软骨修复支架及其制备方法与流程

1.本发明涉及骨科植入物技术领域，具体而言，涉及一种软骨修复支架及其制备方法。


背景技术：

2.骨软骨损伤在临床骨科中较为常见，骨软骨缺损的修复仍然是骨科最具挑战性的临床问题之一。由于软骨细胞缺乏迁徙能力，软骨细胞少且增殖能力差，软骨组织内无血液供应，营养来源于周围关节滑液等原因导致软骨损伤难以修复。到目前为止，已经有各种临床治疗方法可以在一定程度上缓解症状和提高生活质量，包括微骨折技术、马赛克成形术、软骨下钻孔、软骨刮除、磨损关节成形术、自体/同种异体骨移植和关节置换手术(redman等人，2005年；gracitelli等人，2016年)，但他们都具有一些缺点，如清创术或灌洗术只适合于损伤小于2 cm2，且术后不能快速恢复活动能力；对于马赛克技术，则只适合大于4 cm2的创伤，且由于需要取正常软骨作为移植原料，导致手术创伤较大且术后存在一些并发症如关节炎等。尤其当骨软骨损伤涉及到不同层次的关节软骨、软骨-骨界面及软骨下骨的复杂情况时，这些方法都不能实现骨软骨炎（osteochondritis, oc）的完全修复和关节功能的满意重建。
3.近年来，越来越多的学者对不同梯度的骨软骨组织进行研究，包括其微观结构、生物学特性(ansari等人，2019年)，基于不同梯度支架的骨软骨组织工程策略取得了很大的进展。但目前大多数的梯度支架均没有实现与骨软骨相当的力学性能，植入后病人不能在短期内恢复行走。3d打印金属支架通过调节金属支架的孔径及孔隙率，几乎可以达到与松质骨相当的力学性能，从而实现术后即刻承重的效果。但钛金属本身并无生物活性，仅仅起到一个细胞攀爬的支架作用，无法促进骨组织修复。
4.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种软骨修复支架及其制备方法，以解决现有技术中大多数梯度支架均没有实现与骨软骨相当的力学性能，3d打印金属支架能够达到与松质骨相当的力学性能，但钛金属并未无生物活性无法促进骨组织修复的问题。
6.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种软骨修复支架，该软骨修复支架包括金属支架，该金属支架包括金属软骨下骨层和与该金属软骨下骨层固定连接的固定柱，该金属软骨下骨层远离固定柱的表面设置有光滑层，该光滑层与金属软骨下骨层之间设置有复合软骨层；其中，复合软骨层和金属支架各自独立地为多孔结构，该复合软骨层的孔隙率为40~60%，孔径为300~800μm；金属支架的孔隙率为30%~90%，孔径为200~1200μm，弹性模量为2.5~4.5gpa。
7.进一步地，金属支架的材料各自独立地选自ti、ti-6al-4v、ti-6al-17nb、ti-13nb-13zr或ti-5zr-3mo-15nb中的至少一种。
8.进一步地，金属支架的空隙中填充有水凝胶，该水凝胶的材料包括第一可降解物和氯化镁，优选第一可降解物与氯化镁的质量比为（5~25）:（8~40）；其中，第一可降解物为海藻酸钠和/或透明质酸。
9.进一步地，复合软骨层的材料包括第一可降解物、氯化镁以及第二可降解物，且三者的质量比为1~3:1~3:1；其中第一可降解物为海藻酸钠和/或透明质酸，该第二可降解物为羟基磷灰石和/或生物玻璃。
10.进一步地，光滑层的材料包括第一可降解物、氯化镁、第二可降解物和丝素蛋白，且四者质量比为0.5~2.5:0.5~2.5:1:3~5，其中，第一可降解物、第二可降解物各自独立地为海藻酸钠和/或透明质酸。
11.进一步地，软骨修复支架的总高度为5~13mm。
12.进一步地，光滑层的厚度为200~1000μm.
