CN100431622C

CN100431622C - 组织工程用聚合物多孔支架材料的方法及其制备装置

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Publication number: CN100431622C
Application number: CNB2005101229201A
Authority: CN
Inventors: 董寅生; 林萍华; 蒲跃朴; 孙浩; 郭超
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2025-12-08
Also published as: CN1785438A

Abstract

一种组织工程用聚合物多孔支架材料的方法，其特征在于选取冰粒子作为致孔剂，先把冰粒子堆积在模具中，将聚合物溶液置于冰柜中在冰点以下温度进行预冷处理1～2小时，使聚合物溶液的温度降至≤-5℃，再在0.5～1.5MPa的正压力或0.002～0.04MPa的负压力作用下，将预冷处理后的聚合物溶液渗入冰粒子之间，冷冻成型后得到含有聚合物、溶剂和冰的预制块，再将预制块置于-(55～61)℃下进行冷冻干燥，去除预制块中的溶剂，并在-(5～10)℃用真空干燥法去除预制块中的致孔剂后即可得到多孔支架材料；上述聚合物溶液是将生物可降解聚合物按生物可降解聚合物与溶剂的质量比为1∶5～1∶20的比例加入到溶剂中并在其中溶解，该溶剂采用冰点为低于水冰点的溶剂。

Description

组织工程用聚合物多孔支架材料的方法及其制备装置

技术领域

本发明为一种聚合物多孔体的制备技术，具体涉及一种组织工程用多孔聚合物支架材料的制备方法及其制备装置。

背景技术

组织、器官的丧失或功能障碍是人类健康所面临的主要危害之一，也是人类疾病和死亡的最主要原因。传统的治疗方法包括药物治疗、组织和器官移植、人造代用品和机械装置治疗等，但是这几种方法均有其明显的不足。组织和器官的移植包括自体移植、同种异体移植和异种器官移植三种，但各有其缺点：自体移植通常不存在免疫排斥问题，但是它是以牺牲人体部分正常组织为代价修复病理或缺损组织，不仅会增加病人的痛苦，而且有的器官独一无二，无法进行自体移植；同种异体移植最大的问题就是供体来源问题；异种器官移植不仅存在免疫排斥反应，而且涉及伦理问题。人造代用品和机械装置治疗或因其生物相容性和耐用性等不及活组织，或因尚不具备所需脏器的全部功能或只能在体外使用，而使临床应用受到很大限制。因此必须寻找新的、更为理想的治疗手段。

随着生命科学、材料科学以及相关物理、化学学科的发展，人们提出了一个新的概念一组织工程。它是应用细胞生物学和工程学的原理，研究开发修复、改善损伤组织结构和功能的生物替代物的一门科学。其基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞吸附于一种生物相容性良好并被机体吸收的多孔生物材料上形成复合物，将细胞/生物材料复合物植入机体组织、器官病损部位，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的具有特定形态和功能的相应组织、器官，达到修复创伤和重建功能的目的。

将具有良好生物相容性和生物降解吸收性能的生物材料制成具有特定形状的三维多孔支架是组织工程的技术关键之一。支架材料在组织工程研究中起着非常重要的作用，它是组织工程实现产业化的关键。而支架材料的加工方法在其中又占有极其重要的地位。组织工程用支架需要较高的孔隙率并且孔与孔之间相互连通，高的孔隙率使得细胞生长所需的水份、无机盐以及其它营养物质容易渗透到材料内部，细胞生长过程中的废物能够排出，维持支架内部细胞的正常生长、繁殖，因为只有这样，细胞植入后才能进入支架的内部，最终形成特定形态的组织、器官。

组织工程支架材料是组织工程的核心问题之一，对它的研究蕴含着巨大的科学研究价值和实用价值，国内外已对组织工程所用支架的制备方法进行了广泛的研究，已经开发了纤维粘结、溶剂浇铸/粒子沥滤、相分离/冷冻干燥、气体发泡、聚合物微球聚集、快速原型制造等方法。尽管纤维粘结技术能够产生相连通并适用于组织再生的高度多孔支架，但用于骨组织工程支架时其强度较低，易变形；相分离/冷冻干燥技术得到的支架孔尺寸较小，在组织工程领域中的应用还存在局限性；气体发泡法容易产生闭孔结构；用快速原型制造技术得到的支架孔隙率偏低；采用溶液浇铸/粒子沥滤技术时，滤出水溶性粒子会明显增加制备支架的时间，否则会有致孔剂残留。纵观所介绍的制备支架的方法，它们都存在着各自的不足，如何能将各种方法的优势结合在一起，制备出符合理想支架基本要求的组织工程支架是现在人们集中研究的热点。

