一種孔壁帶有微溝槽的多孔支架及其製備方法
2023-10-31 04:49:37 1
專利名稱：一種孔壁帶有微溝槽的多孔支架及其製備方法
技術領域：
本發明屬於生物材料技術領域，具體涉及一種內表面(孔壁)帶有溝槽的多孔支架 及其製備方法。
背景技術：
組織工程學是綜合應用工程學和生命科學的基本原理、基本理論、基本技術和基 本方法，在體外預先構建一個有生物活性的種植體，然後植入體內，修復組織缺損，替代組 織、器官的一部分或全部功能，或作為一種體外裝置，暫時替代器官部分功能，達到提高生 活、生存質量，延長生命活動的目的。這一內涵的核心是活的細胞、可供細胞進行生命活動 的支架材料以及細胞與支架材料的相互作用，這是組織工程學研究的主要科學問題。一般 來說，組織工程對支架材料的要求是為構建組織細胞提供一個三維支架，有利於細胞的粘 附、增殖乃至分化，為細胞生長提供合適的外環境。組織誘導等其它醫用材料技術也同樣需要製備多孔支架。篩選和製備出一種理想 的支架材料對於再生醫學的發展和應用至關重要。三維多孔支架的製備方法有許多種，如粒子析出法、相分離法、高壓氣體發泡法、 靜電紡絲技術、三維列印技術等，其中採用最廣泛的是致孔劑法。近年來很多學者對傳統的 致孔劑法進行了拓展。Chen 等(G P Chen, Biomaterials, 2001，22: 2563 - 2567)利用 冰粒作為成孔劑製備了 PLGA支架避免了成孔劑殘留的危險。Ma PX等(P X Ma, Tissue engineering, 2001，7: 23 - 33)選用石蠟作為致孔劑製備了 PLLA支架。他們利用乳液分 散攪拌的方法，製備石蠟的球形粒子作為致孔劑。將裝有致孔劑的模具加熱，溫度控制稍微 超過石蠟的熔點，使之表面軟化，再輕微施壓，則石蠟粒子相互粘接。再倒入聚合物溶液，通 過冷凍乾燥或溶劑揮發除去溶劑，得到PLLA多孔支架。通過這種方法可以很好地對材料的 孔徑和孔間連通性進行控制。丁建東課題組(L B Wu，JD Ding. Biomaterials, 2006， 27: 185 - 191; Macromolecular Bioscience, 2006，6: 747 - 757)發明 了常溫模壓 / 粒 子浸出法，製備的支架避免了高溫模壓聚合物的降解，實現了簡便可行的多孔支架的一步 成型，他們(LB Wu, Tissue Engineering, 2005, 11(7/8) 1105 - 1114)還通過利用改進 的模壓/粒子浸出法，製備了複雜形狀的三維多孔支架如外耳狀多孔支架，並對支架的形 態、孔結構和孔隙率進行表徵，製備的支架孔隙率可高達90%以上。目前，一些研究報導了在聚合物材料的表面構造拓撲結構，研究材料表面拓撲結 構對於控制細胞的生長和取向的作用，如Jansen等(J.A. Jansen, Biomaterials, 1999， 20: 1293-1301)採用光-蝕刻技術在PLLA表面構建平行微溝槽微結構，其深度為0. 5-1. 5 mm，寬度為1-10 mm，實驗證明此拓撲結構可有效地促進骨再生，因為顯微結構利於礦化基 質的沉積和成骨細胞的分化。Chu IM等(Chu IM，Micron, 2007，38(3) 278-285)製備了深 度30 μ m，不同的溝槽/凸緣寬度15-100 μ m。細胞傾向沿著溝槽的方向排列生長並產生更 長的細胞主體。細胞沿著溝槽側壁爬到凸緣上面，但並不會再往下爬到溝槽底部，細胞以凸 緣作為支持點進行黏附和生長。
但是這些研究往往局限於在二維材料上面構建結構。目前的技術在三維支架材料 內表面構造微溝槽則難以做到。本發明提供了一種簡單可行的方法可在三維多孔支架表面 構造微溝槽。
發明內容
