CN114681123A

CN114681123A - 用于肌腱及/或韧带的组织支架

Info

Publication number: CN114681123A
Application number: CN202011592525.0A
Authority: CN
Inventors: 沈欣欣; 蔡佩宜; 黄志杰; 戴建丞; 温奕泓; 郭正亮; 马俊贤; 徐丽道; 黄馨怡; 杨国义; 吴宗宪
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-07-01

Abstract

本发明公开一种用于肌腱及/或韧带的组织支架，包括由经纱和纬纱交错编织而成的织体，其中，所述经纱包含具有异型断面结构的多根纤维，且所述织体包括：具有生物活性物质形成于其纤维表面的主体区，以及纬纱含有生物陶瓷材料的固定区。本发明制得的组织支架具有刺激组织增生及诱导组织修复的特点，有效提升组织再生及骨质愈合的能力，利于肌腱及/或韧带组织的重建。

Description

用于肌腱及/或韧带的组织支架

技术领域

本发明涉及一种应用于组织工程的支架，尤其涉及一种用于肌腱及/或韧带伤害的组织支架。

背景技术

肌腱或韧带方面的撕裂或断裂伤害为临床上常见的运动伤害，特别是，当伤害发生于膝关节内的交叉韧带上时，由于其生物学环境及血液供应受限，使韧带组织于断裂后无自然愈合的能力，而需通过手术进行重建工程。

关于肌腱或韧带的重建，依修复材料类型可区分为自体移植物、异体移植物和人工移植物。自体移植物虽具有良好的重建效果，且无免疫排斥反应产生，但有供区并发症等问题；而异体移植物不仅成本高，且存在有免疫排斥反应及疾病传播等风险；相较之下，人工移植物因取材方便、无疾病传播风险且机械强度高，近来已逐渐引起医界关注，但人工移植物仅具力学承重作用，而不具有生物活性及组织诱导性，不利于腱骨界面愈合，且人工韧带表面的细胞和组织也难以正常生长形成正常肌腱或韧带组织。经长期使用后，所述人工移植物易有疲劳、磨损及断裂等问题，从而导致膝关节不稳定，且其磨损的碎片也易造成如关节腔内积水等医源性的疾病。

有鉴于此，有必要提出一种具有生物活性及组织诱导性的组织支架，以解决现有人工移植物于长期使用后的疲劳、磨损、断裂及稳定性差等问题。

发明内容

本发明提供一种用于肌腱及/或韧带的组织支架，包括由经纱和纬纱交错编织而成的织体，其中，所述经纱包含具有异型断面结构的多根纤维，且所述织体包括：一主体区，且主体区纤维表面上具有一生物活性物质，所述生物活性物质可进一步含浸入所述主体区的孔隙中；以及一固定区，其中所述固定区形成于所述主体区二侧，且纬纱包含生物陶瓷材料。

根据本发明，通过独特的织体结构的设计，并依组织支架区段各别结合对应的生物活性材料，提供细胞更多的贴附面积及良好的增生环境，有效提升组织细胞及骨质的活性及增殖能力，而利于肌腱及/或韧带组织的重建行为，实具有应用前景。

附图说明

通过例示性的参考附图说明本发明的实施方式：

图1为本发明组织支架的结构示意图；

图2为本发明组织支架的实际使用状态示意图；

图3为本发明实施例和比较例的组织支架的细胞增生数量比较图，其中，各组实施例和比较例由左至右分别为D1、D3及D7，且D1、D3及D7分别表示在织体纤维表面培养第1、3及7天后的细胞数量；

图4为本发明实施例和比较例的组织支架的细胞贴附率比较图；

图5为本发明实施例和比较例的组织支架在细胞培养第7天及第14天的骨质生成酶ALP活性比较图，其中，第7天及第14天各组由左至右分别为0％、1％、2％、4％及dish，且0％表示不添加生物陶瓷材料的织体纤维表面培养比较例8；1％表示生物陶瓷材料的含量为1重量％的织体纤维表面培养比较例9；2％表示生物陶瓷材料的含量为2重量％的织体纤维表面培养实施例1；4％表示生物陶瓷材料的含量为4重量％的织体纤维表面培养实施例6；dish表示不在织体纤维表面培养，仅在细胞培养盘上培养的骨质生成酶ALP活性实验结果作为对照；