发明内容

本发明提供一种能够避免致孔剂污染的组织工程用聚合物多孔支架材料的方法及其制备装置，由本发明制得的多孔支架材料的孔结构为通孔结构。

本发明所述方法的技术方案如下：

一种组织工程用聚合物多孔支架材料的方法，选取冰粒子作为致孔剂，先把冰粒子堆积在模具中，将聚合物溶液置于冰柜中在冰点以下温度进行预冷处理1～2小时，使聚合物溶液的温度降至≤-5℃，再在0.5～1.5MPa的正压力或0.002～0.04MPa的负压力作用下，将预冷处理后的聚合物溶液渗入冰粒子之间，冷冻成型后得到含有聚合物、溶剂和冰的预制块，再将预制块置于-(55～61)℃下进行冷冻干燥，去除预制块中的溶剂，并在-(5～10)℃用真空干燥法去除预制块中的致孔剂后即可得到多孔支架材料；上述聚合物溶液是将生物可降解聚合物按生物可降解聚合物与溶剂的质量比为1∶5～1∶20的比例加入到溶剂中并在其中溶解，该溶剂采用冰点为低于水冰点的溶剂。

本发明所述实施上述方法的装置技术方案如下：

一种用于上述组织工程用聚合物多孔支架材料的方法的制备装置，由盖、筒体、压紧网和支承网组成，压紧网和支承网设在筒体内，在压紧网与支承网之间放置有致孔剂粒子，上述盖设在筒体的开口处，在盖与筒体之间设有密封圈，在盖和/或筒体上设有进气孔及出气孔且进气孔及出气孔分别被设置于压紧网与支承网的外侧。

本发明采用渗流法(又称加压渗流法)，是用加压(正压或负压)的方法将聚合物溶液渗入由冰粒子堆积组成的多孔体中，冷凝后去除聚合物的溶剂和冰粒子，而获得具有独特孔隙结构的多孔泡沫材料的方法。与现有聚合物支架制备技术相比，本发明具有如下优点：

1)该多孔支架制造方法简单，液氮中快速凝固的冰粒子呈球形或近球形分布，在模具中冰粒子之间互相接触，保证了形成的多孔支架孔隙间相互连通；通过改变冰粒子的尺寸大小，可方便地调节多孔支架的孔径大小；

2)致孔剂冰粒子可以完全气化去除，无致孔剂残留；

3)用冰粒子作致孔剂解决了致孔剂残留的问题，用渗流法成型可以保证冰粒子的互相接触，形成具有通孔结构的支架，所以本发明的技术可用来制备大块状聚合物多孔支架。由于该支架可以在临床应用时根据需要进行二次加工，所以应用本发明的技术有利于实现多孔支架的商品化制备。

4)本发明可以将空气从制备装置的进气孔打入，形成正压或者从出气孔抽气，形成负压，从而将聚合物溶液渗入致孔剂中，经除去溶剂、致孔剂后即可得到多孔支架材料。

附图说明

图1为本发明的渗流装置示意图。

具体实施方式

实施例一：

1)用标准筛筛得粒径在300～400μm范围内的冰粒子致孔剂5装入筒形模具3中，用木锤或尼龙棒轻轻敲击筒壁，使冰粒子紧密堆积；

2)按1∶10的比例配制聚乳酸(PLA)/氯仿溶液，并在-20℃进行预冷处理；

3)把经预冷处理后的聚乳酸(PLA)/氯仿溶液，注入筒形模具3中压紧网4上部空间，通过通气孔11抽真空，在0.002～0.02MPa的压力下溶液渗流进入致孔剂5的间隙，然后在液氮中冷冻成型，得到含有聚合物、溶剂、冰的预制块；

4)上述得到的预制块在自制冷冻干燥装置中于-55～61℃进行冷冻干燥，除去溶剂，然后缓慢升温，并在低于0℃时保持适当时间，以除去致孔剂冰粒子，即得组织工程用聚乳酸多孔支架。

实施例二：

1)用标准筛筛得粒径在800～900μm范围内的冰粒子致孔剂5装入筒形模具3中，用木锤或尼龙棒轻轻敲击筒壁，使冰粒子紧密堆积；

2)按1∶8的比例配制聚乳酸(PLA)/氯仿溶液，并在-20℃进行预冷处理；

3)把经预冷处理后的聚乳酸(PLA)/氯仿溶液，注入筒形模具3中压紧网4上部空间，装好盖1后，通过通气孔12通往高压气体，在0.5～1.5MPa的压力下溶液渗流进入致孔剂5的间隙，然后在液氮中冷冻成型，得到含有聚合物、溶剂、冰的预制块；

4)上述得到的预制块在自制冷冻干燥装置中于-(55～61)℃进行冷冻干燥，除去溶剂，然后缓慢升温，并在低于0℃时保持适当时间，以除去致孔剂冰粒子，即得组织工程用聚乳酸多孔支架。

实施例三：

2)按1∶5的比例配制聚3-羟基丁酸酯(PHB)-氯仿溶液，并在-20℃进行预冷处理；

3)把经预冷处理聚3-羟基丁酸酯(PHB)/氯仿溶液，注入筒形模具3中压紧网4上部空间，装好盖1后，通过通气孔11抽真空，在0.005～0.04MPa的压力下溶液渗流进入致孔剂5的间隙，然后在液氮中冷冻成型，得到含有聚合物、溶剂、冰的预制块；

