CN101249277A - 三维多孔组织工程支架材料、其纤维粘结法制备及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维多孔组织工程支架材料、其纤维粘结法制备及应用，该材料包括聚丁二酸丁二醇酯和聚己内酯，其重量配比为：聚丁二酸丁二醇酯90～10份，聚己内酯10～90份；制备：1)聚丁二酸丁二醇酯和聚己内酯共混，经熔融纺丝制得纤维；2)将纤维裁剪，填充到模具中，纤维排列成均匀结构；3)将模具置于50～90℃真空烘箱恒温保持5分钟～1小时，冷却至室温后脱模，真空干燥，得三维多孔支架材料；4)将三维多孔支架材料灭菌、包装；应用：作为骨或软骨组织工程细胞支架，用于骨或软骨组织器官的修复与重建。本发明的组织工程支架材料内部孔结构均匀，各孔间相互贯通，孔径在10～500μm、孔隙率在70～91％间变化，该支架体系结构稳定，制备工艺简单。
Description
技术领域
本发明属组织工程支架材料及制备领域，特别涉及一种三维多孔组织工程支架材料、其纤维粘结法制备及应用。
背景技术
日常生活中，人体组织和器官的缺失或功能衰竭非常常见，对人们健康和生命构成了严重的威胁。长久以来人类不断地探索和研究利用材料和生物技术改善自身健康水平。传统的治疗方法包括组织和器官移植、外科重建、药物治疗、采用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。进入20世纪90年代，随着细胞生物学、分子生物学、材料科学及相关物理化学学科的发展，组织工程作为一种崭新的治疗手段被提出，并逐渐成为一种非常有希望的器官再造和组织再生的医疗手段。其基本原理是【Langer R，Vacanti J P.Tissue Engineering.Science，1993，260(5110)：920】，将体外培养的组织细胞吸附扩增于一种生物相容性良好并可被人体逐步降解吸收的生物材料上，形成细胞—生物材料复合物。该生物材料为细胞提供一个生存的三维空间，有利于细胞获取足够的营养物质，进行营养物质交换，并能排除废物，使细胞能在按照预制设计的三维形状支架上生长。然后将此细胞—生物材料复合体植入机体组织的病损部位。种植的细胞在生物支架逐步降解吸收过程中，继续增殖并分泌基质，形成新的具有与自身功能和形态相应的组织和器官。这种具有生命力的活体组织能对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。
因此在组织工程支架材料的研究中，重点在生物可降解材料的选用和多孔支架的制备。在生物可降解材料的选用中，脂肪族聚酯是最有发展前景的一种。目前，已商品化的脂肪族聚酯主要有聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚己内酯(PCL)和聚羟基烷酸酯(PHAs)，但因其价格高、力学性能差、加工性能差或者临床应用上的一些缺点限制了它们的使用范围。至今还没有一个单一的生物材料可以满足组织工程对支架材料的所有需求，这就要综合现有生物材料的优点，将其有机地融合在一起，才能制备出具有生物相容性、有足够的空间和性能支持、引导并组织细胞成长，能支持组织内生长和保证体内降解产物无毒等性能的组织工程支架。目前国内外用于制备多孔支架材料的方法主要有溶剂浇铸/粒子沥滤法、纤维粘结法、气体发泡法、相分离/乳化法、冷冻干燥法等。
组织工程出现至今，已有大量的支架材料用于修复骨、软骨、皮肤、肌腱、神经、血管、肝脏、胰腺等各种组织和器官。其中以骨和软骨的研究最多，以皮肤的研究最成功。Goh等制备了孔径160～700μm、孔隙率48～77％的类似蜂巢状的PCL多孔材料，负载不同剂量药物的PCL支架材料植入兔子下皮细胞，2～4周后即可长出大量的软骨细胞，6周后形成了初步的软骨组织【Goh JCH，Shao XX，Hutmacher DW，et al.Tissue engineering approach toosteochondral repair andregeneration.Journal of Mechanics in Medicine a-nd Biology，2004，4(4)：463-483】。