蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架及其製備方法

2023-05-19 11:17:21 1

專利名稱：蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架及其製備方法
技術領域：
本發明涉及的是一種生物醫學材料技術領域的支架及其製備方法，具體是一 種蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架及其製備方法。
技術背景近年來，隨著細胞生物學、材料科學和分子生物學等學科的發展，組織工程 概念的提出為器官缺損的修復提供了新的思路。組織工程支架材料是組織工程的 關鍵，目前生物可降解高分子材料特別是脂肪族聚酯越來越受到人們的關注，如 聚乳酸(PLA)、聚羥基乙酸(PGA)，聚己內酯(PCL)以及它們的共混物和共 聚物等等。它們都有良好的生物相容性，是植入材料的理想選擇。同時，它們還 具有良好的熱塑性和成型加工性，因而在生物醫學領域有著廣泛應用。但是作為 組織工程支架材料，它們都有著各自的缺點聚乳酸和聚羥基乙酸的降解速率過 快；聚己內酯雖然降解速率較慢，但是力學性能較差。而且上述材料植入後的降解產物會產生局部酸性，可能會引發炎症反應。如何改進這些不足是目前研究工 作的重點。目前已經有將聚己內酯和殼聚糖/羥基磷灰石複合來製備組織工程多孔材料的專利，利用殼聚糖和羥基磷灰石來緩解聚己內酯在降解過程中引起的pH值下 降並同時改善力學性能。比如中國專利公開號CN 101015712A，單該專利製備 方法使用了冰醋酸作為聚己內酯的溶劑，有機溶劑的殘留可能會使材料的生物相 容性受到影響。蠶絲是一種天然的多肽纖維，由絲膠和絲素兩部分組成。其中絲素部分與人 體的角質和膠原同為蛋白質，有十分相似的結構，具有良好的生物相容性和生物 降解性。經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利名稱組織工程支架用多孔材料及其製備方法，授權公告號CN 1181892C。但該方法所製備的多孔支架力學性能 較差。蠶絲絲素纖維強度高，可以用增強可降解高分子來改善力學性能，且在提高力學性能的同時又能保證材料的生物相容性和生物降解性。目前，使用蠶絲纖 維來增強高聚物製成多孔材料並作為組織工程支架的應用尚未見報導。組織工程材料要有高孔隙率，且內部連通的三維結構，從而為細胞生長、養 分交換和代謝產物的流通提供足夠的空間。為了獲得上述結構，已經開發了相分 離法、纖維聯接法、氣體發泡法、粒子濾出法、快速成型法等常用的支架製備方 法。然而，這些方法都存在著各自的不足，比如相分離法不可避免的加入了有機 溶劑，纖維聯接法用於骨組織工程支架時的強度較低，氣體發泡法得到的孔洞連 通性較差，快速成型方法得到的孔隙率較低，粒子濾出法會有致孔劑殘留問題等 等。如何更好的利用上述方法的優點，製備出符合要求的組織工程支架，也是人 們集中研究的熱點之一。發明內容本發明的目的是針對現技術的不足，提供一種蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支 架及其製備方法，得到的支架有較高的孔隙率並且內部孔洞連通，孔隙率和力學 性能可調。本發明是通過以下技術方案實現的本發明所涉及的蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架，由聚己內酯和蠶絲絲素纖 維構成，其中聚己內酯為基體相，蠶絲絲素纖維為增強相，具有三維多孔並且孔 洞連通的結構，孔隙率為52.9%—83.2%。本發明支架中，聚己內酯與蠶絲絲素 纖維質量比為85: 15_55: 45，孔洞大小為100um—300um。本發明通過蠶絲絲素纖維來增強聚己內酯的力學性能，並且在一定程度上緩 解聚己內酯在降解過程中出現局部酸性過大的問題。