本发明公开了一种蚕丝蛋白基人工韧带修复材料及其制备方法,该韧带修复材料包括支架和衬纬纱,所述支架由天然桑蚕丝采用双轴向衬纬经编构成;衬纬纱为再生桑蚕丝素蛋白长丝和再生桑蚕丝纳米纤维纱线。具体制备方法包括以下步骤:(1)制备双轴向衬纬经编支架材料;(2)采用干法或湿法纺丝制备再生丝素蛋白长丝;(3)制备再生丝素蛋白膜并溶解,使用静电纺丝法制备纳米丝素蛋白纤维纱线;(4)以纯丝素经编支架材料为基材,再生丝素蛋白长丝及纳米丝素蛋白纤维纱线作为衬纬纱织入经编支架材料中,卷绕得到人工韧带修复材料,再将韧带材料两边缝合形成柱状结构即可。制备方法简单高效,由此得到的人工韧带修复材料具有优异的相容性与降解性以及力学性能。
1.一种蚕丝蛋白基人工韧带修复材料,包括支架和衬纬纱,其特征在于:所述支架由天然桑蚕丝采用双轴向衬纬经编构成;衬纬纱为再生桑蚕丝素蛋白长丝和再生桑蚕丝纳米纤维纱线,所述衬纬纱织入在支架的经编组织结构中并卷绕形成人工韧带材料;所述人工韧带材料的两边缝合即得到所述的蚕丝蛋白基人工韧带修复材料。
2.根据权利要求1所述的人工韧带修复材料,其特征在于:所述人工韧带修复材料中天然桑蚕丝用量占人工韧带修复材料总量的30~70%;再生桑蚕丝素蛋白长丝用量占人工韧带修复材料总量的10~30%;再生桑蚕丝纳米纤维纱线用量占人工韧带修复材料总量的20~40%。
3.根据权利要求1所述的人工韧带修复材料,其特征在于:所述人工韧带修复材料长度为27.5~41cm;所述再生桑蚕丝素蛋白长丝的直径为15~80μm;所述再生桑蚕丝纳米纤维纱线的直径为50~2000nm。
4.根据权利要求1所述的人工韧带修复材料,其特征在于:所述人工韧带修复材料还包括加强纤维;所述加强纤维为碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维或者聚酯纤维。
5.根据权利要求4所述的人工韧带修复材料,其特征在于:所述人工韧带修复材料中加强纤维用量占衬纬纱总用量的10~90%。
6.一种制备权利要求1所述的人工韧带修复材料的方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)采用天然桑蚕丝编织双轴向衬纬经编支架材料,后经过脱胶得到桑蚕丝素经编支架材料;(2)天然桑蚕丝经脱胶、溶解、透析后制备再生丝素蛋白溶液,采用干法或湿法纺丝制备再生桑蚕丝素蛋白长丝;(3)天然桑蚕丝经脱胶、溶解、透析、干燥后制备再生丝素蛋白膜,使用六氟异丙醇或甲酸溶解丝素蛋白膜,然后采用静电纺丝法制备再生桑蚕丝纳米纤维纱线;(4)以丝素经编支架材料为基材,再生桑蚕丝素蛋白长丝及再生桑蚕丝纳米纤维纱线作为衬纬纱织入经编组织结构中,卷绕形成人工韧带材料,最后将韧带材料两边缝合即得所述的蚕丝蛋白基人工韧带修复材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中,衬纬纱还包括碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维或者聚酯纤维。xa0
8.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中制备的再生桑蚕丝素长丝还经过1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺和N-羟基丁二酰亚胺交联处理。
