CN101574541B - 一种高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属高分子材料技术领域和生物医学工程技术领域，具体涉及一种高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法。本发明通过调节致孔剂的孔径来调控支架中孔径及其发布，模仿了天然骨中骨密质和骨松质孔的特点，制备出具有梯度孔的多孔支架；通过引入羟基磷灰石或硅酸钙，不仅调节pH值的相对恒定，而且提高了支架材料的生物相容性和力学强度；同时，在两层梯度多孔支架中采用粘贴的方式引入了力学性能加强层，满足了肋骨支架力学性能的要求。

Description

一种高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法

技术领域

本发明属高分子材料技术领域和生物医学工程技术领域。具体涉及一种高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法。

背景技术

组织工程及组织工程支架概念的提出打破了自体骨移植和异体骨移植对骨缺损、骨肿瘤、骨髓炎等疾病的治疗的束缚，为广大患者提供了更广阔的选择。肋骨骨折、损伤，肋骨缺失等肋骨疾病的治疗中也常用到组织工程支架。

目前用于临床的肋骨组织工程支架的材料主要为金属材料。以金属为原料的组织工程支架在手术植入后不可生物降解，在达到治疗目的后，还需二次手术取出。这无疑增加了病患的痛苦。

近年来，生物可降解材料在组织工程方面的应用为避免二次手术给病患带来的痛苦提供了选择。脂肪族聚酯是一类重要的生物可降解高分子材料，它们在有水存在的环境或体液中，能够通过酯键的水解或酶促降解而断链，生成羧基脂肪酸，羧基脂肪酸在体内可参与三羧酸循环而进一步分解为水和二氧化碳。聚乳酸和聚己内酯是脂肪族聚酯应用于组织工程中热门的生物材料。聚乳酸的强度较高，但韧性不足；聚己内酯由于其玻璃化转变温度较低而拥有较好的韧性，将聚乳酸和聚己内酯通过共混或者丙交酯和己内酯共聚的方法来制备组织工程材料，相互取长补短，可获得强度和韧性均较好的组织工程支架。

聚乳酸和聚己内酯在降解过程中都会产生酸性物质，具体表现为pH值下降，这将会破坏体内的平衡状态。羟基磷灰石是研究较广泛的生物材料，它是一种呈碱性的物质，将其引入到脂肪族聚酯材料中不仅可以中和脂肪族聚酯降解所产生的酸性物质，调节pH，使其恒定在一定范围内，而且还可以增加材料的力学强度。硅酸钙也有类似的作用。

正常骨的骨质分为骨松质和骨密质。骨密质分布于骨的表面，主要满足机械性能的要求；骨松质结构疏松，分布于骨的内层，骨髓填充于骨松质的网眼中。近年来，仿生研究不断引起人们的关注，随着科技的进步，骨组织工程支架也期望能够制作出包括孔径、孔隙率、孔径分布类似于骨结构的组织工程支架。

对于肋骨支架来说，其不仅要有足够的力学强度来支撑胸腔，保护胸腔内的器官，而且其还要有优异的韧性来适应呼吸中胸腔体积的变化。

基于以上内容，本发明提出一种用生物相容性良好的生物可降解材料通过热压-盐析的方法来制备模仿天然骨结构的多孔支架。并通过粘结在两层具有孔径变化的多孔支架中引入力学强度加强层，形成类似于夹心饼干结构高分子仿生肋骨多孔支架。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有类似与天然骨孔径分布、具有优异的力学性能的高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法。

本发明制备出的多孔支架通过控制致孔剂的粒径来使支架具有类似于天然骨孔径分布的结构；通过聚合物、无机盐组成成分比例的变化来调控支架的力学性能，并在支架两层多孔支架中引入力学加强层，以保证支架的力学强度；为防止聚酯类材料降解过程中产生的酸性物质打破周围环境的pH值平衡，该支架材料中加入羟基磷灰石或硅酸钙来调节pH值的恒定。

本发明制备出的多孔支架采用可完全降解的聚酯类高分子材料，降解产物对人体无毒无害，且降解产物可随新陈代谢排出体外，无需二次手术取出。

本发明提出的高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法，具体步骤如下：

(1)用标准筛分别筛取不同粒径的致孔剂，将不同粒径的致孔剂分别置于不同的容器中，致孔剂质量为聚合物和致孔剂总质量的80～90％，致孔剂的粒径为100～400μm；