13.进一步地，复合软骨层的厚度为1~2mm。
14.进一步地，金属软骨下骨层的厚度为3~5mm。
15.进一步地，固定柱的个数为2~6。
16.为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，还提供了一种软骨修复支架的制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤s1，通过3d打印的方式制备金属软骨下骨层以及与金属软骨下骨层固定连接的固定柱，得到金属支架；步骤s2，将复合软骨层复合于金属软骨下骨层远离固定柱的表面，得到双层复合支架；步骤s3，在复合软骨层上通过静电纺丝形成光滑层，得到软骨修复支架；其中，金属支架、金属软骨下骨层、固定柱、复合软骨层和光滑层均有上述第一个方面中相同含义。
17.进一步地，步骤s1包括：步骤s11，通过3d打印得到金属软骨下骨基底和与金属软骨下骨基底固定连接的固定柱基底；步骤s12，将金属软骨下骨基底以及固定柱基底在惰性气氛下进行热处理，得到金属支架，优选热处理的温度为800~1300℃，时间为1~2h。
18.进一步地，步骤s1还包括设置于步骤s12之后的步骤s13，步骤s13为：在金属支架的孔隙中填充水凝胶，包括以下步骤：步骤s131，将第一可降解物溶解于水中，得到第一可降解物溶液，其中，第一可降解物与水的质量体积比为5~25g:100ml；步骤s132，将第一可降解物溶液与氯化镁溶液混合，得到水凝胶溶液，其中，第一可降解物溶液与氯化镁溶液的体积比为1:1~2，氯化镁溶液的质量浓度为8~20%；步骤s133，将金属支架置于水凝胶溶液中进行交联处理后取出，冻干，得到孔隙中填充有水凝胶的金属支架。
19.进一步地，步骤s2包括：步骤s21，先将第二可降解物与第一可降解物溶液混合，得到可降解物混合溶液，再将氯化镁溶液与可降解物溶液混合，得到降解物与氯化镁的混合溶液，其中，第一可降解物与第二可降解物的质量比为1~3:1，氯化镁溶液与降解物混合溶液的体积比为1:1~2；步骤s22，将降解物与氯化镁的混合溶液依次进行交联处理和固液分离，得到待成型复合软骨材料；步骤s23，将待成型复合软骨材料铺设于金属软骨下骨层远离固定柱的表面，冻干，得到双层复合材料。
20.进一步地，步骤s3包括：步骤s31，将水凝胶溶液依次进行交联处理和固液分离，得到下层凝胶；步骤s32，将下层凝胶、第二可降解物和丝素蛋白混合并分散于有机溶剂中，得到混合纺丝液，下层凝胶、第二可降解物和丝素蛋白的质量比为1~5:1:3~5，有机溶剂优选为六氟异丙醇；步骤s33，将混合纺丝液进行静电纺丝，在复合软骨层远离金属支架的表面
形成静电纺丝膜，该静电纺丝膜即光滑层。
21.进一步地，上述制备方法还包括设置于步骤s3之后的步骤s4，该步骤s4包括：将软骨修复支架进行灭菌处理。
22.进一步地，灭菌处理为co辐照灭菌。
23.应用本技术的技术方案，通过在金属支架上设依次置复合软骨层和光滑层模拟骨软骨组织的梯度组织，金属支架与软骨下骨层力学强度相当，复合软骨层与软骨层的力学相当，植入体内后使患者能够在较短时间内恢复活动能力，同时金属支架和复合软骨层均为多孔结构，不仅能够支持细胞生长，而且能够促进骨生长，进而缩短术后恢复周期。此外，在复合软骨层上设置有具备光滑表面结构的光滑层，能够有效避免软骨修复支架与机体的摩擦。
24.本技术提供的软骨修复支架能够适用于软骨损伤outerbridge 分级级和级病变，不仅不以自身软骨软质作为软骨组织作为软骨修复原料，减轻对患者身体上的伤害，而且能够根据患者软骨下骨受损伤的程度，提供不同尺寸的软骨修复支架，修复的软骨面积为3~7cm2，有效解决了现有修复支架修复面积受限的问题。
附图说明
25.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
26.图1示出了实施例1提供的软骨修复支架模型的结构示意图；
27.图2示出了实施例7提供的软骨修复支架模型的结构示意图；
28.图3示出了实施例8提供的软骨修复支架模型的结构示意图；
29.图4示出了实施例1中的干凝胶以及复合软骨材料在pbs缓冲液中mg
2+
浓度示意图；
30.图5示出了实施例1中金属支架、干凝胶、分别与大鼠骨髓间充质干细胞（rbmscs）复合培养后在450nm处不同时间的od值示意图；
31.图6（a）示出了实施例1中的复合软骨层水接触角测试图；
32.图6（b）示出了实施例1中光滑层水接触角测试图；
33.图7（a）为实施例1提供的软骨修复支架植入大鼠骨缺损模型中的骨密度随时间的变化图；
34.图7（b）实施例1提供的软骨修复支架植入大鼠骨缺损模型中的骨体积分数随时间的变化图。
35.附图标记：
36.1、光滑层；2、软骨复合层；3、金属软骨下骨层；4、固定柱。