9.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于:按质量比,天然桑蚕丝∶再生桑蚕丝素蛋白长丝∶再生桑蚕丝纳米纤维纱线为(30~70)∶(10~30)∶(20~40)。技术领域
本发明涉及一种人工韧带修复材料,具体涉及一种蚕丝蛋白基人工韧带修复材料及其制备方法,属于植入性医疗器械技术领域。
背景技术
随着组织工程学的兴起,人工韧带作为前交叉韧带重建材料再次得到人们的重视,为韧带重建提供了一条有效的途径。组织工程学人工韧带综合生命科学和工程学等学科的发展,使用生物纤维和合成材料作为韧带支架,在体外和体内促进细胞和组织的黏附和生长,xa0以替代正常的前交叉韧带。现有技术中,属于研究热点并且已取得一定进展的人工韧带材料为永久型韧带材料,如:碳素纤维韧带;Dacron韧带,材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯;Gore-Tex韧带,材料为聚四氟乙烯;LAD加强韧带,材料为聚丙烯;LARS聚酯韧带等。但上述韧带材料都存在不足:碳素纤维韧带退变快,不能提供足够的抗拉强度,组织相容性差,裂解颗粒引起较重的炎症反应,柔顺性差;Dacron韧带材料易出现并发症,如韧带断裂和滑膜炎;Gore-Tex韧带材料虽然强度大,重建早期效果尚好,但会随时间延续发生变性,出现并发症;LAD加强韧带材料植入膝关节内部后会导致反应性渗出、关节纤维化和滑膜炎,增加感染机会;LARS聚酯韧带无法在体内降解,不能引导细胞生长促进人体自身韧带组织的形成。所以,合适的人工韧带修复材料首先要具备优异的生物相容性与可降解性能。丝素蛋白是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白,具有优良的生物相容性和良好的物理化学性能,近年来成为组织工程支架材料研究的热点对象之一。研究表明丝素材料具有比其他天然纤维和高性能合成纤维更独特的力学性能;纤维表面易于化学共价修饰黏附位点和细胞因子,可通过不同方法处理获得多种形态及改变表面性能;在体内可以缓慢降解为氨基酸,且降解产物对生物体无危险性。Altman等人采用蚕丝蛋白设计组织工程前交叉韧带,其3-D空间结构称之为钢缆式结构,其力学性质和耐疲劳性均令人满意(参见:Gregoryxa0H.xa0Altman,Davidxa0L.xa0Kaplanxa0etxa0al.xa0Biomaterials.xa023xa0(2002)4131–4141),但细胞培养过程中,由于钢缆式韧带结构紧密,细胞只能附着于支架的表面,无法进入支架内部;Haifengxa0Liu等人研究了丝素框架型韧带材料,将蚕丝支架材料浸入丝素蛋白溶液后最终形成3-D空间结构(参见:Haifengxa0Liu,Hongbinxa0Fanxa0etxa0al.xa0Biomaterials.xa029xa0(2008)662–674),但形成的多孔丝素材料的稳定性难于控制;Laurencin等人以PLLA为原料,编织带状支架材料形成3-D空间结构(参见:Cooperxa0JA,xa0Luxa0HHxa0etxa0al.xa0Biomaterials.xa026xa0(2005)1523–1532),其韧带为纤维束交叉编织成带状,韧带中段与两端的交叉角度有所差异,但中段纱线线结构有交叉,会部分影响细胞粘附。所以,需要开发新的人工韧带修复材料。
发明内容