图6为本发明实施例和比较例的组织支架在细胞培养第7天、第14天及第21天的钙沉积染色比较图；

图7A至图7C为本发明实施例的组织支架促进肌腱韧带组织再生的扫描电子显微镜图；

图7D至图7E为市售的组织支架的扫描式电子显微镜图；

图8A至图8B分别为本发明实施例的组织支架的苏木精-伊红染色及马森三色染色的组织切片图；

图8C至图8D分别为市售的组织支架的苏木精-伊红染色及马森三色染色的组织切片图；

图9A至图9B为本发明实施例的组织支架促进骨整合能力的微型计算机断层扫描影像图；

图9C至图9D为市售的组织支架微型计算机断层扫描影像图；以及

图10为本发明实施例和比较例的第1个月及第3个月的组织支架于骨隧道中的机械强度比较图。

符号说明

1:组织支架

11:主体区

101:经纱

110、120:纬纱

121、122:固定区

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所描述的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可通过其它不同的实施方式加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明所描述的精神下赋予不同的修饰与变更。此外，本文所有范围和值都是包含及可合并的。落在本文中所述的范围内的任何数值或点，例如任何整数都可以作为最小值或最大值以导出下位范围等。

依据本发明，提供一种用于肌腱及/或韧带的组织支架，如图1所示，所述的组织支架1为由经纱101和纬纱110、120交错编织而成的织体所构成。所述经纱101包含具有异型断面结构的多根纤维，所述多根纤维构成所述经纱，且所述织体包括：一主体区11，且其纤维表面上具有一生物活性物质，且所述生物活性物质可进一步含浸入所述主体区11的孔隙中；以及形成所述主体区二侧且包含有生物陶瓷材料纬纱120的固定区121、122。

在本文中，所述“经纱”是指在织造时沿织机长度方向延伸成型，在织体中作为主要支撑结构的纱线，且在执行肌腱及/或韧带的伸缩动作时与张力方向相同；再而，如图1所示，本发明的组织支架的主体区11及固定区121、122的经纱101为一体成型；另一方面，所述“纬纱”是指与经纱交错或相互垂直的纱线。

所述经纱、纬纱经多根纤维通过加捻、牵拉而成，在一具体实施方案中，本发明的组织支架中的经纱经加捻后达200至800旦尼尔(Denier)，纬纱经加捻后达50至100旦尼尔(Denier)。

在本文中，所述“织体”由经纱和纬纱以交错及或相互垂直方式编织而成，且由此形成的交织点可为连续或不连续排列，并可周期性选择或不规则变化其交织点位置。

在一具体实施方案中，本发明的组织支架的织体网孔尺寸为0.1至1毫米，由所述织体网孔提供细胞足够的生长空间，提供细胞生长所需的气体交换及养分、代谢等输送的空间。

另一方面，本发明的织体不限于单层编织结构，也包含有多层上下交织结构。在一具体实施方案中，所述织体的厚度或直径为1.0至10毫米。

在本发明的组织支架中，所述的织体材料可为高分子材料或高分子复合材料，其中，所述高分子复合材料除高分子材料外，还包括其他填料，如碳纤维，所述高分子材料考虑其应用的机械性质、稳定性、耐磨性及生物相容性而选择，但不限其种类。

在一具体实施方案中，所述高分子材料可为聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚氨基甲酸酯、聚己内酯、聚乳酸、聚乙醇酸、聚醚醚酮、聚醚酮酮等材料其中之一，或其混合物或共聚物。其中，所述聚乙烯可包含超高分子量聚乙烯。

在另一具体实施方案中，所述的织体材料为聚对苯二甲酸乙二酯。

在本文中，所述“异形断面结构”是指非圆形断面的纤维结构，具备较高的纤维表面积，有提升组织细胞的贴附性的效果。在一具体实施方案中，本发明的经纱纤维的异形断面结构可包括H形断面、S形断面、W形断面、Y形断面或十字形断面。