具体实施方式
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
38.如本技术背景技术所分析的，现有技术中大多数梯度支架均没有实现与骨软骨相当的力学性能，尽管3d打印金属支架能够达到与松质骨相当的力学性能，但钛金属并未无生物活性无法促进骨组织修复的问题。为了解决该问题，本技术提供了一种软骨修复支架
及其制备方法。
39.在本技术的一种典型实施方式中，提供了一种软骨修复支架，该软骨修复支架包括金属支架，该金属支架包括金属软骨下骨层和与该金属软骨下骨层固定连接的固定柱，金属软骨下骨层远离固定柱的表面设置有光滑层，光滑层与金属软骨下骨层之间设置有复合软骨层；其中，复合软骨层和金属支架各自独立地为多孔结构，复合软骨层的空隙率为40~60%，孔径为300~800μm；金属支架的孔隙率为30~90%，孔径为200~1200μm，弹性模量为2.5~4.5gpa。
40.应用本技术的技术方案，通过在金属支架上设依次置复合软骨层和光滑层模拟骨软骨组织的梯度组织，金属支架与软骨下骨层力学强度相当，复合软骨层与软骨层的力学相当，植入体内后使患者能够在较短时间内恢复活动能力，同时金属支架和复合软骨层均为多孔结构，不仅能够支持细胞生长，而且能够促进骨生长，进而缩短术后恢复周期。此外，在复合软骨层上设置有具备光滑表面结构的光滑层，能够有效避免软骨修复支架与机体的摩擦。
41.本技术提供的软骨修复支架能够适用于软骨损伤outerbridge 分级级和级病变，不仅不以自身软骨软质作为软骨组织作为软骨修复原料，减轻对患者身体上的伤害，而且能够根据患者软骨下骨受损伤的程度，提供不同尺寸的软骨修复支架，修复的软骨面积为3~7cm2，有效解决了现有修复支架修复面积受限的问题。
42.典型但非限制性的，本技术提供的软骨修复支架中，复合软骨层的孔隙率如为40%、42%、45%、50%、52%、55%、58%、60%或任意两个数值组成的范围值，孔径如为300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm或任意两个数值组成的范围值；金属支架的孔隙率如为30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或任意两个数值组成的范围值，孔径如为200μm、400μm、500μm、800μm、1000μm、1200μm或任意两个数值组成的范围值，弹性模量如为2.5gpa、2.9gpa、3gpa、4gpa、4.5gpa或任意两个数值组成的范围值。
43.上述金属支架的材料为钛单质或钛合金，包括但不限于ti、ti-6al-4v、ti-6al-17nb、ti-13nb-13zr或ti-5zr-3mo-15nb中的任意一种或至少两种的复合合金。
44.水凝胶材料由于其高含水量、良好的保水性、优良的生物相容性以及和细胞外基质相类似的微观结构，是一种理想的支架材料，被广泛应用于组织工程支架的研究。水凝胶具有优良的亲水性，在吸水后溶胀的同时自身结构不发生改变，因此可以作为细胞生长和功能的支持结构。
45.研究表明适当浓度的mg
2+
有利于成骨以及促进成血管效应。为了进一步促进细胞生长以及骨生长，优选金属支架的孔隙中填充有水凝胶，该水凝胶的材料包括第一可降解物和氯化镁，其中，该第一可降解物为海藻酸钠和/或透明质酸。尤其当第一可降解物和氯化镁的质量比为（5~25）:（8~40）时，更利于促进细胞生长和骨生长。
46.典型但非限制性的，水凝胶的材料中，第一可降解物和氯化镁的质量比如为5:8、8:8、10:8、15:8、20:8、25:8、8:10、8:20、8:30、8:40、15:10、15:20、15:30、15:40、25:8、25:15、25:20、25:30、25:40或任意两个数值组成的范围值。
47.由于羟基磷灰石具有良好的生物活性和生物相容性，近年来，以羟基磷灰石为代表的骨代替材料越来越受到临床的青睐。羟基磷灰石是脊椎动物骨骼和牙齿的主要组成成分，具有优良的抗腐蚀性、骨诱导生成性，且在体内会逐渐降解，不会对人体产生不利影响。
48.为了进一步提高复合软骨层的生物活性，优选复合软骨层的材料包括第一可降解物、氯化镁以及第二可降解物，其中，第一降解物为海藻酸钠和/或透明质酸，第二可降解物为羟基磷灰石和/或生物玻璃，且第一可降解物、氯化镁以及第二可降解物的质量比为1~3:1~3:1。当第二可降解物为羟基磷灰石和生物玻璃的混合物时，羟基磷灰石和生物玻璃的质量比为1:0.1~0.4更利于提高诱导骨生成。
49.复合软骨层采用第一可降解物、氯化镁与羟基磷灰石复合，既具有一定的力学强度又具有一定的生物活性，以期达到一个既能提供与力学性能又能在术后使患者快速恢复活动能力、缩短术后恢复周期的软骨修复支架。
