多孔仿生跟腱支架及其制备方法

本发明应用于组织工程类医疗器械领域，特别涉及一种多孔仿生跟腱支架及其制备方法。

背景技术：

1、跟腱，即腓肠肌和比目鱼肌肌腹下端移行的腱性结构，是人体最强壮的肌腱，对行走、跑步、跳跃等功能发挥着重要作用。跟腱损伤多发于竞技运动员中，终生发病率可高达50％。然而，现有临床治疗常见方法，如缝线、自体移植、异体移植等，常常导致跟腱修复处产生瘢痕，无法恢复跟腱的完整功能，临床上对跟腱的再生修复还面临着巨大挑战，急需一种创新治疗方法应对跟腱组织再生修复的问题。因此设计一种多孔仿生跟腱支架对解决跟腱修复再生问题具有十分重要的意义。

2、电效应在跟腱组织修复和再生中发挥着重要的作用，如促进细胞迁移到受损区域、合成胶原蛋白；修复受损神经、调控血管内皮细胞增殖等。

3、拉胀结构具有负泊松比效应，即在轴向拉伸载荷作用下材料纵向膨胀；轴向受压缩时材料纵向收缩。拉胀结构独特的变形方式赋予材料优异的力学特性，如高剪切模量、高断裂韧度以及良好的促组织再生能力等，在组织工程领域具有广泛应用前景。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是设计一种具有仿生跟腱电效应与变形特征的多孔仿生跟腱支架。利用拉胀性对跟腱支架的内部纤维束和外部拉胀编织套筒进行微结构设计，使得轴向拉伸支架时，内部纤维束和外部编织套筒都产生径向膨胀变形且相互接触摩擦，产生电效应，从而提供与天然跟腱组织相似的电与静、动态力学微环境，促进跟腱组织再生。

2、本申请的一种多孔仿生跟腱支架，所述支架具有内外双层结构，包括：内层的若干纤维束及包绕所述纤维束的导电编织套；

3、若干纤维束平行设置于所述导电编织套，且与导电编织套轴向方向一致；

4、所述纤维束与编织套都利用拉胀性进行结构设计。设计支架时，通过参数优化保证内部纤维束拉胀变形大于外部编织套拉胀变形；轴向拉伸支架时，内部的纤维束因负泊松比效应沿径向方向膨胀，纤维束之间彼此相接触产生电效应；同时外部的导电编织套负泊松比效应沿径向方向膨胀，使得编织套与纤维束相互接触产生电效应；

5、所述纤维束包括导电聚合物层和导电金属螺旋纱线，导电聚合物层内含有螺旋纱线；于一实施例中，导电聚合物层为圆柱结构，也可根据临床实际需求调整聚合物层结构；

6、所述导电编织套宏观结构为中空的圆柱结构，也可根据临床实际需求更改结构；于一实施例中，所述外部编织套的微观结构设计可采用如图1所示的经典拉胀结构，也可采取不限于上述结构的负泊松比微结构进行设计；

7、对本申请进行支架微结构设计时，通过合理选择基本单元类型和尺寸，调控支架相关力学参数，使得支架力学性能与人体跟腱力学性能相适配。

8、本申请的支架制备材料为医用生物相容性良好的金属、聚合物及可降解类医用级材料。为满足临床上对生物支架可降解性的要求，可选择聚乳酸、pva、pcl等生物相容性良好、可降解材料制备支架。此外，现有跟腱支架材料的导电性能仍不足以仿生模拟人体跟腱的电效应作用机制，因此所述支架的制备材料应添加电效应增强材料以增强支架的电效应。

9、于一实施例中，所述的多孔仿生跟腱支架制造所用材料范围宽泛，其中所述导电聚合物层的材质根据临床需求选择生物相容性良好、可降解/不可降解的导电材料。可选择pdms、pvc、纤维织物等导电聚合物进行制备。需要说明的是，支架制备材料不局限于上述材料，可根据临床需求选取。

10、所述导电螺旋纱线选择生物相容性良好的导电金属材料。导电金属可选择不锈钢、镁合金、钛合金、医用贵金属等生物相容性良好的材料，其中多孔镁合金材料作为一种可降解的生物材料，可为跟腱细胞提供三维生长的空间，诱导跟腱细胞分化生长和血管长入。需要说明的是，支架制备材料不局限于上述材料，可根据临床需求选取。

11、所述导电编织套选择生物相容性良好、可降解/不可降解的导电材料。

12、于一实施例中，所述导电聚合物层、导电金属螺旋纱线和导电编织套的材质中还包括钛酸钡、石英等电效应性能增强材料。

13、于一实施例中，所述钛酸钡粉末的粒径范围为50～200nm。

14、于一实施例中，所述支架为具有负泊松比的微结构构成，根据临床需求设计微结构类型和尺寸来调节支架的力学性能、拉胀效果和电效应，在设计时，通过调控支架相关力学参数，使得支架力学性能与人体跟腱力学性能相适配。