刘华国等采用冷冻干燥/粒子沥滤复合法制备聚己内酯(PCL)多孔支架，研究结果表明，复合法制备的PCL支架具有孔隙率高(86％)，孔隙结构均匀、孔隙连通性好、孔径可控等特点，支架结构可以通过调整预冷冻温度和造孔剂粒径进行控制【刘华国，王迎军等.冷冻干燥/粒子沥滤复合法制备聚己内酯组织工程支架.材料导报，2007，21(2)：125-131】。S.-J.Shieh等人用蔗糖制备形状模板，采用溶剂浇铸/粒子沥滤法制得耳状PCL和PHB材料的软骨组织工程载体材料，并研究了其在裸鼠体内的生物特性【Shy-Jou Shieh，Schinichi Terada，Joseph P.Vacanti.Tissue engineering auricular reconstruction：in vitro and in vivo studies.Biomaterials，2004，(25)：1545-1557】。K.Fujihara等人利用PCL/CaCO3以75∶25、25∶75(w/w)的比例进行共混静电纺丝并种植造骨细胞，MTS分析发现以75∶25比例纺丝形成的纳米纤维膜的吸光度与常规培养板相同，表明具有良好的粘附和增殖效果【K.Fujiharaa，M.Kotakib，S.Ramakrishna.Guided bone regeneration membrane made of polycaprolactone/calciumcarbonate composite nano-fibers.Biomaterials，2005，(26)：4139-4147】。Teoh等人采用PCL或PCL/HA长丝纤维，通过一种快速成型技术—熔融沉积法(FDM)制备三维多孔组织工程载体材料，用于骨和软骨组织工程【Teoh，Swee Hin，Hutmacher，et al.Methods for fabricatinga filament for use in tissue engineering.USP-6,730,252.May 4，2004.】。
在国内专利中，有采用聚己内酯、壳聚糖和羟基磷灰石复合原料来制备性能优良的支架材料，这种方法适用于临床上各种骨缺陷修复【刘榕芳等.聚己内酯—壳聚糖网络羟基磷灰石复合多孔支架材料的制备方法(CN 101015712A)】。也有采用甲壳素纤维与聚己内酯通过双螺杆挤出机和平板硫化机模压成型制备人工胸壁材料【孙康等.生物可降解聚己内酯人工胸壁材料及其制备方法(CN 1593674A)】。采用蜡球致孔剂法与热致相分离法结合制备组织工程用聚合物多孔支架的方法，可适用于包括聚己内酯、聚乳酸、聚氨酯、聚酸酐、胶原等聚合物，及这些聚合物的混合物和它们之间的共聚物【高长有等.蜡球致孔剂与热致相分离结合制备聚合物多孔支架的方法(CN1226336C)】。目前，组织工程支架材料现有制备技术的缺陷主要存在于：在选用生物材料方面，天然高分子如胶原、壳聚糖等的力学强度、降解速度等较难控制，且大规模生产受到限制；而合成高分子如PGA和PLA等在制品的宏观结构、机械性能和降解周期方面都易于控制，但在长期植入体内过程中会有缺陷产生，包括细菌感染、抗原性、材料供给不足以及退化等。至今还没有一个单一的生物材料可以满足组织工程对支架材料的所有需求，于是综合现有的可用作组织支架的生物材料的优点，将其有机地融合在一起制备理想的组织工程支架材料成为研究重点。在传统的制备方法中冷冻干燥法制得的载体孔径偏小，且在支架的制备中使用了有机溶剂，可能对细胞产生一定的影响；溶剂浇铸/粒子沥滤法制得的载体材料不能满足高孔隙率的要求，且许多方法在制备过程需要有机溶剂的参与；热致相分离技术对加工条件极为敏感，支架材料形态的精确控制也较难，而溶剂残留同样存在隐患。气体发泡技术和静电纺丝法都不能精确控制孔的尺寸和孔隙率的大小，且后者较难制备出一定厚度的支架；而新发展的方法如三维打印技术等，主要依赖于计算机技术的支持。
聚己内酯PCL经证实具有良好的生物相容性，它能和多种聚合物进行共混或共聚制备复合材料。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是上世纪90年代初开发的一类脂肪族聚酯，具有成本低、力学性能好、加工性能优异、良好的生物相容性和生物可吸收性等优点，在组织工程支架材料的应用中具有潜在的优势。