50.典型但非限制性的，复合软骨层材料中，第一可降解物、氯化镁和第二可降解物的质量比如为1:1:1、1:2:1、1:3:1、2:1:1、2:2:1、2:3:1、3:1:1、3:2:1、3:3:1或任意两个数值组成的范围值。
51.为了进一步提高软骨修复支架植入的便利性，降低软骨修复支架与机体的摩擦，优选光滑层的材料包括第一可降解物、氯化镁、第二可降解物和丝素蛋白，且四者的质量比为0.5~2.5:0.5~2.5:1:3~5，其中第一可降解物、第二可降解物具有上述相同的含义，在此不再赘述。
52.上述光滑层的材料中，以第二可降解物的质量为基准（1份），按照质量份数计，第一可降解物的用量如为0.5份、0.8份、1份、1.5份、2.0份、2.5份或任意两个数值组成的范围值；氯化镁的用量如为0.5份、0.8份、1份、1.5份、2.0份、2.5份或任意两个数值组成的范围值；丝素蛋白的用量如为3份、3.5份、4份、4.5份、5份或任意两个数值组成的范围值。
53.为了便于将上述软骨修复支架植入机体内，优选软骨修复支架的总高度为5~13mm（如5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、12mm、13mm等）。
54.为了进一步降低软骨修复支架进入机体的摩擦，优选光滑层的厚度为200~1000μm（如200μm、300μm、500μm、800μm、1000μm等）。
55.为了在保证软骨修复支架力学强度的同时进一步促进骨组织生长，优选复合软骨层的厚度为1~2mm（如1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm等）。
56.为了进一步提高软骨修复支架的力学强度，优选金属软骨下骨层的厚度为3~5mm（如3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm等）。
57.上述固定柱的个数不作具体限制，优选为2~6个，如2、3、4、5或6个。
58.软骨修复支架的固定柱数量与支架的大小有关。如软骨损伤面积≤3.5 cm2，则固定柱的数量为2~3；如软骨损伤面积≤5 cm2，则固定柱的数量为3~4；如软骨损伤面积≤7 cm2，则固定柱的数量为5~6。
59.在本技术的一些实施例中，软骨修复支架的金属软骨下骨层的厚度为≤5 mm（不包括固定柱），固定柱的高度为4~6 mm。其中根据软骨下骨受损的程度不同，金属软骨下骨层的厚度不同，如软骨层受损、软骨下骨无损伤或轻微改变，则金属软骨下骨层的厚度为≤1 mm；如软骨层受损、软骨下骨轻度损伤，则金属软骨下骨层的厚度为≤3 mm；如软骨层受损、软骨下骨损伤严重，则金属软骨下骨层的厚度为≤5 mm。
60.在本技术的第二种典型实施方式中，还提供了一种软骨修复支架的制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤s1，通过3d打印的方式制备金属软骨下骨层以及与金属软骨下骨层固定连接的固定柱，得到金属支架；步骤s2，将复合软骨层复合于金属软骨下骨层远
离固定柱的表面，得到双层复合支架；步骤s3，在复合软骨层上通过静电纺丝形成光滑层，得到软骨修复支架；其中，金属支架、金属软骨下骨层、固定柱、复合软骨层和光滑层均有第一种典型实施方式中的相同含义，在此不再赘述。
61.本技术提供的软骨修复支架通过3d打印的方式制备金属支架，再将复合软骨层与金属软骨下骨层复合，最后在通过静电纺丝的方式在复合软骨层上形成光滑层，不仅工艺简单，易于控制，而且能够实现规模化生产，有效降低制备成本。
62.在本技术的一些实施例中，步骤s1包括以下步骤：步骤s11，通过3d打印得到金属软骨下骨基底和与该金属软骨下骨基底固定连接的固定柱基底；步骤s12，将金属软骨下骨基底以及固定柱基底在惰性气氛下进行热处理，得到金属支架，以进一步提高金属支架的稳定性和耐腐蚀性。
63.为了进一步提高热处理效率，优选上述热处理的温度为800~1300℃，时间为1~2h。
64.典型但非限制性的，热处理的温度如为800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃或任意两个数值组成的范围值；热处理的时间如为1h、1.5h、2h或任意两个数值组成的范围值。
65.为了进一步提高上述软骨修复支架的细胞生长性和生物活性，优选步骤s1还包括设置于步骤s12之后的步骤s13，该步骤s13为：在金属支架的空隙中填充水凝胶，包括以下步骤：
