将七根四级结构的纤维束加捻,捻度为每米8-10个捻,形成了直径为2毫米的五级结构的纤维束;第四,五级结构的纤维束在热水浸泡3小时,除去PVA,经干燥后负载上重量含量为2-3wt%胶原。
最后,通过编织技术,采用18根五级结构的纤维束,编织角为30度,直径为9mm圆形截面肌腱器件。
以上所述仅为本发明的实施例,并非对本案设计的限制,凡依本案的设计关腱所做的等同变化,均落入本案的保护范围。