目前国内外尚未有专利报道采用聚丁二酸丁二醇酯/聚己内酯共混材料通过纤维粘结法来制备组织工程三维多孔支架材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维多孔组织工程支架材料、其纤维粘结法制备及应用，本发明综合了现有生物材料的优点，克服了单一材料性能方面的不足，制备的组织工程支架材料具有良好生物相容性、足够力学性能支持、降解速率可调等性能，可作为骨或软骨组织缺损修复材料和体外组织培养用细胞支架材料，可满足新一代生物材料发展的需要。本发明的三维多孔组织工程支架材料，包括聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚己内酯(PCL)，其重量配比为：聚丁二酸丁二醇酯90～10份，聚己内酯10～90份。
所述的聚丁二酸丁二醇酯分子量范围为4～20万，熔点为110～120℃；聚己内酯的分子量范围为1～20万，熔点为55～65℃。
所述的组织工程支架材料的孔结构均匀，各孔间贯通程度在90％～100％，孔隙率在70～91％间变化，孔径为70～400μm。
本发明的三维多孔组织工程支架材料的制备方法，是通过采用纤维粘结法来制备，具体包括以下步骤：
(1)聚丁二酸丁二醇酯和聚己内酯共混，其重量配比为：聚丁二酸丁二醇酯90～10份，聚己内酯10～90份，经熔融纺丝制得直径为50～400μm的纤维，熔融纺丝温度为130～190℃，共混时间为3～5分钟，纺丝过程不使用任何有机溶剂；
(2)将聚丁二酸丁二醇酯/聚己内酯共混纤维裁剪成长度为1～10mm，填充到特定形状的模具中，填充质量以孔隙率为60％～95％来计算，纤维排列成均匀结构；
(3)将模具置于真空烘箱中恒温保持5分钟～1小时，烘箱温度为50～90℃，冷却至环境温度后脱模，真空干燥20～28小时，得三维多孔支架材料；
(4)将三维多孔支架材料灭菌、包装。
所述步骤(3)中的恒温是单点温度控制在±0.5℃范围内。
本发明的三维多孔组织工程支架材料的应用，是作为骨或软骨组织工程细胞支架，用于骨或软骨组织器官的修复与重建，且由模具制成特定形状。
本方法中调节纤维的直径，可以控制多孔支架材料的孔径大小为70～400μm，符合细胞生长和组织再生的需求。纤维裁剪后长度为1～10mm，可以保证纤维熔结后具有良好的三维贯通孔结构，贯通程度在90％以上。烘箱温度在50～90℃范围内，维持一定时间使模具内外热传导均匀，纤维在交叉点均匀粘接成网，形成三维多孔结构。
本发明的有益效果：
(1)改变共混物的配比、纺制不同直径的共混纤维、以及改变纤维粘结条件可以调节支架的微孔尺寸、空隙率以及生物降解速率；
(2)所得的三维多孔组织工程支架材料内部孔结构均匀，各孔间相互贯通，支架体系结构稳定，制备工艺简单，可以用作骨或软骨组织工程细胞支架，采用特定模具可制成特定形状的支架。
附图说明
图1是采用纤维粘结法制备的聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL三维多孔组织工程支架材料的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将分子量为4万，熔点为115℃的高聚物PBS，以及分子量为8万，熔点为63℃的高聚物PCL，在130℃条件下熔融纺丝得平均直径为300μm的纤维，裁剪为等长8.0mm后，填充到特定形状模具中，填充质量以孔隙率为85％计算，将真空烘箱温度设定为50℃，模具密封后置于真空烘箱中恒温30分钟后取出，室温冷却后脱模，便得到具有特定外形和良好性能的组织工程载体材料。材料经扫描电镜测得孔径为160～400μm，由液体置换法测得孔隙率为80％，孔贯通程度达90％以上，体外降解周期适当，力学性能优良。这种材料可适用于骨组织工程载体材料，用作骨损伤的修复和重建。
实施例2
将分子量为8万，熔点为115℃的高聚物PBS，以及分子量为10万，熔点为63℃的高聚物PCL，在140℃条件下熔融纺丝得平均直径为100μm的纤维，裁剪为等长10.0mm后，填充到特定形状模具中，填充质量以孔隙率为85％计算，将真空烘箱温度设定为65℃，模具密封后置于真空烘箱中恒温40分钟后取出，室温冷却后脱模，便得到具有特定外形和良好性能的组织工程载体材料。材料经扫描电镜测得孔径为70～200μm，由液体置换法测得孔隙率为85％，孔贯通程度达90％以上，体外降解周期适当，力学性能优良。这种材料可适用于骨组织工程载体材料，用作骨损伤的修复和重建。