66.步骤s131，将第一可降解物溶解于水中，得到第一可降解物溶液，其中，第一可降解物与水的体积质量比为5~25g:100ml，第一可降解物具有第一种典型实施方式中的相同含义，在此不再赘述；步骤s132，将第一可降解物溶液与氯化镁溶液混合，得到水凝胶溶液，其中，第一可降解物溶液与氯化镁溶液的体积比为1:1~2，且氯化镁溶液的质量浓度为8~20%；步骤s133，将金属支架置于水凝胶中进行交联处理后，取出，冻干，得到空隙中填充有水凝胶的金属支架。
67.上述步骤s131中，优选将低粘度的海藻酸钠或透明质酸钠（粘度为1% 15~100cps）溶于纯水或去离子水中，得到第一降解物溶液。
68.上述粘度指的是将原料按照1% w/v（质量体积比）的比例溶于水中，测试得到原料水溶液的粘度在15~100cps之间。
69.上述步骤s133中，优选交联处理的温度为4~8℃，如在冰箱内进行交联处理，交联时间为12~24h，冻干的温度优选为-80℃。
70.在本技术的一些实施例中，优选步骤s2包括：步骤s21，先将第二可降解物与第一可降解物溶液混合，得到可降解混合溶液，再将氯化镁溶液与可降解物溶液混合，得到降解物与氯化镁的混合溶液，其中，第一可降解物与第二可降解物的质量比为1~3:1，氯化镁溶液与降解物混合溶液的体积比为1:1~2，氯化镁溶液、第一降解物溶液具有上述相同的含义，在此不再赘述；步骤s22，将上述降解物和氯化镁的混合溶液依次进行料件处理和固液分离，得到待成型复合软骨材料；步骤s23，将待成型复合软骨材料铺设于金属软骨下骨层远离固定柱的表面，冻干，得到双层复合材料。
71.上述步骤s22中，优选交联处理的温度为4~8℃，时间为12~24h。优选固液分离为离心处理，离心处理的参数为3000-5000rpm，离心的时间为8~15min，然后除去上清液，剩余下层即为待成型软骨材料。
72.在本技术的一些实施例中，步骤s3包括：步骤s31，将水凝胶溶液依次进行交联处理和固液分离，得到下层凝胶；步骤s32，将下层凝胶、第二可降解物和丝素蛋白混合并分散于有机溶剂中，得到混合纺丝液，上述下层凝胶、第二可降解物和丝素蛋白的质量比为1~5:1:3~5；步骤s34，将混合纺丝液进行静电纺丝，在复合软骨层远离金属支架的表面形成静电纺丝膜，该静电纺丝膜即光滑层；其中步骤s31中水凝胶溶液的组成同步骤s132中水凝胶溶液，在此不再赘述。
73.上述步骤s32中，所述有机溶剂优选为六氟异丙醇（hfip）。
74.在本技术的一些实施例中，光滑层按照以下步骤制备得到：
75.（1）将水凝胶溶液在4~8℃冰箱内交联过夜，交联时间为12~24h。交联后将得到的交联物溶液在3000~5000rpm离心10min，然后除去上清液，得到下层凝胶；
76.（2）将下层凝胶、第二可降解物（羟基磷灰和生物玻璃，两者的质量比为1:0.1~0.4）、丝素蛋白纤维以1~5:1:3~5的质量比混合后溶于六氟异丙醇中制成质量浓度为5~30%的混合纺丝液；
77.（3）控制纺丝电压为15~25kv，接收距离为10~15cm，以混合纺丝液为原料在复合软骨层上制备静电纺丝膜，其中混合纺丝液的流速为0.1~2ml/h，当静电纺丝膜厚度达到200~800μm时，停止纺丝，得到的静电纺丝膜即为光滑层。
78.为了进一步提高软骨修复支架的安全性，优选上述软骨修复支架的制备方法还包括设置于步骤s3之后的步骤s4，步骤s4包括：将软骨修复支架进行灭菌处理，优选该灭菌处理为co辐照灭菌。
79.下面将结合实施例和对比例，进一步说明本技术的有益效果。
80.实施例1
81.本技术提供了一种软骨修复支架，如图1所示，从图1可以看出，本技术提供的软骨修复支架包括金属支架，该金属支架包括金属软骨下骨层3和与该金属软骨下骨层3固定连接的固定柱4，金属软骨下骨层3远离固定柱4的表面设置有光滑层1，光滑层1与金属软骨下骨层3之间设置有复合软骨层2；其中，复合软骨层2和金属支架各自独立地为多孔结构，复合软骨层2的平均孔隙率为60%，孔径为300~800μm；金属支架的孔隙率为50%，孔径为500μm，弹性模量为3.4 gpa；且金属支架的孔隙中填充有水凝胶。
82.本实施例提供的软骨修复支架按照以下步骤制备得到：
83.（1）制备孔隙中填充有水凝胶的金属支架
84.（1.1）采用计算机辅助设计软件设计孔隙率为30%，孔径为200μm的金属支架基底，将打印好的金属基底在1000
±
200℃的氩气中热处理2h后在氮气气氛中自然冷却至室温，得到金属支架，该金属支架包括金属软骨下骨层3和与该金属软骨下骨层3固定连接的固定柱4，其中，金属软骨下骨层3的厚度为3mm，固定柱4的数量为3个，高度为4 mm。
85.（1.2）将低粘度海藻酸钠（粘度为1% 15~25cps）溶于超纯水中，其溶解比例为10g:100ml，搅拌均匀得到海藻酸钠溶液。将海藻酸钠溶液和氯化镁溶液按照体积比1:1混合，制成水凝胶溶液，其中，氯化镁溶液的质量分数为10%。