本發明所述的蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架的製備方法，是將熔融共混法 和粒子濾出法結合，採用綠色環保的致孔劑濾出技術獲得孔洞，將水溶性高分子 和無機鹽作為複合致孔劑，通過水溶性高分子溶解後產生的孔洞使致孔劑完全濾 出，解決了粒子濾出法中致孔劑殘留的問題。本發明所涉及的蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架的製備方法包括以下步驟第一步，蠶絲脫膠將蠶絲放入Na2C03溶液中，在9(TC一10(TC下加熱，使蠶 絲脫膠，然後把得到的絲素纖維用去離子水衝洗後烘乾。 所述Na2C(V溶液，其質量分數為O. 5% 。所述加熱，其時間為40min。所述烘乾，是指在7(TC—8(TC下真空烘乾。第二步，共混將聚己內酯、蠶絲絲素纖維、水溶性高分子(聚氧化乙烯) 和無機鹽(氯化鈉)熔融共混，將共混得到的物質放入模具中模壓，然後保持壓 力不變的情況下室溫冷壓後脫模。所述熔融共混中，各物質的質量分數為聚己內酯7.1% — 27.6%，水溶性 高分子(聚氧化乙烯)7. 1%—27.6%，無機鹽(氯化鈉)40%—80%，蠶絲絲 素纖維1.6% — 17. 4%。所述熔融共混，是指在聚合物混和設備中，14(TC熔融共混20min。所述模壓，是指在25MPa壓力下，140。C模壓10min。所述冷壓，其時間為10min。第三步，濾出致孔劑將第二步得到的物質浸泡在去離子水中，使聚氧化乙 烯和氯化鈉全部濾出，冷凍乾燥後得到多孔支架。 所述浸泡在去離子水中，其時間為1周。 所述冷凍乾燥，其時間為24小時。製備時保證聚己內酯和聚氧化乙烯的質量比為60:40—40:60 (其中最優化 的比例是50: 50)，聚己內酯和蠶絲絲素纖維的質量比為85:15 — 55:45。本發明製備的三維多孔組織工程支架中可供細胞培養的孔徑大小為lOOrnii 一300um，孔隙率為52. 9%—83. 2%，支架被壓縮1. 5mm時的抗壓強度為0. 8MPa —7. 3MPa。本發明的優點和積極作用在於(1) 採用資源豐富的蠶絲纖維作為增強材料和可完全生物降解、生物相容 性良好的聚己內酯作為基體，經過熔融共混和粒子濾出後製備成多孔複合材料， 工藝簡單，也可以適用於其他聚合物或者纖維增強聚合物多孔材料的製備。(2) 在整個支架製備過程中沒有引入有機溶劑，不存在因有機溶劑在材料 中的殘留而導致生物相容性下降的問題。(3) 採用的致孔技術為綠色環保的致孔劑溶出技術，使用水溶性高分子和 無機鹽類結合作為複合致孔劑，解決了致孔劑在支架中殘留的問題，避免了殘留 的致孔劑對生物相容性的影響。(4) 蠶絲絲素纖維的加入明顯改善了聚己內酯的力學性能，保證了支架材料有較高孔隙率的同時仍然保持著一定的力學性能。(5) 蠶絲絲素纖維的加入還可以在一定程度上緩解聚己內酯在降解過程中 局部酸性過大的問題，為細胞的培養提供了更好的環境。細胞培養實驗表明，骨 髓間充質幹細胞能夠在支架上增殖並且在支架的孔隙中生長良好，無毒副作用。本發明還可以通過控制致孔劑和纖維的含量來控制支架材料的孔隙率和力 學性能，材料成本較低，方法簡便，重複性好，在組織修復領域具有廣泛的應用 前景。


圖1是蠶絲絲素纖維增強聚己內酯組織工程支架的掃描電鏡圖片。 圖2是骨髓間充質幹細胞在蠶絲絲素纖維增強聚己內酯組織工程支架上培 養8天後的掃描電鏡圖片。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 範圍不限於下述的實施例。實施例1將蠶絲放入質量分數為0.5X的Na2C(V溶液中，在90 — 10(TC下加熱40min，使 蠶絲脫膠，然後把得到的絲素纖維用去離子水衝洗後70 —8(TC下真空烘乾。取 16.56g聚己內酯，16.56g聚氧化乙烯，24g氯化鈉和2. 