(2)称取聚合物，分别置于不同的容器中，容器的数量与步骤(1)不同粒径的致孔剂放置容器的数量相同，然后分别加入可以溶解聚合物但不能溶解致孔剂、易挥发的溶剂，磁力搅拌使聚合物溶解，得到聚合物溶液；

(3)称取聚合物质量0.5～10％的羟基磷灰石或硅酸钙，加入到步骤(2)得到的位于不同容器的聚合物溶液中，磁力搅拌10～30分钟，将含有羟基磷灰石或硅酸钙的聚合物溶液超声震荡10～30分钟，使羟基磷灰石或硅酸钙均匀分散在聚合物溶液中；

(4)将步骤(1)所得位于不同容器的致孔剂分别加入到步骤(3)所得的相应的聚合物溶液中，搅拌使致孔剂均匀分散在聚合物溶液中，形成含有不同粒径致孔剂的具有一定流动性的糊状混合物；

(5)将步骤(4)所得糊状混合物分别倒入培养皿中，溶剂挥发后得到含有不同粒径致孔剂的聚合物膜，所得聚合物膜放入真空烘箱中干燥，取出剪成适当大小；

(6)将步骤(5)得到的含有不同粒径致孔剂的聚合物膜按粒径从大到小或从小到大的顺序铺在模具中，将模具放入硫化机中进行热压；

(7)将热压得到的含有致孔剂的支架放入到可以溶解致孔剂但是不能溶解聚合物的溶剂中洗盐，每2～4小时更换一次溶剂，洗盐结束后干燥支架，除去洗盐所用的溶剂；

(8)采用模具选用力学强度较高的聚合物热压得到薄板，裁成和支架形状对应的形状；

(9)选取对支架材料有一定溶解性能且是易挥发除去溶剂喷洒在步骤(8)制得的薄板上，然后将步骤(7)得到的多孔支架贴到薄板上(将孔径较大的一面向着薄板)，得到加强层在中间，具有孔径分布的多孔在支架两侧的肋骨支架。

本发明中，步骤(1)中所述致孔剂为氯化钠或氯化钾等中任一种，其在室温下就可溶解于纯净水中，不溶于三氯甲烷、二氯甲烷。致孔剂与聚合物的比例可以根据需要进行调节。

本发明中，步骤(2)中所述聚合物为聚乳酸、聚己内酯或聚羧基乙酸等生物相容性良好的可降解材料中一至多种，或可以是这些材料的共聚物。

本发明中，步骤(2)中所述溶剂为三氯甲烷或二氯甲烷等中任一种，三氯甲烷或二氯甲烷可以溶解聚合物但是不能溶解致孔剂的溶剂。

本发明中，步骤(3)中所述羟基磷灰石可以是微米级也可以是纳米级。除羟基磷灰石外，硅酸钙也可以调节支架的力学性能以及中和聚合物降解过程中所产生的酸性物质。

本发明中，步骤(5)中所述干燥温度为室温，干燥时间为18小时-36小时。

本发明中，步骤(6)中的热压温度对于均聚物或者共聚物来说，略高于该物质的熔融温度即可；对于共混物来说，热压温度只需高于共混物中熔融温度较低的组分。在保证支架能成型的情况下，为防止支架表面结皮和闭孔现象的产生，热压温度不宜过高，时间不宜过长，压力不宜过大。热压温度为65-80℃，热压时间为2.5-4分钟，热压压力为6～7MPa。

本发明中，步骤(6)中所述模具可以是具有一定弧度的肋骨形状或条状等中任一种，在稍加热的条件下轻轻用力使支架具有一定弧度。

本发明中，步骤(7)中所述溶剂为纯净水。

本发明中，步骤(8)中所述聚合物为聚乳酸或聚羟基乙酸等中任一种。

本发明具有以下特点：

1、通过热压-盐析法制备具有梯度孔结构的肋骨支架，制备过程简单、方便。通过调节致孔剂的孔径来调控支架中孔径及其发布，模仿了天然骨中骨密质和骨松质孔的特点，在支架的外层采用粒径较小的致孔剂，在支架内层采用粒径较大的致孔剂，在洗盐后可在支架的外层和内层分别得到孔径较小和较大的孔。支架外层材料孔径较小还可增加支架的力学强度。