4)上述得到的预制块在自制冷冻干燥装置中于-55～61℃进行冷冻干燥，除去溶剂，然后缓慢升温，并在低于0℃时保持适当时间，以除去致孔剂冰粒子，即得组织工程用聚3-羟基丁酸酯多孔支架。

实施例四：

一种组织工程用聚合物多孔支架材料的方法，选取冰粒子作为致孔剂，先把冰粒子堆积在模具中，将聚合物溶液置于冰柜中在冰点以下温度进行预冷处理1～2小时(如：可选择1、1.5或2小时)，使聚合物溶液的温度降至≤-5℃(如：可降至-5℃、-9℃、-15℃、-28℃、)，再在0.5～1.5MPa的正压力(如：0.5、0.7、1.2、1.5MPa)或0.002～0.04Mpa(如：0.002、0.012、0.07、0.028、0.034、0.04Mpa)的负压力作用下，将预冷处理后的聚合物溶液渗入冰粒子之间，冷冻成型后得到含有聚合物、溶剂和冰的预制块，再将预制块置于-(55～61)℃下进行冷冻干燥，去除预制块中的溶剂，并在-(5～10)℃(如：-5、-6、-8、-10)℃)用真空干燥法去除预制块中的致孔剂后即可得到多孔支架材料；上述聚合物溶液是将生物可降解聚合物按生物可降解聚合物与溶剂的质量比为1∶4～1∶20的比例加入到溶剂中并在其中溶解，该溶剂采用冰点为低于水冰点的氯仿溶剂。

上述冰粒子的制取采用将水喷入液氮中制取冰粒子，在低于冰点的温度下用标准筛对冰粒子进行筛分分级；上述溶解聚合物所用溶剂为氯仿；上述聚合物为聚羟基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、羟基乙酸和乳酸的共聚物(PLGA)、聚己内酯(PCL)、聚二氧杂环己酮(PDs)、三亚甲基碳酸酯(TMC)、聚3-羟基丁酸酯(PHB)、3-羟基丁酸酯和3-羟基己酸酯的共聚物(PHBHHx)或3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物(PHBV)中的一种或几种；上述冰粒子的粒径选用300～900μm，例如：冰粒子的粒径可选用300、459、670或900μm。

实施例五：

一种用于上述组织工程用聚合物多孔支架材料的方法的制备装置，由盖1、筒体3、压紧网4和支承网6组成，压紧网4和支承网6设在筒体3内，在压紧网4与支承网6之间放置有致孔剂粒子5，上述盖1设在筒体3的开口处，在盖1与筒体3之间设有密封圈2，在盖1和/或筒体3上设有进气孔11及出气孔12且进气孔11及出气孔12分别被设置于压紧网4与支承网6的外侧。

Claims

1.一种组织工程用聚合物多孔支架材料的制备方法，其特征在于选取冰粒子作为致孔剂，先把冰粒子堆积在模具中，将聚合物溶液置于冰柜中在冰点以下温度进行预冷处理1～2小时，使聚合物溶液的温度降至≤-5℃，再在0.5～1.5MPa的正压力或0.002～0.04MPa的负压力作用下，将预冷处理后的聚合物溶液渗入冰粒子之间，冷冻成型后得到含有聚合物、溶剂和冰的预制块，再将预制块置于-(55～61)℃下进行冷冻干燥，去除预制块中的溶剂，并在-(5～10)℃用真空干燥法去除预制块中的致孔剂后即可得到多孔支架材料；上述聚合物溶液是将生物可降解聚合物按生物可降解聚合物与溶剂的质量比为1∶5～1∶20的比例加入到溶剂中并在其中溶解，该溶剂采用冰点为低于水冰点的溶剂。

2.根据权利要求1所述的组织工程用聚合物多孔支架材料的制备方法，其特征是冰粒子的制取采用将水喷入液氮中制取冰粒子，在低于冰点的温度下用标准筛对冰粒子进行筛分分级。

3.根据权利要求1所述的组织工程用聚合物多孔支架材料的制备方法，其特征是溶解聚合物所用的溶剂为氯仿。

4.根据权利要求1所述的组织工程用聚合物多孔支架材料的制备方法，其特征是聚合物为聚羟基乙酸、聚乳酸、羟基乙酸和乳酸的共聚物、聚己内酯、聚二氧杂环己酮、聚三亚甲基碳酸酯、聚3-羟基丁酸酯、3-羟基丁酸酯和3-羟基己酸酯的共聚物或3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的组织工程用聚合物多孔支架材料的制备方法，其特征是冰粒子的粒径选用300～900μm。

6.一种用于实施权利要求1至5中任意一项所述组织工程用聚合物多孔支架材料制备方法的制备装置，其特征在于由盖(1)、筒体(3)、压紧网(4)和支撑网(6)组成，压紧网(4)和支撑网(6)设在筒体(3)内，在压紧网(4)与支撑网(6)之间放置有致孔剂粒子(5)，上述盖(1)设在筒体(3)的开口处，在盖(1)与筒体(3)之间设有密封圈(2)，在盖(1)和筒体(3)上设有进气孔(11)及出气孔(12)且进气孔(11)及出气孔(12)分别被设置于压紧网(4)与支撑网(6)的外侧。