本發明的目的在於提供一種孔壁帶有微溝槽的三維多孔支架及其製備方法。本發明提供的三維多孔支架，是在三維空間結構上構築了獨特的溝槽結構，可提 供給細胞與材料響應的新的三維空間結構。此種三維多孔支架可以作為細胞黏附、定向生 長更好的載體。本發明提出的孔壁(支架內表面)帶有微溝槽的三維多孔支架，其孔隙率為 20-99%，優選為60-95% ；孔徑為5_2000mm，優選為50_400mm ；溝槽寬度為20nm-300mm，優選 為200nm-50mm ；溝槽深度為20nm-300mm，優選為200nm-50mm ；溝槽在孔壁表面的覆蓋率為 0. 5-98%，優選為 1-80% ο本發明所述的孔壁帶有微溝槽的多孔支架，基體材料一般採用具有自粘結性、可 溶解性的高分子材料。該高分子材料既包括可降解高分子材料，也包括不可降解的高分子 材料，還包括上述材料的共聚物或共混物以及含添加劑的混合物。其中，可降解的高分子材 料包括聚DL-丙交酯、聚L-丙交酯、聚乙交酯、聚乳酸-羥基乙酸的共聚物(PLGA)、聚3-羥 基丁酸酯、聚羥基脂肪酸酯、聚ε-己內酯、聚ε-烷基取代己內酯、聚S-戊內酯、聚碳酸 酯、聚原酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酸酐、聚二氧六環、聚對二氧雜環己酮、聚醚酯中的任 何一種，或者上述各類聚酯的任何形式的共聚物。不可降解高分子材料為聚苯乙烯、聚氯乙 烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸醋、尼龍、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯 酯或聚矽氧烷，或者由它們之中幾種組成的共聚物或共混物中的任何一種。本發明提出的上述三維多孔支架製備方法中，特別引入了可除去的纖維狀物質作 為製造微溝槽的致孔劑。包含三個基本步驟1)將基底材料與纖維狀物質和粒子狀致孔劑 混合；2)模壓；3)除去纖維狀物質和粒子狀致孔劑。具體步驟如下
1)將高分子材料溶於溶劑Α，形成高分子材料的溶液，將纖維狀材料與致孔劑分散於高 分子溶液中，邊攪拌邊使部分溶劑A揮發，形成分散均勻的高分子濃溶液_致孔劑粒子_纖 維狀物質混合物。該混合物呈膏狀，不具有流動性，在常溫低壓下可在合適的模具中通過模 壓成型，獲得具有所需外形的製品，脫模後得到的製品有很好的形狀保持能力。將上述混合 物在常溫低壓下在合適的模具中通過模壓成型，形成高分子溶液_致孔劑粒子_纖維狀物 質混合物製品；然後，先在室溫環境下使溶劑A部分揮發，再在真空條件下脫除殘留溶劑Α， 待溶劑A完全脫除後，得到高分子_致孔劑粒子_纖維狀物質混合物的成型製品。真空幹 燥溫度不超過支架材料的熔點或玻璃化溫度，一般不高於50°C，通常為室溫。2)上述高分子_致孔劑粒子_纖維狀物質的混合物成型製品需在溶劑B中浸出致 孔劑粒子。將高分子_致孔劑粒子_纖維狀物質的混合物成型製品放入容器中，加入溶劑 B，每隔一定時間換一次新鮮的溶劑，一般選0. 5-8小時換一次溶劑B，至致孔劑粒子和纖維 狀物質完全浸出。3)將上述己完全浸出致孔劑粒子和纖維狀物質的支架從容器中取出，待大部分溶 劑B揮發後放入真空烘箱中真空乾燥，完全脫除溶劑B後得到所需高分子多孔支架。真空乾燥溫度不超過支架材料的熔點或玻璃化溫度，一般不高於50°C，乾燥時間為8-96小時， 依賴於乾燥條件和支架內殘留的溶劑B的含量。本發明所用的致孔劑包括無機鹽粒子、多糖、蛋白質、合成高分子和其它的有機小 分子化合物，或由它們之中幾種所組成的混合物。致孔劑粒徑尺寸範圍為5μπι -2000 μ m, 一般為50 μ m -400 μ m。致孔劑粒子用量範圍為混合物的20_99wt%。致孔劑溶於溶劑B但 不溶於溶劑A。本發明所用纖維狀物質主要成分為糖，糖為葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖中的一種 或數種的混合物。纖維狀物質溶於溶劑B但不溶於溶劑A。以上纖維狀物質，纖維直徑為20nm-300 μ m, 一般為200nm-50 μ m,纖維的用量為 混合物的 0. 00001 — 79wt%，一般為 1 — 70wt%o本發明所用溶劑A為可溶解高分子但不溶解致孔劑和纖維狀物質的溶劑。