86.（1.3）将金属支架置于上述水凝胶溶液中，置于4~8℃冰箱内交联过夜，交联时间为12h。过夜后将金属支架取出，-80℃冻干，得到孔隙中填充有水凝胶的金属支架。
87.（2）制备双层复合支架
88.（2.1）将低粘度海藻酸钠（黏度为1% 15~25cps）溶于超纯水中，其溶解比例为20g:100ml，搅拌均匀得到海藻酸钠溶液。在海藻酸钠溶液中加入羟基石灰石和生物玻璃的混合物（入羟基石灰石和生物玻璃的质量比为1:0.2），使用磁力搅拌器充分搅拌均匀后，再以体积比1:1的比例与质量浓度为10%的氯化镁溶液混合，得到混合溶液。
89.（2.2）将混合溶液置于4~8℃冰箱内交联过夜，交联时间为12h，过夜后将混合溶液离心，离心参数为3000rpm，10min，除去上清液，剩余下层即为待成型复合软骨材料。
90.（2.3）将填充有水凝胶的金属支架放在模具中，使得固定柱4向下，再将待成型复合软骨材料加入模具中，铺设于金属软骨下层上，-80℃冻干，得到双层复合支架；其中，待成型复合软骨材料成型为复合软骨层。
91.（3）在双层复合支架上形成光滑层1
92.（3.1）将步骤（1.2）制备得到的水凝胶溶液在4~8℃冰箱内交联过夜，交联时间为12h。交联后将得到的交联物溶液在3000rpm离心10min，然后除去上清液，得到下层凝胶；
93.（3.2）将下层凝胶、羟基磷灰和生物玻璃的混合物（两者的质量比为1:0.2）、丝素蛋白纤维以1:1:4的质量比混合后溶于六氟异丙醇中制成质量浓度为10%的混合纺丝液；
94.（3.3）控制纺丝电压为20kv，接收距离为10cm，以混合纺丝液为原料在复合软骨层上制备光滑层1，其中混合纺丝液的流速为0.2ml/h，当静电纺丝膜厚度达到600μm时，停止纺丝，形成的静电纺丝膜即为光滑层1，得到软骨修复支架。
95.（4）将软骨修复支架进行灭菌，灭菌方法为辐照灭菌法：co灭菌。
96.实施例2
97.本实施例与实施例1的不同之处在于，通过调节算机辅助设置软件设计金属支架的孔隙率为90%，孔径为1200μm，弹性模量为2.9gpa。
98.实施例3
99.本实施例与实施例1的不同之处在于，通过调节算机辅助设置软件设计金属支架的孔隙率为30%，孔径为200μm，弹性模量为3.8gpa。
100.实施例4
101.本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤（1.2）中，采用透明质酸钠替换海藻酸钠，且氯化镁溶液的质量浓度为8%，透明质酸钠溶液与氯化镁溶液的体积比为1:2；
102.步骤（2.1）中，采用透明质酸钠替换海藻酸钠，羟基石灰石和生物玻璃的混合物中，两者的质量比为1:0.1。
103.实施例5
104.本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤（1.2）中，低粘度海藻酸钠与超纯水的质量体积比为15g:100ml；
105.步骤（2.1）中，采用透明质酸钠替换海藻酸钠，羟基石灰石和生物玻璃的混合物中，两者的质量比为1:0.4。
106.实施例6
107.本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤（3.2）中，将下层凝胶、羟基磷灰和生物玻璃的混合物（两者的质量比为1:0.4）、丝素蛋白纤维以3:1:3的质量比混合后溶于六氟异丙醇中制成质量浓度为5%的混合纺丝液。
108.实施例7
109.本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤（3.2）中，将下层凝胶、羟基磷灰和生物玻璃的混合物（两者的质量比为1:0.1）、丝素蛋白纤维以1:1:5的质量比混合后溶于六氟异丙醇中制成质量浓度为30%的混合纺丝液。
110.实施例8
111.本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤（2）中通过调整低粘度海藻酸钠、羟基石灰石、生物玻璃以及氯化镁溶液的用量，使得制备得到的复合软骨层的孔隙率为40%。
112.实施例9
113.本实施例与实施例1的不同之处在于，如图2所示，固定柱4的数量为4个，金属软骨下骨层3的厚度为4mm，复合软骨层2的厚度为2mm，光滑层1的厚度为600μm。
114.实施例10
115.本实施例与实施例1的不同之处在于，如图3所示，固定柱4的数量为5个，金属软骨下骨层3的厚度为5mm，复合软骨层的厚度为2mm，光滑层1的厚度为800μm。
116.实施例11
117.本实施例与实施例1的不同之处在于，未进行步骤（1.2）~（1.3），金属支架中未填充水凝胶。
118.试验例1
119.将实施例1步骤（1.2）中提供的水凝胶溶液在-80℃冻干形成的干凝胶以0.1mg/ml的浓度浸泡后pbs缓冲溶液中，取浸泡后第1、2、4、7天的溶液采用icp-oes仪器进行mg