88g蠶絲絲素纖維在聚合物 混和設備中14(TC熔融共混20min (其中聚己內酯和聚氧化乙烯的質量比為l: 1， 聚己內酯的質量分數為27.6%，氯化鈉的質量分數為40%，蠶絲絲素纖維的質量分 數為4.8%，聚己內酯與蠶絲絲素纖維的質量比為85:15)，將共混得到的樣品放 入模具中用平板硫化儀壓成厚度為3mm的薄片，25MPa壓力下14(TC模壓10min，然 後保持壓力不變的情況下室溫冷壓10min後脫模，用裁刀裁成直徑為25mm的圓片。 將得到的樣品浸泡在去離子水中l周，冷凍乾燥24小時後得到多孔支架。樣品浸 泡前後的質量損失為67.8%，而理論的質量損失為67.6%，說明致孔劑基本完全 濾出，內部孔洞基本完全連通。支架的孔隙率為60.6%，支架被壓縮1.5mm時的 抗壓強度為5.7MPa，相同條件下製備的純聚己內酯的抗壓強度為3. lMPa，說明加入纖維後，支架的力學性能增加。 實施例2將蠶絲放入質量分數為O. 5%的化20)3溶液中，在90 — 10(TC下加熱40min，使 蠶絲脫膠，然後把得到的絲素纖維用去離子水衝洗後70 — 8(TC下真空烘乾。取 14. 16g聚己內酯，14.16g聚氧化乙烯，24g氯化鈉和7. 68g蠶絲絲素纖維在聚合物 混和設備中14(TC熔融共混20min (其中聚己內酯和聚氧化乙烯的質量比為1:1， 聚己內酯的質量分數為23.6%，氯化鈉的質量分數為40%，蠶絲絲素纖維的質量分 數為12.8%，聚己內酯與蠶絲絲素纖維的質量比為65:35)，將共混得到的樣品放 入模具中用平板硫化儀壓成厚度為3mm的薄片，25MPa壓力下140。C模壓10min，然 後保持壓力不變的情況下室溫冷壓10min後脫模，用裁刀裁成直徑為25mm的圓片。 將得到的樣品浸泡在去離子水中l周，冷凍乾燥24小時後得到多孔支架。樣品浸 泡前後的質量損失為62.8%，而理論的質量損失為63.6%,說明致孔劑基本完全 濾出，內部孔洞基本完全連通。支架的孔隙率為55.7%，支架被壓縮l. 5mra時的 抗壓強度為6.3MPa，而相同條件下製備的純聚己內酯的抗壓強度為4.7MPa，說明 加入纖維後，支架的力學性能增加。在生理鹽水中浸泡16周後生理鹽水的pH值為 4.16，而純聚己內酯經過相同時間降解後生理鹽水的pH值為3.48，說明纖維的加入能夠緩解聚己內酯在降解過程中局部酸性過大的問題。 實施例3將蠶絲放入質量分數為0.5%的％2(:03溶液中，在90—10(TC下加熱40min，使 蠶絲脫膠，然後把得到的絲素纖維用去離子水衝洗後70 — 8(TC下真空烘乾。取 12. 78g聚己內酯，12.78g聚氧化乙烯，24g氯化鈉和10.44g蠶絲絲素纖維在聚合 物混和設備中14(TC熔融共混20miri(其中聚己內酯和聚氧化乙烯的質量比為l:l， 聚己內酯的質量分數為21.3%，氯化鈉的質量分數為40%，蠶絲絲素纖維的質量分 數為17.4%，聚己內酯與蠶絲絲素纖維的質量比為55:45)，將共混得到的樣品放 入模具中用平板硫化儀壓成厚度為3mra的薄片，25MPa壓力下14(TC模壓10min，然 後保持壓力不變的情況下室溫冷壓10min後脫模，用裁刀裁成直徑為25ran的圓片。 將得到的樣品浸泡在去離子水中l周，冷凍乾燥24小時後得到多孔支架。樣品浸 泡前後的質量損失為60.4%，而理論的質量損失為61.3%，說明致孔劑基本完全 濾出，內部孔洞基本完全連通。支架的孔隙率為52.9%，支架被壓縮l. 5min時的抗壓強度為7.3MPa，而相同條件下製備的純聚己內酯的抗壓強度為5.2MPa，說明 加入纖維後，支架的力學性能增加。 實施例4將蠶絲放入質量分數為0.5%的化20)3溶液中，在90 — 100。C下加熱40min，使 蠶絲脫膠，然後把得到的絲素纖維用去離子水衝洗後70 — 8(TC下真空烘乾。取 9.48g聚己內酯，9.48g聚氧化乙烯，36g氯化鈉和5. 04g蠶絲絲素纖維在聚合物混 和設備中14(TC熔融共混20min (其中聚己內酯和聚氧化乙烯的質量比為l: 1，聚 己內酯的質量分數為15.8%，氯化鈉的質量分數為60%，蠶絲絲素纖維的質量分數 為8.4%，聚己內酯與蠶絲絲素纖維的質量比為65:35)，將共混得到的樣品放入 模具中用平板硫化儀壓成厚度為3mm的薄片，25MPa壓力下14(TC模壓10min，然後 保持壓力不變的情況下室溫冷壓10min後脫模，用裁刀裁成直徑為25mm的圓片。 