具體為 丙酮、丁酮、三氯甲烷、二氯甲烷、四氫呋喃、苯、甲苯、二甲苯、乙二醇、環己酮、二氧六環、N， N-二甲基甲醯胺、甲酸、苯甲醇、環己烷中的任何一種，或為其中幾種的混合物。本發明所用高分子溶液濃度範圍為l_99wt%(重量百分比，基於高分子溶液總重 量計算)，更佳的濃度範圍為5-30wt%，為高分子濃溶液。高分子溶液的濃度根據所用高分 子的分子量不同而不同，高分子量聚合物的溶液濃度可低一些。所用溶劑B為可溶解致孔劑與纖維狀物質但不溶解所用高分子基體材料的溶劑， 可以為水、醇、胺、烴及滷代烴當中任意一種或其中幾種混合物。溶劑B用量過量，其重量一 般為混合物總重量的10-1000倍。更好的選擇為20-500倍。根據致孔劑與纖維的用量，相應的基體材料用量範圍為1 一 79wt%，更佳的用量範 圍為 5 — 35wt%0上述製備和成型的過程可以是一個連續過程，也可以分步進行。本發明的優點在於
1)本發明製備了一種內表面帶有溝槽的三維多孔支架材料，見圖2、圖3、圖4。當然， 這樣得到的多孔支架在外表面的孔壁上也可以有微溝槽結構。2)本發明製備的多孔支架，孔相互連通，支架表面亦為多孔結構，且無緻密皮層。3)本發明提出的常溫模壓法既可製備外形簡單或外形規則的多孔支架，亦可為 外形複雜或外形不規則的多孔支架，包括與人或動物的缺損組織或器官相同或相似解剖外 形。本發明提供了一種製備孔壁帶有溝槽的三維多孔支架方法。製備方法簡便、可行、重現 性好，有利於大規模生產。4)本發明提出的多孔支架用於生物醫用領域時，可以採用己獲廣泛認可的生物相 容性良好的材料製備，植入體內後有望避免或消除炎症等毒副作用的發生，以更好地符合 生物醫學的要求。5)本發明提出的表面帶有溝槽結構的多孔支架的孔結構形態有利於細胞的粘附、 增殖和分化，植入體內後有利於植入部位周圍組織細胞的生長，故，所得到的支架適於組織 工程、組織誘導等再生醫學領域。
圖1是糖纖維網絡的光學顯微照片圖(X 100)。
圖2是孔壁帶有微溝槽的三維多孔支架的外形照片。圖3和圖4是內表面帶有溝槽的三維多孔支架的斷面的掃描電鏡圖，從圖中可見 PLGA孔內部有許多溝槽結構。圖3為(X100)，圖4為(X500)。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明進一步加以說明。實施例1
首先通過市售電動拉絲機紡出糖纖維，直徑10 μ m，將氯化鈉用分子篩篩分出不同粒徑 的尺寸，取粒徑尺寸為180 μ m-280 μ m的氯化鈉備用。將2g分子量為35. 9萬的PLGA85/15 溶於Ilg 二氯甲烷中，然後將糖纖維lg，氯化鈉30g均勻分散在PLGA的二氯甲烷溶液中， 倒入模具中，常溫模壓，24小時後解壓，取出支架，用200ml去離子水浸洗支架，每隔1小時 換水一次，直到用0. lmol/L硝酸銀的水溶液，滴加到浸出液中，不出現白色沉澱，表明糖纖 維和氯化鈉己完全浸出，已完全浸出致孔劑的支架用濾紙或衛生紙吸去大部分去離子水， 然後進行真空乾燥，真空乾燥，溫度為20°C，乾燥48小時，得到孔徑200 μ m左右，孔隙率為 90%的孔壁帶有溝槽為10 μ m寬、10 μ m深溝槽的三維多孔支架，溝槽的理論覆蓋率為孔壁 表面積的20%。實施例2 將28分子量為35.9萬的？11^85/15溶於118二氯甲烷中，然後將糖 纖維(直徑 ο μ m) 5g，氯化鈉(粒徑尺寸180 μ m-280 μ m) 26g均勻分散在PLGA的二氯甲烷 溶液中，倒入模具中，常溫模壓，24小時後解壓，用200ml去離子水支架，每隔0. 5小時換水 一次，直到用0. lmol/L硝酸銀的水溶液，滴加到浸出液中，不出現白色沉澱，表明糖纖維和 氯化鈉己完全浸出，已完全浸出致孔劑的支架用濾紙或衛生紙吸去大部分去離子水，然後 進行真空乾燥，乾燥溫度20°C，乾燥時間為48小時，得到孔徑200 μ m,孔隙率為90%的孔壁 帶有溝槽的三維多孔支架，溝槽為ΙΟμπι寬、ΙΟμπι深，理論覆蓋率為孔壁表面積的100%。實施例3 將2g分子量為35. 