2+
浓度测试，mg
2+
浓度曲线如图4所示。
120.将实施例1步骤（2.2）提供的待成型复合软骨材料以0.2mg/ml的浓度浸泡于pbs缓冲溶液中，取浸泡后第1、2、4、7天的溶液采用icp-oes仪器进行mg
2+
浓度测试，mg
2+
浓度曲线也如图4所示。
121.按照上述相同的方法分别测定实施例4~5中干凝胶和复合软骨材料浸泡于pbs缓冲溶液中浸泡后第1、2、4、7天的mg
2+
浓度，结果如下表1所示。
122.表1
[0123][0124]
从表1可以看出，本技术实施例1、实施例4~5中干凝胶和复合软骨材料在pbs缓冲
液中7天释放浓度从300 mg/ml到1034 mg/ml,有利于促进成骨细胞的粘附和生长，增强缺损骨再生。
[0125]
试验例2
[0126]
将实施例1步骤（1.1）提供的金属支架、步骤（1.2）中提供的水凝胶溶液冻干形成的干凝胶、步骤（2.2）提供的待成型复合软骨材料分别与大鼠骨髓间充质干细胞（rbmscs）复合培养，分别于孵育第1天、第3天和第5天后采用酶标仪进行检测，检测波长450nm处的od值，结果如下图5所示。
[0127]
将实施例2~10步骤（1.3）中提供的孔隙中填充有水凝胶的金属支架以及实施例11提供的金属支架、步骤（2.2）提供的待成型复合软骨材料按照与实施例1相同的方式与大鼠骨髓间充质干细胞（rbmscs）复合培养，分别于孵育第5天后采用酶标仪进行检测，检测波长450nm处的od值，结果如下表2所示。
[0128]
表2
[0129][0130]
从表2可以看出，本技术实施例1~10提供的金属支架（空隙中填充有水凝胶）以及金属复合材料均有效提高了金属假体的生物活性，说明金属支架（空隙中填充有水凝胶）以及金属复合材料软对细胞增殖均有促进效果。
[0131]
试验例3
[0132]
将实施例1步骤（2）提供的双层复合支架中的复合软骨层和步骤（3）提供的软骨复合支架上的光滑层分别进行水接触角测试，结果如图6（a）和图6（b）所示，软骨复合层的水接触角为11.7
°
，光滑层的水接触角为27.4
°
，均具有良好的亲水性，利于蛋白质的吸附和细胞的粘附。
[0133]
试验例4
[0134]
将实施例1提供的软骨修复支架植入大鼠股骨缺损模型中，分别对术后1天、14天、28和56天进行ct扫描，并对其骨密度（bmd）和骨体积分数（bv/tv）进行分析，结果如图7（a）和图7（b）所示。可以从中看到该软骨修复支架缩短了骨缺损骨修复的速度，且有效提高了新生骨的骨密度。
[0135]
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
[0136]
本技术通过在金属支架上设依次置复合软骨层和光滑层模拟骨软骨组织的梯度组织，金属支架与软骨下骨层力学强度相当，复合软骨层与软骨层的力学相当，植入体内后使患者能够在较短时间内恢复活动能力，同时金属支架和复合软骨层均为多孔结构，不仅能够支持细胞生长，而且能够促进骨生长，进而缩短术后恢复周期。此外，在复合软骨层上设置有具备光滑表面结构的光滑层，能够有效避免软骨修复支架与机体的摩擦。
[0137]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种软骨修复支架，其特征在于，所述软骨修复支架包括金属支架，所述金属支架包括金属软骨下骨层和与所述金属软骨下骨层固定连接的固定柱，所述金属软骨下骨层远离所述固定柱的表面设置有光滑层，所述光滑层与所述金属软骨下骨层之间设置有复合软骨层；其中，所述复合软骨层和所述金属支架各自独立地为多孔结构，所述复合软骨层的孔隙率为40~60%，孔径为300~800μm；所述金属支架的孔隙率为30~90%，孔径为200~1200μm，弹性模量为2.5~4.5gpa。2.根据权利要求1所述的软骨修复支架，其特征在于，所述金属支架的材料各自独立地选自ti、ti-6al-4v、ti-6al-17nb、ti-13nb-13zr或ti-5zr-3mo-15nb中的至少一种；所述金属支架的孔隙中填充有水凝胶，所水凝胶的材料包括第一可降解物和氯化镁，优选所述第一可降解物与所述氯化镁的质量比为（5~25）:（8~40）；其中，所述第一可降解物为海藻酸钠和/或透明质酸。3.根据权利要求1所述的软骨修复支架，其特征在于，所述复合软骨层的材料包括第一可降解物、氯化镁以及第二可降解物，且三者质量比为1~3:1~3:1；其中，所述第一可降解物为海藻酸钠和/或透明质酸，所述第二可降解物为羟基磷灰石和/或生物玻璃。4.根据权利要求1所述的软骨修复支架，其特征在于，所述光滑层的材料包括第一可降解物、氯化镁、第二可降解物和丝素蛋白，且四者质量比为0.5~2.5:0.5~2.5:1:3~5；其中，所述第一可降解物为海藻酸钠和/或透明质酸，所述第二可降解物为羟基磷灰石和/或生物玻璃。