將得到的樣品浸泡在去離子水中l周，冷凍乾燥24小時後得到多孔支架。樣品浸 泡前後的質量損失為75.4%，而理論的質量損失為75.8%，說明致孔劑基本完全 濾出，內部孔洞基本完全連通。支架的孔隙率為67.0%，支架被壓縮1.5mm時的 抗壓強度為2.6MPa，而相同條件下製備的純聚己內酯的抗壓強度為1.8MPa，說明 加入纖維後，支架的力學性能有所增加。實施例5將蠶絲放入質量分數為O. 5%的^2(]03溶液中，在90—100。C下加熱40min，使 蠶絲脫膠，然後把得到的絲素纖維用去離子水衝洗後70 — 8(TC下真空烘乾。取 7.36g聚己內酯，7.36g聚氧化乙烯，64g氯化鈉和l. 28g蠶絲絲素纖維在聚合物混 和設備中14(TC熔融共混20min (其中聚己內酯和聚氧化乙烯的質量比為l: 1，聚 己內酯的質量分數為9.2%，氯化鈉的質量分數為80%，蠶絲絲素纖維的質量分數 為1.6%，聚己內酯與蠶絲絲素纖維的質量比為85:15)，將共混得到的樣品放入 模具中用平板硫化儀壓成厚度為3腿的薄片，25MPa壓力下14(TC模壓10min，然後 保持壓力不變的情況下室溫冷壓10min後脫模，用裁刀裁成直徑為25mm的圓片。 將得到的樣品浸泡在去離子水中l周，冷凍乾燥24小時後得到多孔支架。樣品浸 泡前後的質量損失為89.7%，而理論的質量損失為89.2%，說明致孔劑基本完全 濾出，內部孔洞基本完全連通。支架的孔隙率為83.2%，支架被壓縮1.5mra時的 抗壓強度為0.8MPa，而相同條件下製備的純聚己內酯的抗壓強度為0.4MPa，說明加入纖維後，支架的力學性能有所增加。 實施例6將蠶絲放入質量分數為O. 5。/。的Na2C(V溶液中，在90—100。C下加熱40min，使 蠶絲脫膠，然後把得到的絲素纖維用去離子水衝洗後70 — 80'C下真空烘乾。取 5.68g聚己內酯，5.68g聚氧化乙烯，64g氯化鈉和4. 64g蠶絲絲素纖維在聚合物混 和設備中140'C熔融共混20min (其中聚己內酯和聚氧化乙烯的質量比為l: 1，聚 己內酯的質量分數為7. 1%，氯化鈉的質量分數為80%，蠶絲絲素纖維的質量分數 為5.8%，聚己內酯與蠶絲絲素纖維的質量比為55:45)，將共混得到的樣品放入 模具中用平板硫化儀壓成厚度為3mm的薄片，25MPa壓力下14(TC模壓10min，然後 保持壓力不變的情況下室溫冷壓10min後脫模，用裁刀裁成直徑為25mm的圓片。 將得到的樣品浸泡在去離子水中l周，冷凍乾燥24小時後得到多孔支架。樣品浸 泡前後的質量損失為87.0%，而理論的質量損失為87. 1%，說明致孔劑基本完全 濾出，內部孔洞基本完全連通。支架的孔隙率為80.0%，支架被壓縮1.5mm時的 抗壓強度為l.OMPa，而相同條件下製備的純聚己內酯的抗壓強度為0.6MPa，說明 加入纖維後，支架的力學性能有所增加。將上述實施例製備成的多孔支架在掃描電子顯微鏡下觀察其形貌，如圖l所 示，支架材料中孔徑的大小大致為100um-300um。同時，還可以看到孔洞上有聚 氧化乙烯溶解後形成的小孔，這些小孔的存在有利於氯化鈉的完全濾出。將l月 齡紐西蘭大白兔的骨髓間充質幹細胞在上述實施例製備成的多孔支架上培養，圖 2所示為骨髓間充質幹細胞在支架材料上培養8天後的掃描電鏡圖片，從圖中可以 看出，細胞能夠很好的在支架上粘附和增殖，並且向支架的孔隙中良好的生長。
權利要求
1. 一種蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架，其特徵在於由聚己內酯和蠶絲絲素纖維構成，聚己內酯與蠶絲絲素纖維質量比為85∶15-55∶45，其中聚己內酯為基體相，蠶絲絲素纖維為增強相，具有三維多孔並且孔洞連通的結構，孔隙率為52.9％-83.2％。