9萬的PLGA85/15溶於17g 二氯甲烷中，然後將糖 纖維(直徑15 μ m) lg,氯化鈉(粒徑尺寸180 μ m-280 μ m) 20g均勻分散在PLGA的二氯甲烷 溶液中，倒入模具中，常溫模壓，24小時後解壓，取出支架，用200ml去離子水浸洗支架，每 隔1小時換水一次，直到用0. lmol/L硝酸銀的水溶液，滴加到浸出液中，不出現白色沉澱， 為止。已完全浸出致孔劑的支架用濾紙或衛生紙吸去大部分去離子水，然後進行真空乾燥， 真空乾燥，溫度為20°C，乾燥48小時，得到孔徑200 μ m,孔隙率為86%的孔壁帶有15 μ m寬、 15 μ m深溝槽的三維多孔支架，理論覆蓋率約為孔壁表面積的10%。實施例4將2g分子量為15萬的PLGA85/15溶於Ilg二氯甲烷中，然後將糖纖維 (直徑10 μ m) 3g，氯化鈉(粒徑尺寸280 μ m-380 μ m) 15g均勻分散在PLGA的二氯甲烷溶液 中，倒入模具中，常溫模壓，24小時後解壓，用200ml水洗糖纖維和氯化鈉，每隔1小時換水 一次，直到用0. lmol/L硝酸銀的水溶液，滴加到浸出液中，不出現白色沉澱為止。已完全浸 出致孔劑的支架用濾紙或衛生紙吸去大部分水，然後進行真空乾燥，真空乾燥溫度20°C， 乾燥時間為48小時，得到孔徑300 μ m,孔隙率為85%的孔壁帶有溝槽的三維多孔支架，溝槽 為10 μ m寬、10 μ m深，理論覆蓋率為孔壁的87%。實施例5將2g分子量為9萬的PLGA85/15溶於Ilg 二氯甲烷中，然後將糖纖維 (直徑10 μ m) 3g，氯化鈉(粒徑尺寸180 μ m-280 μ m) 15g均勻分散在PLGA的二氯甲烷溶液中，倒入模具中，常溫模壓，24小時後解壓，用200ml水洗糖纖維和氯化鈉，每隔1小時換水 一次，直到用0. lmol/L硝酸銀的水溶液，滴加到浸出液中，不出現白色沉澱為止，已完全浸 出致孔劑的支架用濾紙或衛生紙吸去大部分水，然後進行真空乾燥，真空乾燥溫度20°C，幹 燥時間為48小時，得到孔徑200 μ m,孔隙率為85%的孔壁帶有溝槽的三維多孔支架，溝槽為 10 μ m寬、10 μ m深，理論覆蓋率為孔壁的58%。 實施例6將2g分子量為5萬的PLGA85/15溶於Ilg 二氯甲烷中，然後將糖纖維 (直徑10 μ m) 5g，氯化鈉(粒徑尺寸280 μ m-380 μ m) 33g均勻分散在PLGA的二氯甲烷溶液 中，倒入模具中，常溫模壓，24小時後解壓，用200ml水洗糖纖維和氯化鈉，每隔1小時換水 一次，直到用0. lmol/L硝酸銀的水溶液，滴加到浸出液中，不出現白色沉澱為止，已完全浸 出致孔劑的支架用濾紙或衛生紙吸去大部分水，然後進行真空乾燥，真空乾燥溫度20°C，幹 燥時間為48小時，得到孔徑200 μ m,孔隙率為92%的孔壁帶有溝槽的三維多孔支架，溝槽為 10 μ m寬、10 μ m深，理論覆蓋率為孔壁的51%。
權利要求
一種孔壁帶有微溝槽的多孔支架，其特徵在於支架為多孔，且孔壁帶有微溝槽，其孔隙率為20 99%，孔徑為5 2000μm，微溝槽寬度為20nm 300μm，微溝槽深度為20nm 300μm，微溝槽在孔壁表面的覆蓋率為0.5 98％；支架的基體材料為具有自粘結性、可溶解性、可塑性的高分子材料。
2.根據權利要求1所述的多孔支架，其特徵在於所述支架的基體材料為如下可降解的高分子材料中的任何一種聚DL-丙交酯、聚L-丙交酯、聚乙交酯、聚 乳酸-羥基乙酸的共聚物、聚3-羥基丁酸酯、聚羥基脂肪酸酯、聚ε-己內酯、聚ε-烷基 取代己內酯、聚S-戊內酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對二氧雜環己酮、 聚二氧六環、聚醚酯，或者為上述各類聚酯的任何形式的共聚物或共混物中的任何一種；或者為如下不可降解高分子材料中的任何一種聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚 甲基丙烯酸酯、聚碳酸醋、尼龍、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚矽氧烷，或者 為由它們之中幾種組成的共聚物或共混物中的任何一種。