2、在两层多孔支架中引入力学加强层，保证了肋骨支架所需要的力学强度。

3、通过喷洒易挥发溶剂粘结多孔材料和增强材料，粘结后溶剂挥发无残留，不污染支架材料。增强层的引入可大大增加支架的力学强度。

4、羟基磷灰石的引入不仅可以增加支架的力学强度，提高支架的生物相容性，还可以中和聚酯类材料降解过程中产生的酸性物质，调节pH值恒定在一定范围内。

附图说明

图1为具有增强层的高强度梯度多孔支架截面示意图。

图2为具有增强层的高强度梯度多孔支架相片。其中，a为侧面图；b为俯视图。

图3为梯度多孔支架的扫描电镜照片，其中，A区孔径为300～600μm，B区孔径为260～360μm，C区孔径为124～280μm。

具体实施方式

下面通过实例进一步说明本发明的实施方式，但本发明并不限于这些实例。

实施例1

a.分别用标准筛筛取7.2g 125～224μm、21.6g 224～300μm、7.2g 300～340μm的氯化钠。

b.分别称取0.8g、2.4g、0.8g聚乳酸与聚己内酯质量比为7∶3的聚合物分别置于三个烧杯中，分别加入10ml、30ml、10ml三氯甲烷，磁力搅拌溶解，使聚乳酸和聚己内酯溶解形成聚合物的共混物溶液。

c.分别称取0.032g、0.096g、0.032g纳米羟基磷灰石，分别加入到上一步所得到的聚合物溶液中，磁力搅拌半小时后超声震荡半小时，使羟基磷灰石均匀分散在聚合物溶液中。

d.将a步得到的7.2g 125～224μm、21.6g 224～300μm、7.2g 300～340μm的氯化钠分别加入到c步所得到的共混物中，用玻璃棒搅拌，使盐均匀分散在溶液中形成含有不同粒径致孔剂的具有一定流动性的糊状混合物。

e.将d步得到的含有不同粒径致孔剂的糊状混合物按粒径不同分别倒入不同培养皿中，待溶剂挥发后形成含有致孔剂的厚度在0.2～0.5mm的膜，将膜置于空气中24小时后放入真空烘箱中干燥24小时，真空烘箱温度设定为室温。将从真空烘箱中取出的膜用剪刀剪成大约7×7mm的方块。

f.实验采用6×6×0.2cm的方形不锈钢模具。称取4g所含氯化钠粒径为300～340μm的共混物膜均匀的铺于模具下层，之后称取12g所含氯化钠粒径为224～300μm的共混物膜均匀的铺于模具中层，最后称取4g所含氯化钠粒径为125～224μm的共混物膜均匀的铺于模具上层。将模具放入硫化机中在70℃下热压3分钟，热压压力为6～7MPa。在室温下保压冷却3分钟，保压压力为4～6MPa。

g.将f步得到的支架从模具中取出，放入纯净水中洗盐。每隔2～4小时换水。洗盐48小时后用硝酸银进行滴定，无白色沉淀产生后用滤纸吸去支架中水份，置于空气中干燥24小时后，放入真空烘箱中干燥24小时，真空烘箱的设定温度为室温。将干燥好的支架裁成5×0.9×0.2cm大小。

h.实验采用6×6×0.1cm的方形不锈钢模具。称取6g聚乳酸，在硫化机中在170℃下热压5分钟，压力在10MPa左右。将热压所得的聚乳酸板裁成5×0.9×0.1cm大小.

i.将裁剪好的聚乳酸板置于60～70℃水中浸泡半分钟后小心拉住两端轻轻用力，使加强层具有类似于肋骨的弧度。待水分挥发后用喷瓶均匀喷洒三氯甲烷在聚乳酸加强层的表面，之后取两块g步所得的多孔支架贴到喷洒过三氯甲烷的聚乳酸薄板上(孔径较大的一面向着聚乳酸板)。

