[发明专利]基于图案化细菌纤维素的三维人工椎间盘及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种基于图案化细菌纤维素的三维人工椎间盘，及其制备方法和应用。本发明提供的椎间盘，可以根据不同患者的椎间盘的尺寸，用此方法逆向设计纤维环表面图案、直径和层数，从而实现能够模拟体内椎间盘纤维环的各向异性结构。本发明的基于图案化细菌纤维素和胶原凝胶构建三维人工全椎间盘支架，由于材料具有良好的生物相容性，支架在植入体内后，能够很好的同体内组织整合在一起，并且提供力学支持，具有发展为植入性人工椎间盘的潜质。

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，具体涉及一种基于图案化细菌纤维素的三维人工椎间盘，及其制备方法和应用。

背景技术

慢性颈部和腰部疼痛是发病率极高的病症，每年巨额资金都花费在椎间盘病变引发疾病的治疗上。根据统计超过97％的50岁以上的个体都患有不同程度的颈部和背部疼痛。最常见的腰部和颈部疼痛主要由椎间盘部位病变引起。目前对退行性椎间盘疾病的治疗包括保守治疗(药物和理疗)到手术治疗(椎间盘切除术，脊柱融合和椎间盘置换)，然而这些治疗可以缓解疼痛或恢复椎间盘部分功能，无法从根本上治愈。

人体共有23个椎间盘(intervertebral disc)：椎间盘由上下两端软骨终板、外周富含胶原蛋白的纤维环和中央富含蛋白多糖的髓核三个部分组成。

纤维环具有复杂的多层同心环状结构，每一层内部纤维沿着同横断面呈 30-45°平行排列，且相邻环的排列相反。纤维环十分坚固，紧密附着在软骨终板上，保持脊柱的稳定性。髓核是乳白色半透明胶状体，位于两软骨板与纤维环之间。由软骨细胞和蛋白多糖基质构成的弹性凝胶物质。

随着组织工程再生医学的发展，通过利用生物学及工程学的理论方法来制备具备正常组织和器官的机构和功能的人工椎间盘这一目标趋向于可能。国内外已经有大批科学研究人员从事组织工程化人工椎间盘的研究，组织工程化人工椎间盘主要集中在组织工程化单一纤维环或者单一髓核。目前用于构建组织工程纤维环的支架材料主要包括天然生物材料、人工合成材料以及复合材料三大类。天然生物材料有去细胞化纤维环、胶原蛋白、丝素蛋白凝胶等；人工合成材料有包括合成材料有聚酰胺、聚己内酯等，复合材料如聚乳酸/透明质酸、弹性蛋白/糖胺聚糖/胶原等。人工髓核主要是以天然材料如海藻凝胶、胶原蛋白II型凝胶、聚蛋白多糖和透明质酸等凝胶材料。目前报道的人工椎间盘仍然不能很好的模拟体内椎间盘的三维结构，并且形成功能性植入替代物。在开发仿生椎间盘组织过程中主要面临的挑战如下：(1)模拟体内纤维环各向异性的多级结构，即同心环状的纤维环每一环内胶原纤维都沿同一方向+30°或者-30°定向平行排列，切相邻两层环内的纳米纤维排列方向相反；(2)构建由纤维环部分和髓核部分组成的功能性全椎间盘。

细菌纤维素(Bacterial Cellulose,BC)具有超细网状结构，具有高的持水能力、高机械性能、高渗透性、可降解性和低毒性等优点，在人工皮肤、软骨组织工程材料、神经导管、血管和牙种植材料等方面有很好的应用。但是天然的BC是木醋杆菌在自然状态下发酵产生，呈杂乱无章排列的多孔网格结构，不能很好的模拟体内组织的高度有序三维结构，因此如何能够诱导细菌使分泌的BC呈现有序排列，进一步诱导细胞沿着BC排列面临着挑战。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种基于图案化细菌纤维素的三维人工椎间盘，及其制备方法和应用。

在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：

术语“细菌纤维素(Bacterial Cellulose,BC)”是指：由细菌在发酵培养过程中产生的次代谢产物天然纤维素。

术语“PDMS”是指：聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane)。

术语“BC”是指：细菌纤维素(Bacterial Cellulose)。

术语“AFCs”是指：纤维环细胞(annulus fibrosus cells)。