15、于一实施例中，所述支架的微孔结构的孔径为内部纤维束的直径，范围为10～1000μm；

16、所述支架的微孔结构的孔隙率为纤维束彼此之间的空隙，孔隙率范围为5～84％。

17、于一实施例中，所述支架的弹性模量范围为54～660mpa，所述支架的负泊松比范围为-2～0，所述支架的压电系数范围为0.2～2.0pc/n。

18、于一实施例中，所述支架的导电聚合物层的半径为2mm；所述导电螺旋纱线的螺距范围为0.8～2mm，所述导电螺旋纱线的螺旋半径范围0.6～1.2mm，所述导电螺旋纱线的直径范围为0.55～0.65mm。

19、本申请还提供一种多孔仿生跟腱支架的制备方法，包括：

20、步骤1，确定支架的微结构，所述支架由具有负泊松比结构的微结构单元构成；

21、步骤2，利用pro/e软件对所述支架进行建模，并对支架进行有限元分析，确定支架制备材料的种类及各项力学参数的最适范围；

22、步骤3，基于支架的微结构、所选材料的种类、各项力学参数，通过增材制造3d打印配合静电纺丝技术，制备所述支架。

23、于一实施例中，所述步骤2进一步包括：

24、步骤21，将导电聚合物层的二维圆形结构拉伸成三维圆柱结构；

25、步骤22，将导电金属螺旋纱线二维结构进行螺旋扫描，绘制出纱线的三维弹簧结构；

26、步骤23，利用布尔运算切除导电聚合物层的多余部分，获得所述支架内部的纤维束三维模型；

27、步骤24，根据给定的导电编织套的负泊松比结构的微结构单元，通过复制单元等操作得到导电编织套的二维平面结构；

28、步骤25，将编织套的二维平面结构拉伸成三维立体结构，通过后续卷曲操作得到三维套筒结构。

29、本发明的有益效果：

30、本发明在跟腱支架设计中引入拉胀结构，利于跟腱细胞附着和增殖，诱导组织修复再生和血管方向的分化。同时，支架制备所需的导电材料和电效应性能增强材料可以促进跟腱组织正常功能的恢复。此外，跟腱支架的可降解性使得其在植入后早期阶段为受损跟腱组织提供暂时性支持结构，同时促进细胞黏附、增殖和分化，且因其能逐步降解，避免对患者进行额外的手术以去除支架，从而减轻手术负担，以上优点使得仿生支架在组织工程和再生医学方面具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种多孔仿生跟腱支架，其特征在于，所述支架具有内外双层结构，包括：内层的若干纤维束及包绕所述纤维束的导电编织套；

2.如权利要求1所述的多孔仿生跟腱支架，其特征在于，所述导电聚合物层的材质根据临床需求选择生物相容性良好、可降解/不可降解的导电材料；

3.如权利要求2所述的多孔仿生跟腱支架，其特征在于，所述导电聚合物层、导电金属螺旋纱线和导电编织套的材质中还包括钛酸钡、石英等电效应性能增强材料。

4.如权利要求3所述的多孔仿生跟腱支架，其特征在于，所述钛酸钡粉末的粒径范围为50～200nm。

5.如权利要求1所述的多孔仿生跟腱支架，其特征在于，所述支架由负泊松比的微结构构成，根据临床需求设计微结构类型和尺寸来调节支架的力学性能、拉胀效果和电效应，在设计时，通过调控支架相关力学参数，使得支架力学性能与人体跟腱力学性能相适配。

6.如权利要求5所述的多孔仿生跟腱支架，其特征在于，所述支架的微孔结构的孔径为内部纤维束的直径，范围为10～1000μm；

7.如权利要求5所述的多孔仿生跟腱支架，其特征在于，所述支架的弹性模量范围为54～660mpa，所述支架的负泊松比范围为-2～0，所述支架的压电系数范围为0.2～2.0pc/n。

8.如权利要求5所述的多孔仿生跟腱支架，其特征在于，所述支架的导电聚合物层的半径为2mm；所述导电螺旋纱线的螺距范围为0.8～2mm，所述导电螺旋纱线的螺旋半径范围0.6～1.2mm，所述导电螺旋纱线的直径范围为0.55～0.65mm。

9.一种多孔仿生跟腱支架的制备方法，其特征在于，包括：

10.如权利要求9所述的多孔仿生跟腱支架的制备方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：

技术总结本申请公开了一种多孔仿生跟腱支架及其制备方法，其中该支架具有内外双层结构，包括：内层的若干纤维束及包绕纤维束的导电编织套。纤维束与编织套都利用拉胀性进行结构设计；轴向拉伸支架时，内部纤维束因负泊松比效应径向膨胀，纤维束之间相接触形成电效应；外部编织套也因负泊松比效应径向膨胀，且内部纤维束的拉胀变形大于外部编织套的拉胀变形，使得两者相互接触形成电效应。本案的支架具有多孔结构、仿生拉胀变形特征，利于跟腱细胞迁移、增殖和血管方向的分化表达；支架的仿生电效应可诱导跟腱细胞修复和再生，通过添加钛酸钡等纳米颗粒增强支架导电性能，提高跟腱功能；且支架可选择制备材料种类宽泛，在组织工程领域中有广泛应用前景。技术研发人员：姚艳,徐榕锴,王丽珍,樊瑜波,陈烜赫,孟祥洲受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11