本发明目的是提供一种蚕丝蛋白基人工韧带修复材料,利用天然桑蚕丝、再生桑蚕丝以及再生桑蚕丝纳米纤维纱线共同构建,以获得生物相容性好的材料,改善细胞在人工韧带修复材料中的附着及生长。本发明的另一个目的是提供上述材料的制备方法。为达到上述目的,本发明采用的技术方案是,一种蚕丝蛋白基人工韧带修复材料,包括支架和衬纬纱,所述支架由天然桑蚕丝采用双轴向衬纬经编构成;衬纬纱为再生桑蚕丝素蛋白长丝和再生桑蚕丝纳米纤维纱线,所述衬纬纱织入在支架的经编组织结构中。上述技术方案中,天然桑蚕丝用量占人工韧带修复材料总量的30~70%;再生桑蚕丝素蛋白长丝用量占人工韧带修复材料总量的10~30%;再生桑蚕丝纳米纤维纱线用量占人工韧带修复材料总量的20~40%。上述技术方案中,所述人工韧带修复材料长度为27.5~41cm;所述再生桑蚕丝素蛋白长丝的直径为15~80μm;所述再生桑蚕丝纳米纤维纱线的直径为50~2000nm。本发明公开的人工韧带修复材料的直径可以根据所要修复的韧带的直径设计,优选为所要修复的韧带直径的0.8~1.5倍。优选的技术方案中,所述人工韧带修复材料还包括加强纤维,其作为衬纬纱织入经编组织结构中,用量占衬纬纱总用量的10~90%;所述加强纤维为碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维或者聚酯纤维。本发明还公开了一种制备上述人工韧带修复材料的方法,包括以下步骤:(1)采用天然桑蚕丝编织双轴向衬纬经编支架材料,后经过脱胶得到桑蚕丝素经编支架材料;(2)天然桑蚕丝经脱胶、溶解、透析后制备再生丝素蛋白溶液,采用干法或湿法纺丝制备再生桑蚕丝素蛋白长丝;(3)天然桑蚕丝经脱胶、溶解、透析、干燥后制备再生丝素蛋白膜,使用六氟异丙醇或甲酸溶解丝素蛋白膜,然后采用静电纺丝法制备再生桑蚕丝纳米纤维纱线;(4)以丝素经编支架材料为基材,再生桑蚕丝素蛋白长丝及再生桑蚕丝纳米纤维纱线作为衬纬纱织入经编组织结构中,卷绕形成人工韧带材料,最后将韧带材料两边缝合即得所述的蚕丝蛋白基人工韧带修复材料。上述技术方案中,按质量比,天然桑蚕丝∶再生桑蚕丝素蛋白长丝∶再生桑蚕丝纳米纤维纱线为(30~70)∶(10~30)∶(20~40)。优选的技术方案中,步骤(4)中,将碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维或者聚酯纤维与步骤(2)、(3)中所制得的再生丝素蛋白长丝以及再生桑蚕丝纳米纤维纱线作为衬纬纱织入步骤(1)制备的天然桑蚕丝经编支架材料中,共同构建人工韧带修复材料;碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维或者聚酯纤维的用量占衬纬纱总用量的10~90%。本发明中,编织经编支架材料、蚕丝脱胶、溶解、透析、干法纺丝、湿法纺丝、静电纺丝、卷绕以及缝合都属于现有技术,本领域技术人员可以根据产品自行选择。本发明优选的条件如下:上述步骤(1)中经编支架材料的编织其组织采用RSM双轴向衬纬经编机进行织造,组织工艺、穿纱线工艺如下所示:组织工艺:GB1:2-3/3-2/1-0/2-3/1-0/0-1/2-3/1-0//GB2:1-0/0-1//×4;穿纱线工艺:GB1:满穿GB2:满穿;机号:E12上述步骤(2)中,再生桑蚕丝素蛋白长丝的制备是将天然桑蚕丝经脱胶、溶解、透析处理后形成质量分数为4%的丝素蛋白水溶液,将其放置于聚乙二醇(PEG)溶液中低速搅拌浓缩至质量分数为22%、27%、32%的丝素蛋白水溶液;在温度为25°C左右,在0-5d的存放时间内进行湿法纺丝,将初生丝素纤维浸泡在无水乙醇中,密封,置于室温下24xa0h,