实施例2

a.分别用标准筛筛取18g 125～224μm、54g 224～300μm、18g 300～340μm的氯化钾。

b.分别称取2g、6g、2g聚乳酸分别置于三个烧杯中，分别加入20ml、60ml、20ml二氯甲烷，磁力搅拌溶解，使聚乳酸溶解形成聚合物溶液。

c.分别称取0.16g、0.48g、0.16g纳米羟基磷灰石，分别加入到上一步所得到的聚乳酸溶液中，磁力搅拌半小时后超声震荡1小时，使羟基磷灰石均匀分散在聚乳酸溶液中。

d.将a步得到的18g 125～224μm、54g 224～300μm、18g 300～340μm的氯化钾分别加入到c步所得到的共混物中，用玻璃棒搅拌，使盐均匀分散在溶液中形成含有不同粒径致孔剂的具有一定流动性的糊状混合物。

e.将d步得到的含有不同粒径致孔剂的糊状混合物按粒径不同分别倒入不同培养皿中，待溶剂挥发后形成含有致孔剂的厚度在0.2～0.5mm的膜，将膜置于空气中24小时后放入真空烘箱中干燥24小时，真空烘箱温度设定为室温。将从真空烘箱中取出的膜用剪刀剪成大约4×1cm长条。

f.实验采用17×8×0.2cm的方形不锈钢模具。称取14g所含氯化钾粒径为300～340μm的共混物膜均匀的铺于模具下层，之后称取42g所含氯化钾粒径为224～300μm的共混物膜均匀的铺于模具中层，最后称取14g所含氯化钾粒径为125～224μm的共混物膜均匀的铺于模具上层。将模具放入硫化机中在170℃下热压3分钟，热压压力为6～7MPa。在室温下保压冷却3分钟，保压压力为4～6MPa。

g.将f步得到的支架从模具中取出，放入纯净水中洗盐。每隔2～4小时换水。洗盐48小时后用硝酸银进行滴定，无白色沉淀产生后用滤纸吸去支架中水份，置于空气中干燥24小时后，放入真空烘箱中干燥24小时，真空烘箱的设定温度为室温。将干燥好的支架裁成10×0.9×0.2cm大小。

h.实验采用17×8×0.1cm的方形不锈钢模具。称取10g聚乳酸，在硫化机中在170℃下热压5分钟，压力在10MPa左右。将热压所得的聚乳酸板裁成10×0.9×0.1cm大小.

i.将裁剪好的聚乳酸板置于60～70℃水中浸泡半分钟后小心拉住两端轻轻用力，使加强层具有类似于肋骨的弧度。待水分挥发后用喷瓶均匀喷洒二氯甲烷在聚乳酸加强层的表面，之后匀速取两块g步所得的多孔支架贴到喷洒过二氯甲烷的聚乳酸薄板上(孔径较大的一面向着聚乳酸板)。

实施例3

a.分别用标准筛筛取7.2g 125～224μm、21.6g 224～300μm、7.2g 300～340μm的氯化钠。

b.分别称取0.8g、2.4g、0.8g聚合单体摩尔比为LA∶Cl为7∶3的共聚物PLCL分别置于三个烧杯中，分别加入10ml、30ml、10ml三氯甲烷，磁力搅拌溶解，使共聚物PLCL溶解形成聚合物溶液。

c.分别称取0.032g、0.096g、0.032g硅酸钙，分别加入到上一步所得到的聚合物溶液中，磁力搅拌半小时后超声震荡半小时，使硅酸钙均匀分散在聚合物溶液中。

d.将a步得到的7.2g 125～224μm、21.6g 224～300μm、7.2g 300～340μm的氯化钠分别加入到c步所得到的共混物中，用玻璃棒搅拌，使盐均匀分散在溶液中形成含有不同粒径致孔剂的具有一定流动性的糊状混合物。

e.将d步得到的含有不同粒径致孔剂的糊状混合物按粒径不同分别倒入不同培养皿中，待溶剂挥发后形成含有致孔剂的厚度在0.2～0.5mm的膜，将膜置于空气中24小时后放入真空烘箱中干燥24小时，真空烘箱温度设定为室温。将从真空烘箱中取出的膜用剪刀剪成大约7×7mm的方块。

f.实验采用6×6×0.2cm的方形不锈钢模具。称取4g所含氯化钠粒径为300～340μm的共聚物膜均匀的铺于模具下层，之后称取12g所含氯化钠粒径为224～300μm的共聚物膜均匀的铺于模具中层，最后称取4g所含氯化钠粒径为125～224μm的共聚物膜均匀的铺于模具上层。将模具放入硫化机中在170℃下热压3分钟，热压压力为6～7MPa。在室温下保压冷却3分钟，保压压力为4～6MPa。