5.根据权利要求1至4中任一项所述的软骨修复支架，其特征在于，所述软骨修复支架的总高度为5~13mm；和/或，所述光滑层的厚度为200~1000μm；和/或，所述复合软骨层的厚度为1~2mm；和/或，所述金属软骨下骨层的厚度为3~5mm；和/或，所述固定柱的个数为2~6。6.一种软骨修复支架的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：步骤s1，通过3d打印的方式制备金属软骨下骨层以及与所述金属软骨下骨层固定连接的固定柱，得到金属支架；步骤s2，将复合软骨层设置于所述金属软骨下骨层远离所述固定柱的表面，得到双层复合支架；步骤s3，在所述复合软骨层上通过静电纺丝形成光滑层，得到所述软骨修复支架；其中，所述金属支架、所述金属软骨下骨层、所述固定柱、所述复合软骨层和所述光滑层分别具有权利要求1至5中任一项所述的金属支架、所述金属软骨下骨层、所述固定柱、所述复合软骨层和所述光滑层的相同含义。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1包括：步骤s11，通过所述3d打印得到金属软骨下骨基底和与所述金属软骨下骨基底固定连接的固定柱基底；步骤s12，将所述金属软骨下骨基底以及所述固定柱基底在惰性气氛下进行热处理，得到所述金属支架，优选所述热处理的温度为800~1300℃，时间为1~2h；所述步骤s1还包括设置于所述步骤s12之后的步骤s13，所述步骤s13为：在所述金属支
架的孔隙中填充水凝胶，包括以下步骤：步骤s131，将所述第一可降解物溶解于水中，得到第一可降解物溶液，其中，所述第一可降解物与所述水的质量体积比为5~25g:100ml；步骤s132，将所述第一可降解物溶液与氯化镁溶液混合，得到水凝胶溶液，其中，所述第一可降解物溶液与所述氯化镁溶液的体积比为1:1~2，所述氯化镁溶液的质量浓度为8~20%；步骤s133，将所述金属支架置于所述水凝胶溶液中进行交联处理后取出，冻干，得到孔隙中填充有所述水凝胶的所述金属支架。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2包括：步骤s21，先将第二可降解物与所述第一可降解物溶液混合，得到可降解物混合溶液，再将氯化镁溶液与所述可降解物溶液混合，得到降解物与氯化镁的混合溶液，其中，所述第一可降解物与所述第二可降解物的质量比为1~3:1，所述氯化镁溶液与所述降解物混合溶液的体积比为1:1~2，所述氯化镁溶液、所述第一降解物溶液分别具有权利要求7中所述氯化镁溶液、所述第一降解物溶液的相同含义；步骤s22，将所述降解物与氯化镁的混合溶液依次进行交联处理和固液分离，得到待成型复合软骨材料；步骤s23，将所述待成型复合软骨材料铺设于所述金属软骨下骨层远离所述固定柱的表面，冻干，得到所述双层复合材料。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s3包括：步骤s31，将所述水凝胶溶液依次进行交联处理和固液分离，得到下层凝胶；步骤s32，将所述下层凝胶、第二可降解物和丝素蛋白混合并分散于有机溶剂中，得到混合纺丝液，所述下层凝胶、所述第二可降解物和所述丝素蛋白的质量比为1~5:1:3~5；步骤s33，将所述混合纺丝液进行静电纺丝，在所述复合软骨层远离所述金属支架的表面形成静电纺丝膜，所述静电纺丝膜即所述光滑层；其中，所述水凝胶溶液具有权利要求7中所述水凝胶溶液的相同含义。10.根据权利要求6至9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括设置于所述步骤s3之后的步骤s4，所述步骤s4包括，将所述软骨修复支架进行灭菌处理。

技术总结
本发明提供了一种软骨修复支架及其制备方法。本申请提供的软骨修复支架包括金属支架，复合软骨层和光滑层，其中，复合软骨层和金属支架各自独立地为多孔结构，该复合软骨层的孔隙率为40%~60%，孔径为300~800μm；金属支架的孔隙率为30~90%，孔径为200~1200μm，弹性模量为2.5~4.5Gpa。本申请提供的软骨修复支架不仅能够支持细胞生长，而且能够促进骨生长，进而缩短术后恢复周期。此外，在复合软骨层上设置有具备光滑表面结构的光滑层，能够有效避免软骨修复支架与机体的摩擦。软骨修复支架与机体的摩擦。软骨修复支架与机体的摩擦。


技术研发人员：魏崇斌 张芹 于娟娟 张少坤 毛联甲
受保护的技术使用者：北京爱康宜诚医疗器材有限公司
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/7/18