在60°C以上的去离子水中进行牵伸,将初生纤维牵伸一倍,于120xa0°C下热定形30xa0min;再将初生丝素纤维放置于质量比为2∶1的1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺(EDC)/N-羟基丁二酰亚胺(NHS)中,按一定比例加入乙醇/水(V_C2H5OH/V_H2O=90/10)中配制成的质量分数为4.5%的交联液,过24xa0h,在60°C以上的去离子水中牵伸,后置于120xa0°C下热定形30xa0min,得到EDC/NHS交联后的再生桑蚕丝素蛋白长丝。上述步骤(3)中,静电纺丝法是将天然桑蚕丝经脱胶、溶解、透析处理后形成质量分数为4~8%的丝素蛋白水溶液,将水溶液倒入聚乙烯塑料平板上,在室温条件下干燥得到丝素膜;将再生丝素膜溶解在六氟异丙醇(HFIP)或甲酸中,于恒温25°C水浴中振荡一周制得质量分数为10~12%的纺丝液,将纺丝液倒入注射器中进行静电纺丝,9号针头,纺丝流量2mL/h,调整电压和固化距离,使场强达到1kV/cm,制得再生桑蚕丝纳米纤维纱线。上述步骤(4)中,采用拷边机将韧带材料两边缝合,得到的人工韧带修复材料为柱形结构,总体长度27.5~41cm,平行纤维区域长度1.5~5cm,两端编结区域长度各为10~15cm,固结区域长度为3cm,直径为8~15mm。该韧带修复材料以天然桑蚕丝制织的经编组织结构为基础支架,保证了韧带结构的力学性能;同时在支架的内部增加再生丝素蛋白长丝和再生桑蚕丝纳米纤维纱线,其纤维尺寸更利于引导细胞生长,从而加快自身韧带组织的形成,同时能够在自身韧带组织形成的过程中逐渐降解,达到组织工程韧带的优良性质,还为新生组织提供支撑,并保持一定时间至新生组织具有滋生生物力学特性。由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:(1)本发明所用原料为纯天然丝素蛋白,具有优异的生物相容性,无毒、利于细胞粘附、生长和分化,最终降解产物为氨基酸,对人体无害;由此制备的人工韧带修复材料具有良好的生物相容性与可降解性的同时具有高的力学强度;(2)本发明所公开的韧带修复材料呈现三维立体结构,具有高孔隙率、高比表面积的特征,可提供足够空间利于细胞粘附生长以及营养物质进入、代谢产物的排出;(3)本发明所公开的制备方法简单,易于操作,适合工业化生产。
附图说明
图1为实施例一中经编支架的结构图;图2为实施例一中人工韧带修复材料的结构示意图;图3为实施例一中再生桑蚕丝素蛋白长丝纤维的纵向扫描电镜图;图4为实施例一中再生桑蚕丝纳米纤维纱线的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:实施例一:(1)天然桑蚕丝经编支架材料的编织其组织采用RSM双轴向衬纬经编机进行织造,组织工艺、穿纱线工艺如下所示:a.组织工艺:GB1:2-3/3-2/1-0/2-3/1-0/0-1/2-3/1-0//GB2:1-0/0-1//×4b.穿纱线工艺:GB1:满穿;GB2:满穿c.机号:E12;(2)将天然桑蚕丝经脱胶、溶解、透析处理后形成质量分数为5%的丝素蛋白水溶液,将其放置于PEG溶液中低速搅拌浓缩至质量分数为22%的丝素蛋白水溶液;在温度为25°C左右,在5d的存放时间内进行湿法纺丝,将初生丝素纤维浸泡在无水乙醇中,密封,置于室温下24xa0h,在60°C以上的去离子水中进行牵伸,将初生纤维牵伸一倍,于120xa0°C下热定形30xa0min。