实施例3
将分子量为10万，熔点为118℃的高聚物PBS，以及分子量为20万，熔点为64℃的高聚物PCL，在150℃条件下熔融纺丝得平均直径为140μm的纤维，裁剪为等长8.0mm后，填充到特定形状模具中，填充质量以孔隙率为85％计算，将真空烘箱温度设定为80℃，模具密封后置于真空烘箱中恒温20分钟后取出，室温冷却后脱模，便得到具有特定外形和良好性能的组织工程载体材料。材料经扫描电镜测得孔径为100～200μm，由液体置换法测得孔隙率为81％，孔贯通程度达90％以上，体外降解周期适当，力学性能优良。这种材料可适用于骨组织工程载体材料，用作骨损伤的修复和重建。
实施例4
将分子量为15万，熔点为117℃的高聚物PBS，以及分子量为5万，熔点为62℃的高聚物PCL，在180℃条件下熔融纺丝得平均直径为200μm的纤维，裁剪为等长5.0mm后，填充到特定形状模具中，填充质量以孔隙率为85％计算，将真空烘箱温度设定为90℃，模具密封后置于真空烘箱中恒温50分钟后取出，室温冷却后脱模，便得到具有特定外形和良好性能的组织工程载体材料。材料经扫描电镜测得孔径为200～350μm，由液体置换法测得孔隙率为75％，孔贯通程度达90％以上，体外降解周期适当，力学性能优良。这种材料可适用于骨组织工程载体材料，用作骨损伤的修复和重建。
实施例5
将分子量为20万，熔点为118℃的高聚物PBS，以及分子量为1万，熔点为60℃的高聚物PCL，在190℃条件下熔融纺丝得平均直径为400μm的纤维，裁剪为等长1.0mm后，填充到特定形状模具中，填充质量以孔隙率为85％计算，将真空烘箱温度设定为90℃，模具密封后置于真空烘箱中恒温1小时后取出，室温冷却后脱模，便得到具有特定外形和良好性能的组织工程载体材料。材料经扫描电镜测得孔径为70～150μm，由液体置换法测得孔隙率为70％，孔贯通程度达90％以上，体外降解周期适当，力学性能优良。这种材料可适用于骨组织工程载体材料，用作骨损伤的修复和重建。
Claims (7)
1.一种三维多孔组织工程支架材料，其特征在于：该材料包括聚丁二酸丁二醇酯PBS和聚己内酯PCL，其重量配比为：聚丁二酸丁二醇酯90～10份，聚己内酯10～90份。
2.根据权利要求1所述的三维多孔组织工程支架材料，其特征在于：所述的聚丁二酸丁二醇酯分子量范围为4～20万，熔点为110～120℃；聚己内酯的分子量范围为1～20万，熔点为55～65℃。
3.根据权利要求1或2所述的三维多孔组织工程支架材料，其特征在于：所述的组织工程支架材料的孔结构均匀，各孔间贯通程度在90％～100％，孔隙率在70～91％间变化。
4.根据权利要求3所述的三维多孔组织工程支架材料，其特征在于：所述的组织工程支架材料孔径为70～400μm。
5.一种三维多孔组织工程支架材料的制备方法，是通过采用纤维粘结法来制备，具体包括以下步骤：
(1)聚丁二酸丁二醇酯和聚己内酯共混，其重量配比为：聚丁二酸丁二醇酯90～10份，聚己内酯10～90份，经熔融纺丝制得直径为50～400μm的纤维，熔融纺丝温度为130～190℃，共混时间为3～5分钟，纺丝过程不使用任何有机溶剂；
(2)将聚丁二酸丁二醇酯/聚己内酯共混纤维裁剪成长度为1～10mm，填充到模具中，填充质量以孔隙率为60％～95％来计算，纤维排列成均匀结构；
(3)将模具置于真空烘箱中恒温保持5分钟～1小时，烘箱温度为50～90℃，冷却至环境温度后脱模，真空干燥20～28小时，得三维多孔支架材料；
(4)将三维多孔支架材料灭菌、包装。
6.根据权利要求5所述的三维多孔组织工程支架材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的恒温是单点温度控制在±0.5℃范围内。
7.一种三维多孔组织工程支架材料的应用，是作为骨或软骨组织工程细胞支架，用于骨或软骨组织器官的修复与重建。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080827 |