在本发明的组织支架中，织体纤维的粗细程度即对应其整体的表面积，进而影响其织体的表面性能及其机械性质。在一具体实施方案中，所述经纱包含的具有异型断面结构的纤维的长轴直径为15至50微米，且构成所述织体的纬纱的纤维的直径为20至50微米；在另一具体实施方案中，所述经纱包含的具有异型断面结构的纤维的细度为1.5至50旦尼尔，且构成所述织体的纬纱的纤维的细度为40至100旦尼尔。如图2所示，其说明本发明的组织支架的实际实施方式。所述“主体区”11指裸露于骨骼的外的织体部分，且所述“固定区”121、122指植入骨骼，例如用以与原肌腱及/或韧带组织连接的骨骼的织体部分。

为能进一步诱导肌腱及/或韧带组织进行修复，在所述主体区纤维表面上具有一生物活性物质，所述生物活性物质可进一步含浸入所述主体区的孔隙中，以增加细胞的增生能力。其中，所述的生物活性物质为胶原蛋白。

在一具体实施方案中，对于本发明组织支架的含生物活性物质的改质，以下列步骤制备而得：

提供一反应溶液，其含有生物活性物质；以及

使所述主体区与所述反应溶液接触。

所述“反应溶液”除包含有生物活性物质外，还包括溶剂及pH调节剂。

上述的生物活性物质例如胶原蛋白、明胶、蚕丝蛋白等。

在另一具体实施方案中，所述生物活性物质含有胶原蛋白，且所述胶原蛋白占所述主体区总重的0.5至5重量％。

在其他实施方案中，所述胶原蛋白占所述主体区总重的重量比例可为0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0或4.5重量％，且不以此为限。

在一具体实施方案中，于所述的反应溶液中，所述生物活性物质为胶原蛋白，所述溶剂为pH≤3.0的醋酸水溶液，所述pH调节剂为磷酸缓冲生理食盐水及氢氧化钠，其具体制法包括：使所述胶原蛋白粉末0.1克溶解于60毫升醋酸水溶液中，将1克的织体的主体区加入，再加入40毫升磷酸缓冲生理食盐水并以氢氧化钠调整pH值为7.5，使所述胶原蛋白形成于所述主体区纤维表面上。

在另一具体实施方案中，所述胶原蛋白溶解在所述醋酸中的固含量为0.01至0.1重量％，且所述主体区与所述反应溶液的反应温度为20至40℃，反应时间为24至48小时。

除此之外，本发明的主体区经改质后还可包含其他刺激细胞增生物质，如明胶、蚕丝蛋白、角质蛋白等。

关于上述的固定区纬纱，为能有效提升骨界面的愈合能力，将生物陶瓷材料添加于其中。在一具体实施方案中，所述生物陶瓷材料例如磷酸钙、硫酸钙、生物玻璃或上述的组合；在一实施例中，所述磷酸钙可为羟基磷灰石或磷酸三钙。

在另一具体实施方案中，所述生物陶瓷材料为羟基磷灰石，且所述羟基磷灰石的平均粒径为10至200纳米。

在一具体实施方案中，所述生物陶瓷材料存在于所述固定区的纬纱中，且所述生物陶瓷材料占所述固定区纬纱总重的1至4重量％。在另一具体实施态样中，该生物陶瓷材料占所述固定区纬纱总重的大于1重量％至4重量％。当生物陶瓷材料的重量比例过低，无法提升骨生长。若所述生物陶瓷材料的重量比例过高，纺纤维时容易断裂。

在其他实施方案中，所述生物陶瓷材料占所述固定区纬纱总重的重量比例可为1.5、2.0、2.5、3.0或3.5重量％，且不以此为限。

另一方面，本发明的固定区中可同时选用含所述生物陶瓷材料的纬纱及不含所述生物陶瓷材料的纬纱，或者于每股纬纱中均包含有所述生物陶瓷材料。在一具体实施方案中，含所述生物陶瓷材料的纬纱与不含所述生物陶瓷材料的纬纱的数量比为1:9至10:0；在另一具体实施方案中，本发明的固定区中可单一使用所述含所述生物陶瓷材料的纬纱。