2、 如權利要求l所述的蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架，其特徵是所述 孔洞大小為100um—300um。
3、 —種蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架的製備方法，其特徵在於，包括以下 步驟第一步，蠶絲脫膠將蠶絲放入Na2C03溶液中，在90。C一10(TC下加熱，使 蠶絲脫膠，然後把得到的絲素纖維用去離子水衝洗後烘乾；第二步，共混將聚己內酯、蠶絲絲素纖維、水溶性高分子和無機鹽熔融共 混，將共混得到的物質放入模具中模壓，然後保持壓力不變室溫冷壓後脫模；所述熔融共混中，各物質的質量分數為聚己內酯7.1%—27.6%，水溶性 高分子7. 1%_27.6%，無機鹽40%_80%，蠶絲絲素纖維1. 6% — 17. 4%;第三步，濾出致孔劑將第二步得到的物質浸泡在去離子水中，使聚氧化乙烯和氯化鈉全部濾出，冷凍乾燥後得到多孔支架。
4、 根據權利要求3所述的蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架的製備方法，其 特徵是，第一步中，所述Na2C(V溶液，其質量分數為0.5%。
5、 根據權利要求3所述的蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架的製備方法，其特徵是，第一步中，所述烘乾，是指在7(rc—8crc下真空烘乾。
6、 根據權利要求3所述的蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架的製備方法，其特 徵是，第二步中，所述水溶性高分子為聚氧化乙烯，無機鹽為氯化鈉。
7、 根據權利要求3所述的蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架的製備方法，其 特徵是，第二步中，所述熔融共混，是指在聚合物混和設備中，14(TC熔融共混 20min。
8、 根據權利要求3所述的蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架的製備方法，其 特徵是，第二步中，所述聚己內酯和聚氧化乙烯的質量比為60:40 — 40:60，聚己內酯和蠶絲絲素纖維的質量比為85:15 — 55:45。
9、 根據權利要求8所述的蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架的製備方法，其 特徵是，所述聚己內酯和聚氧化乙烯的質量比為50: 50。
10、 根據權利要求3所述的蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架的製備方法，其 特徵是，第二步中，所述模壓，是指在25MPa壓力下，14(TC模壓10min。
全文摘要
本發明涉及一種生物醫學材料領域的蠶絲纖維增強聚己內酯多孔支架及其製備方法。本發明以聚己內酯為基體相，蠶絲絲素纖維為增強相，通過熔融共混和粒子濾出法相結合製備多孔複合材料。將水溶性高分子和無機鹽作為複合致孔劑，採用綠色環保的致孔劑濾出技術獲得孔洞結構，孔洞大小為100um-300um，孔隙率為52.9％-83.2％。蠶絲纖維增強了材料的力學性能，並且能夠緩解聚己內酯降解過程中局部酸性偏大的問題。支架的孔隙率和力學性能可以通過控制材料和致孔劑的配比來調節。整個製備過程沒有引入有機溶劑，並且能夠使致孔劑充分濾出，避免了因有機溶劑和致孔劑的殘留導致支架材料生物相容性下降的問題。
文檔編號A61L27/56GK101264343SQ20081003710
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月8日 優先權日2008年5月8日
發明者喬秀穎, 康 孫, 偉 李 申請人:上海交通大學