将初生丝素纤维放置于EDC/NHS(wt/wt=2/1)按一定比例加入到乙醇/水(V_C2H5OH/V_H2O=90/10)中配制成的质量分数为4.5%的交联液中24xa0h,在60°C以上的去离子水中牵伸,后置于120xa0°C下热定形30xa0min,得到EDC/NHS交联后的再生桑蚕丝素蛋白长丝;(3)将天然桑蚕丝经脱胶、溶解、透析处理后形成质量分数为5%的丝素蛋白水溶液,将水溶液倒入聚乙烯塑料平板上,在室温条件下干燥得到丝素膜;将再生丝素膜溶解在HFIP中,于恒温25xa0°C水浴中振荡一周制得质量分数为10%的纺丝液。将纺丝液倒入注射器中进行静电纺丝,9号针头,纺丝流量2mL/h,调整电压和固化距离,使场强达到1kV/cm,制得再生桑蚕丝纳米纤维纱线;(4)将增强纤维碳纤维以及步骤(2)(3)中所制得的再生桑蚕丝素蛋白长丝以及再生桑蚕丝纳米纤维纱线作为衬纬纱织入步骤(1)制备的天然桑蚕丝经编支架材料中,共同构建人工韧带修复材料,再采用拷边机将韧带材料两边缝合形成柱状结构,人工韧带修复材料的总体长度29cm,平行纤维区域长度3cm,两端编结区域长度各为10cm,固结区域长度为3cm,直径为10mm;该人工韧带修复材料的断裂强力为1250N。附图1为上述经编支架的结构图;附图2为上述人工韧带修复材料的结构示意图,A:平行纤维区;B:编织区;C:固结区;附图3为上述再生桑蚕丝素蛋白长丝纤维的纵向扫描电镜图;附图4为上述再生桑蚕丝纳米纤维纱线的扫描电镜图。参见附图1、图2、图3和图4,按本实施例所制得的人工韧带修复材料总长度为29cm,平行纤维区域长度3cm,两端编结区域长度各为10cm,固结区域长度为3cm,直径为10mm;再生桑蚕丝素蛋白长丝的平均直径约为12μm;再生桑蚕丝纳米纤维纱线的直径为280nm。实施例二:(1)经编支架材料的编织同实施例一;(2)将天然桑蚕丝经脱胶、溶解、透析处理后形成质量分数为5%的丝素蛋白水溶液,将其放置于PEG溶液中低速搅拌浓缩至质量分数为27%的丝素蛋白水溶液;在温度为25°C左右,在3d的存放时间内进行湿法纺丝,将初生丝素纤维浸泡在无水乙醇中,密封,置于室温下24xa0h,在60°C以上的去离子水中进行牵伸,将初生纤维牵伸一倍,于120xa0°C下热定形30xa0min。将初生丝素纤维放置于EDC/NHS(wt/wt=2/1)按一定比例加入到乙醇/水(V_C2H5OH/V_H2O=90/10)中配制成的质量分数为4.5%的交联液中24xa0h,在60°C以上的去离子水中牵伸,后置于120xa0°C下热定形30xa0min,得到EDC/NHS交联后的再生桑蚕丝素蛋白长丝;(3)将天然桑蚕丝经脱胶、溶解、透析处理后形成质量分数为7%的丝素蛋白水溶液,将水溶液倒入聚乙烯塑料平板上,在室温下干燥得到丝素膜;将再生丝素膜溶解在甲酸中,于恒温25xa0°C水浴中振荡一周制得质量分数为11%的纺丝液。将纺丝液倒入注射器中进行静电纺丝,9号针头,纺丝流量2mL/h,调整电压和固化距离,使场强达到1kV/cm,制得再生桑蚕丝纳米纤维材料;(4)将增强纤维超高分子量聚乙烯纤维以及步骤(2)(3)中所制得的再生丝素蛋白长丝以及再生桑蚕丝纳米纤维纱线作为衬纬纱织入步骤(1)制备的天然桑蚕丝经编支架材料中,共同构建人工韧带修复材料,进一步提高材料的力学性能。再采用拷边机将韧带材料两边缝合形成柱状结构,人工韧带修复材料的总体长度27.5cm,平行纤维区域长度1.5cm,两端编结区域长度各为10cm,固结区域长度为3cm,直径为6mm。