对于本发明组织支架的含生物陶瓷材料的固定区纬纱纤维，以下列步骤制备而得：

提供一掺有生物陶瓷材料的母粒；以及

以所述母粒进行纺丝。

在一具体实施方案中，所述的母粒包含上述织体材料及生物陶瓷材料，且所述生物陶瓷材料的含量占所述母粒的重量比例为1至4重量％。

所述母粒除上述织体材料及生物陶瓷材料外，还包括一分散剂。所述分散剂可为聚酯型的高分子材料，且所述分散剂的含量占所述母粒的重量比例为0.1至2重量％。

在一具体实施方案中，所述母粒的具体制法包括：使聚对苯二甲酸乙二酯、羟基磷灰石及聚酯型分散剂经混炼及造粒方式形成母粒。

以下通过具体实施例对本发明做进一步详细说明，但不因实施例说明限制本发明的范畴。

实施例1：组织支架的制备

经纱的制备：聚对苯二甲酸乙二酯使用热熔融纺丝在270℃以上通过异形断面纺嘴得半延伸丝，再以100到200℃温度进行延伸，得到全延伸丝。

纬纱的制备：纬纱制备方式同上述经纱的制备方法，但将异形断面纺嘴调整为圆形纺嘴。

当制备含生物陶瓷纬纱时，改用掺有生物陶瓷的母粒，其中，所述掺有生物陶瓷的母粒的制法以下列步骤制备而得：将聚对苯二甲酸乙二酯、平均粒径60纳米的羟基磷灰石及聚酯型分散剂通过混炼及造粒方式，形成掺有2重量％生物陶瓷材料的母粒。

织体的制备：依图1所示的织体的主体区及固定区，选用上述经、纬纱进行交错编织，并使所述主体区与含有生物活性物质的反应溶液接触。

关于上述的反应溶液，取胶原蛋白作为生物活性物质，除包含有生物活性物质外，所述反应溶液还包括溶剂及pH调节剂，其中，所述溶剂为pH≤3.0的醋酸水溶液，所述pH调节剂为磷酸缓冲生理食盐水及氢氧化钠，其具体的改质方法以下列步骤进行制备：使所述胶原蛋白粉末0.1克溶解于60毫升醋酸水溶液中，将1克的织体的主体区加入，再加入40毫升磷酸缓冲生理食盐水并以氢氧化钠调整pH值为7.5，在反应温度20至40℃下经48小时反应后，在所述主体区纤维表面上形成所述胶原蛋白。

最后，将上述制得的组织支架的织体剪裁成适当尺寸，进行后述细胞试验及分析：

(1)细胞增生数量及细胞贴附率测定：先取本实施例的主体区的织体(面积1cm²)置于48孔盘中，在其表面滴上微量细胞悬浮液(20μl)，在37℃温度的培养箱中静置2小时后，加入0.8ml骨髓间质干细胞培养基，而未贴覆的细胞此时将会被培养液带离织体纤维表面；经隔夜培养后，将有细胞贴附的织体移至新的48孔盘中，加入0.3ml PrestoBlue并在37℃温度的培养箱进行，其中，所述PrestoBlue在经过线粒体中的烟碱酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)去氢酶作用后还原成为粉红色，可通过荧光(Ex/Em:560nm/590nm)侦测反应细胞数量；经反应1小时后，取出100μl反应物移至96孔盘进行分析，检测其荧光读值(Ex/Em:560nm/590nm)，并依据标准曲线，以内插法定量贴附于纤维表面的细胞数量，并将细胞增生数量及细胞贴附率结果分别记录于图3及图4。由图3及图4结果可知，显见本实施例的组织支架因具异形断面结构的经纱纤维及织体的主体区的表面改质而有显著提升细胞增生能力及细胞的贴附的效果。

(2)骨质生成酶ALP活性测定：使用间质干细胞(MSC)进行骨质生成酶ALP活性测定，其中，细胞种植密度为5×10⁴/cm²，骨分化培养基为α-MEM，含10％胎牛血清(FBS)、抗坏血酸(50μg/ml)、***(dexamethasone，0.1μM)、β-糖磷酸(10mM)；而对照组培养基为α-MEM，含10％FBS，收集第7和第14天样品进行分析，以pNPP碱性磷酸酶检测试剂盒