g.将f步得到的支架从模具中取出，放入纯净水中洗盐。每隔2～4小时换水。洗盐48小时后用硝酸银进行滴定，无白色沉淀产生后用滤纸吸去支架中水份，置于空气中干燥24小时后，放入真空烘箱中干燥24小时，真空烘箱的设定温度为室温。将干燥好的支架裁成5×0.9×0.2cm大小。

h.实验采用6×6×0.1cm的方形不锈钢模具。称取6g聚羟基乙酸，在硫化机中在230℃下热压5分钟，压力在10MPa左右。将热压所得的聚羟基乙酸板裁成5×0.9×0.1cm大小.

i.将裁剪好的聚羟基乙酸板置于70～80℃水中浸泡半分钟后小心拉住两端轻轻用力，使加强层具有类似于肋骨的弧度。待水分挥发后用喷瓶均匀喷洒三氯甲烷在聚羟基乙酸加强层的表面，之后取两块g步所得的多孔支架贴到喷洒过三氯甲烷的聚羟基乙酸薄板上(孔径较大的一面向着聚羟基乙酸板)。

Claims (8)

1.一种高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法，其具体步骤如下：

(1)用标准筛分别筛取不同粒径的致孔剂，将不同粒径的致孔剂分别置于不同的容器中，致孔剂质量为聚合物和致孔剂总质量的80～90％，致孔剂的粒径为100～400μm；

(2)分别称取聚合物，分别置于不同的容器中，容器的数量与步骤(1)不同粒径的致孔剂放置容器的数量相同，然后分别加入溶剂，磁力搅拌使聚合物溶解，得到聚合物溶液；所述聚合物为聚乳酸、聚己内酯或聚羧基乙酸中一至多种；

(3)分别称取聚合物质量0.5～10％的羟基磷灰石或硅酸钙，加入到步骤(2)得到的位于不同容器的聚合物溶液中，磁力搅拌10～30分钟，将含有羟基磷灰石或硅酸钙的聚合物溶液超声震荡10～30分钟，使羟基磷灰石或硅酸钙均匀分散在聚合物溶液中；

(4)将步骤(1)所得位于不同容器的致孔剂分别加入到步骤(3)所得的相应的聚合物溶液中，搅拌使致孔剂均匀分散在聚合物溶液中，形成含有不同粒径致孔剂的糊状混合物；

(5)将步骤(4)所得糊状混合物分别倒入培养皿中，溶剂挥发后得到含有不同粒径致孔剂的聚合物膜，所得聚合物膜放入真空烘箱中干燥，取出剪成适当大小；

(6)将步骤(5)得到的含有不同粒径致孔剂的聚合物膜按粒径从大到小或从小到大的顺序铺在模具中，将模具放入硫化机中进行热压；所述热压温度为65-80℃，热压时间为2.5-4分钟，热压压力为6～7MPa；

(7)将热压得到的含有致孔剂的支架放入到溶剂中洗盐，每2～4小时更换一次溶剂，洗盐结束后干燥支架，除去洗盐所用的溶剂；

(8)采用模具选用聚合物热压得到薄板，裁成和支架形状对应的形状；

(9)选取对支架材料有一定溶解性能且易挥发除去溶剂喷洒在步骤(8)制得的薄板上，然后将步骤(7)得到的多孔支架贴到薄板上下两面，将孔径较大的一面向着薄板，得到所需产品。

2.根据权利要求1所述的高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述致孔剂为氯化钠或氯化钾中任一种。

3.根据权利要求1所述的高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述溶剂为三氯甲烷或二氯甲烷中任一种。

4.根据权利要求1所述的高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述羟基磷灰石为微米级或纳米级。

5.根据权利要求1所述的高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法，其特征在于步骤(5)中所述干燥温度为室温，干燥时间为18小时-36小时。 

6.根据权利要求1所述的高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法，其特征在于步骤(6)中所述模具为具有弧度的肋骨形状或条状中任一种。

7.根据权利要求1所述的高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法，其特征在于步骤(7)中所述溶剂为纯净水。

8.根据权利要求1所述的高强度肋骨梯度多孔支架的制备方法，其特征在于步骤(8)中所述聚合物为聚乳酸或聚羟基乙酸中任一种。 

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