3.一種如根據權利要求1或2所述的孔壁帶有微溝槽的多孔支架的製備方法，其特徵 在於具體步驟如下(1)將高分子材料溶於溶劑Α，形成高分子材料的溶液，將纖維狀材料與致孔劑分散 於高分子溶液中，邊攪拌邊使部分溶劑A揮發，形成分散均勻的高分子濃溶液_致孔劑粒 子_纖維狀物質混合物；該混合物呈膏狀，不具有流動性，常溫下，在模具中通過模壓成型， 形成高分子溶液_致孔劑粒子_纖維狀物質混合物製品；然後，先在室溫環境下使溶劑A部 分揮發，再真空乾燥，脫除殘留溶劑Α，待溶劑A完全脫除後，得到高分子_致孔劑粒子_纖 維狀物質混合物的成型製品；所述真空乾燥溫度不超過支架材料的熔點或玻璃化溫度；所 用溶劑A為可溶解高分子材料但不溶解致孔劑和纖維狀物質的溶劑；(2)將上述高分子-致孔劑粒子_纖維狀物質的混合物成型製品放在溶劑B中，浸出致 孔劑粒子和纖維狀物質；所用溶劑B為可溶解致孔劑與纖維狀物質但不溶解所用高分子材 料的溶劑；(3)將上述己浸出致孔劑粒子和纖維狀物質的支架從容器中取出，待大部分溶劑B揮 發後放入真空烘箱中真空乾燥，完全脫除溶劑B，即得到所需高分子多孔支架；所述真空幹 燥溫度不超過支架材料的熔點或玻璃化溫度。
4.根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於步驟(1)中所用的致孔劑為無機鹽 粒子、多糖、蛋白質、合成高分子，或由它們之中幾種所組成的混合物；致孔劑粒徑尺寸為 5-2000 μ m,致孔劑用量為混合物的20-99wt%。
5.根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於步驟(1)所用纖維狀物質為葡萄糖、果 糖、蔗糖或麥芽糖，或其中幾種的混合物；纖維直徑為20ηπι-300μπι，纖維的用量為混合物 的 0. 00001-79wt%。
6.根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於高分子材料用量為混合物的l-79wt%。
7.根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於所用高分子溶液濃度範圍為l-99wt%。
8.根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於所用溶劑A為丙酮、丁酮、三氯甲烷、二 氯甲烷、四氫呋喃、苯、甲苯、二甲苯、乙二醇、環己酮、二氧六環、N，N—二甲基甲醯胺、甲酸、 苯甲醇、環己烷中的任何一種，或其中幾種的混合物。
9.根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於所用溶劑B為水、醇、胺、烴及滷代烴當中任意一種，或其中幾種的混合物。
10.根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於溶劑B用量為混合物總重量的 10-1000 倍。
全文摘要
本發明屬於生物材料技術領域，具體為一種孔壁帶有微溝槽的多孔支架及其製備方法。該多孔支架孔壁帶有微溝槽，其孔隙率為20-99%，孔徑為5-2000μm，微溝槽寬度為20nm-300μm，微溝槽深度為20nm-300μm，微溝槽在孔壁表面的覆蓋率為0.5-98％；支架的基體材料為具有自粘結性、可溶解性、可塑性的高分子材料。製備方法為將纖維狀物質與致孔劑和基體材料在溶劑中混合均勻，然後進行常溫模壓/粒子浸出。本發明支架材料在三維空間結構上構築了獨特的微溝槽結構，提供給細胞與材料響應的新的三維空間。此三維多孔支架可以作為細胞黏附、定向生長更好的載體。
文檔編號A61L27/26GK101920043SQ20101025543
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月17日 優先權日2010年8月17日
發明者丁建東, 屈澤華 申請人:復旦大學