及Microplate reader(Biotek，Synergy^TM H1)测量骨质生成酶ALP活性，将结果记录于图5，并以细胞培养盘(dish)的细胞的骨质生成酶ALP活性实验结果作为对照，显见本实施例的组织支架因含有生物陶瓷材料，进而提升骨质生成酶ALP活性的效果，显示本发明组织支架可有效促进骨质新生。

(3)骨分化能力测定：使用间质干细胞(MSC)进行钙沉积分析，其中，细胞种植密度为5×10⁴/cm²，骨分化培养基为α-MEM，含10％胎牛血清(FBS)、抗坏血酸(50μg/ml)、***(dexamethasone，0.1μM)、β-糖磷酸(10mM)；而对照组培养基为α-MEM，含10％FBS，收集第7、14和21天样品进行分析，将细胞样品经培养基处理后，使用茜素红(alizarin red)染色，以评估第7、14及21天的钙沉积并记录于图6。由图6结果得知，本实施例的组织支架因含有生物陶瓷材料，其钙沉积明显增加，显示本发明组织支架具有促进间质干细胞骨分化的能力。

接着，将上述制得的组织支架进行后续的动物试验。

韧带重建手术的动物试验：以纽西兰白兔作为内侧副韧带(Medial CollateralLigament,MCL)重建手术的动物模式，术前先以***(舒泰50：若朋20＝1:1，0.5ml/kg)进行麻醉，以手术刀将后肢膝关节打开，分别在股骨和胫骨钻出一条骨隧道，再把组织支架由胫骨端骨隧道穿入，再穿入股骨端骨隧道，胫骨端以金属扣(button)固定，股骨端则以金属骨钉固定，最后再将拨开的各层组织及皮肤缝合即完成手术。

最后，将上述经动物试验植入1个月或3个月之后进行的组织支架进行下述分析：

(1)扫描式电子显微镜观察：以扫描电子显微镜(QUANTA 400F/ThermoScientific^TM)观察其组织支架在动物试验植入3个月的截面及表面的组织生长情况。由图7A可见，在本实施例的组织支架的纤维表面有观察到纤维母细胞；于图7B及图7C可见，胶原纤维软组织分布于组织支架的内部及表面，形成绳状结构的组织网络并紧密地包覆本实施例的组织支架，显示本实施例的组织支架具有优异的生物相容性与生物活性，并可诱导肌腱韧带组织(纤维母细胞及胶原纤维)的再生。

(2)组织切片观察：以石蜡包埋的组织切片，再以苏木精-伊红染色及马森三色染色，观察其组织支架在动物试验植入3个月的组织生长情况，于苏木精-伊红染色(图8A)及马森三色染色(图8B)中，都可见本实施例的组织支架的周边及内部间隙充满新生的细胞和胶原纤维组织，显见本实施例的组织支架具有促进肌腱韧带组织(细胞及胶原纤维)再生的效果(即组织支架韧带化)。

(3)微型计算机断层扫描分析(micro-CT)：以微型计算机断层扫描(Brukermicro-CT,Kontich,Belgium)分析其组织支架在动物试验植入3个月后固定于骨隧道内的情况，由图9A及图9B可见，本实施例固定于骨隧道的组织支架已有新生骨形成，显见本实施例的组织支架具有植体和骨骼间界面愈合的能力(即骨整合能力)。

(4)生物力学测试：以拉伸试验机(INSTRON 3400)测量其组织支架固定于骨隧道的机械强度，先将检体固定于胫骨的金属扣剪除，再将检体移至测试载台并固定，测试其组织支架在动物试验植入1个月及3个月后，最后拉出胫骨或最终断裂的力，由图10可见，由于本实施例的组织支架因有独特的织体结构设计并具备优异的骨整合能力，故能承受较大的拉伸张力，因而提升其组织支架的机械性能。

实施例2至5：经纱纤维的断面结构不同

其组织支架的制备方法同实施例1，但分别异动其经纱纤维的断面结构为H形断面、S形断面、W形断面及十字形断面；而后，将制成的组织支架进行细胞增生数量测定及细胞贴附率分析，并记录于图3及图4。

实施例6：生物陶瓷材料浓度不同

其组织支架的制备方法同实施例1，但异动其生物陶瓷材料的含量为4％；而后，将制成的组织支架进行骨质生成酶活性分析，并记录于图5。

比较例1

其组织支架的制备方法同实施例1，但分别异动其经纱纤维的断面结构为圆形断面；而后，将制成的组织支架进行细胞增生数量测定及细胞贴附率分析，并记录于图3及图4。

比较例2

其组织支架的制备方法同实施例1，但未于主体区织体表面进行改质处理；而后，将制成的组织支架进行细胞增生数量测定及细胞贴附率分析，并记录于图3及图4。

比较例3至7

其组织支架的制备方法同比较例2，但分别改变其经纱纤维的断面结构为圆形断面、H形断面、S形断面、W形断面及十字形断面；而后，将制成的组织支架进行细胞增生数量测定及细胞贴附率分析，并记录于图3及图4。

比较例8

其组织支架的制备方法同实施例1，但不添加其生物陶瓷材料；而后，将制成的组织支架进行骨质生成酶活性分析，并记录于图5。

比较例9

其组织支架的制备方法同实施例1，但调整其生物陶瓷材料的含量为1％；而后，将制成的组织支架进行骨质生成酶活性分析，并记录于图5。

比较例10

以市售的组织支架(Orthomed，LCA60NEF)进行上述实施例1的韧带重建手术的动物试验，而后，将上述组织支架进行表面观测、组织切片、微米级计算机断层扫描及生物力学测试等分析，并记录于图7D至图7E、图8C至图8D、图9C至图9D及图10。

综上所述，本发明依组织支架不同区段各别结合对应的生物活性材料，诱导其肌腱或韧带组织的再生并同时改善骨整合能力，进而逐渐形成类似自体的肌腱或韧带组织，解决现有人工移植物于长期使用后的疲劳、磨损、断裂及稳定性差等问题。

上述实施例仅为例示性说明，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围由本发明所附的权利要求书所定义，只要不影响本发明的效果及实施目的，应涵盖于此公开技术内容中。

Claims

1.一种用于肌腱及/或韧带的组织支架，其特征在于，包括由经纱和纬纱交错编织而成的织体，其中，所述经纱包含具有异型断面结构的多根纤维，且所述织体包括：

主体区，且所述主体区的纤维表面上具有生物活性物质；以及

固定区，其中所述固定区形成于所述主体区二侧，且纬纱包含生物陶瓷材料。

2.如权利要求1所述的组织支架，其特征在于，所述经纱包含的具有异型断面结构的纤维的长轴直径为15至50微米，且构成所述织体的纬纱的纤维的直径为20至50微米。

3.如权利要求1所述的组织支架，其特征在于，所述异型断面结构包括H形断面、S形断面、W形断面、Y形断面或十字形断面。

4.如权利要求1所述的组织支架，其特征在于，所述经纱包含的具有异型断面结构的纤维的细度为1.5至50旦尼尔，且构成所述织体的纬纱的纤维的细度为40至100旦尼尔。

5.如权利要求1所述的组织支架，其特征在于，所述织体的网孔尺寸为0.1至1毫米。

6.如权利要求1所述的组织支架，其特征在于，所述织体的材料包含聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚胺基甲酸酯或上述的组合。

7.如权利要求1所述的组织支架，其特征在于，所述生物活性物质含有胶原蛋白，且所述胶原蛋白占所述主体区总重的0.5至5重量％。

8.如权利要求1所述的组织支架，其特征在于，所述生物陶瓷材料包含磷酸钙、硫酸钙、生物玻璃或上述的组合。

9.如权利要求1所述的组织支架，其特征在于，所述固定区的纬纱中含有所述生物陶瓷材料，且所述生物陶瓷材料占所述固定区纬纱总重的1至4重量％，而所述固定区的经纱中不含所述生物陶瓷材料。

10.如权利要求1所述的组织支架，其特征在于，所述生物陶瓷材料为羟基磷灰石，且所述羟基磷灰石平均粒径为10至200纳米。