CN101693124B

CN101693124B - 聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架的制备方法

Info

Publication number: CN101693124B
Application number: CN200910191151A
Authority: CN
Inventors: 徐文峰; 廖晓玲
Original assignee: Chongqing University of Arts and Sciences
Current assignee: Chongqing University of Arts and Sciences
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2029-10-14
Also published as: CN101693124A

Abstract

本发明公开了一种聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架的制备方法，步骤包括：称取分散、干燥好的碳纤维和聚乳酸溶液，将二者超声波振荡混合，使碳纤维分散在聚乳酸溶液中；再与一定比例的壳聚糖溶液三者超声波混匀；将混合均匀的三元混合物倒入支架模具里，放入冷冻干燥机中迅速冷冻，保温，抽真空干燥，最后脱模、洗涤，即得聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架。研发的复合多孔支架制作工艺较为简单，支架具有力学性能好、高度多孔、与细胞有良好的相容性等多种优点，在医学领域有广阔的应用前景。

Description

聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架的制备方法

技术领域

本发明属于组织工程支架材料的制备技术，具体地讲，是一种聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架的制备方法。

背景技术

由于外伤、肿瘤、炎症以及社会的老龄化所造成的人体硬组织缺损是目前临床医学待解决的难题。聚乳酸(PLA)与壳聚糖(CS)因其良好的生物相容性和生物可降解性在手术缝合线、骨固定器以及组织工程支架材料方面有着较广阔的应用，是目前新型生物可降解材料的研究热点。但PLA降解初期产生的乳酸酸性较强，其局部的积累会对组织有一定的刺激作用，引发炎症，且PLA在降解过程中力学性能下降极快；而CS分子结构虽然类似细胞外基质成分氨基多糖，具有能促进伤口和骨折愈合、抗溃疡和杀菌等良好的生物活性，但其水溶性差与弱的力学性能限制了它在生物组织工程方面的进一步发展。

经查新，李立华等人[聚乳酸/壳聚糖多孔支架材料的生物学性能评价.生物医学工程学杂志，2003：20(3)：398～400]将聚乳酸与壳聚糖共混，制得的支架材料虽然具有可降解性也有良好的吸水性，但是力学性能差；周福刚等人[碳纤维增强聚乳酸(C/PLA)复合材料的力学性能(I).材料工程，2000，5(26)16～18]将聚乳酸与碳纤维共混制备的支架材料虽然力学性能提高了，但是其生物相容性和可降解性有所降低；程俊秋等[多孔纳米羟基磷灰石/聚乳酸复合材料的制备及其界面研究.化学研究与应用，2001，13(5)：517～520]采用溶液共混法，选用湿态纳米羟基磷灰石(HA)粒子，直接分散于PLA溶液中，制备了多孔纳米HA/PLA复合材料。虽然纳米HA与聚合物基体间具有良好的界面粘接效果和分散性，材料的综合性能得到了提高，但是极性HA粒子与非极性PLA基体间相互作用差。胡庆军等[原位聚合PLA/HA复合材料的性能研究.塑料工业，2006，34(2)：23～27]通过原位聚合法(ISP)制备了PLA/HA复合材料。与超声波辅助分散的溶液共混法(USC)相比，原位聚合法改善了HA在复合材料中的分散性，在PLA与HA之间形成了较强的结合界面，综合力学性能得到改善。在国外，Ma P X等[Engineering New Bone Tissue in Vitroon Highly Porous Scaffolds.[J].Journal of Biomedical，2001，54(2)：284～293]深入观察了在HA/PLA三维多孔骨组织工程支架材料中HA诱导骨的生长过程。他们发现，仅采用PLA时造骨细胞主要附着在聚合物表面，而复合时会渗透到支架材料内部，并均匀分布，且存活率高。

为了克服前人研究的天然高分子复合材料在性能方面的不足，在前人的基础上，研究寻找更好的原料及工艺。经查阅大量文献，壳聚糖是一类重要的碱性天然多糖，由于其良好的可生物再生性、生物降解性、生物相容性、无毒及生物功能性，因此在生物医学领域具有广阔的应用前景。目前已成功地用作手术缝合线、伤口敷料、药物缓释剂、缺损填充物及组织工程支架等。碳是人生命的基本元素，在活细胞环境中，它是化学惰性的。碳的良好生物相容性一方面源于它在人体环境内的稳定性，一方面来自它的自身组织结构和力学性能可以在较宽范围内进行调整。碳纤维植入人体后，不致癌，不过敏，不引起炎症及毒性反应，具有良好的硬组织相容性、软组织相容性和血液相容性。目前，国内外就PLA与CS两种材料的研究很多，但将两种材料通过物理手段共混改性，并借用碳纤维增强构建骨组织修复三维支架生物材料的研究还未见报道。于是，我们利用超声波的空化效应将聚乳酸、壳聚糖、碳纤维三者共混，采用冷冻干燥技术使其干燥并成孔，研制了一种新型可降解复合材料支架。这种复合材料制备的支架同时具备了可降解性、力学性能好、高度多孔、与细胞有良好的相容性等多种优点。

《实验力学》2007年8月第3-4期发表了沈烈的“碳纤维增强轻基磷灰石/聚乳酸复合生物材料的制备和力学性能”文章，介绍了其复合材料按照HA/PLA重量比分别为10～30/70～90，以少量二氯甲烷为溶剂混合成粘稠液体，再将碳纤维按20％体积分数用上述混合液浇膜形成预浸渍带；模压时，为了使样条压实，减少气泡，首先在室温下冷压10分钟，然后在170℃，8GPa下热压成型。

《材料下程》2000年第5期发表了周福刚的“碳纤维增强聚乳酸(C/PLA)复合材料的力学性能(I)”一文，公开了其C/PLA复合材料的制备是采用溶液浇铸加热压的方法，热压条件：温度110℃±5℃，压力2～3MPa，时间30min。

《复合材料学报》2005年第2期发表了齐锦刚的“碳纤维增强聚乳酸复合材料体外降解特性”文章，介绍了采用浇注结合热压工艺制备了(C/PLA)骨折内固定复合材料。

以上公开的碳纤维增强聚乳酸复合材料都是采用热压法，生产的密实的复合材料，这与我们采用的制备方法不相同，而且与我们生产的多孔性的复合材料支架也不相同。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种简单的、容易操作的、便于推广的、由聚乳酸/壳聚糖/碳纤维组成的多孔支架的制备方法。

为了解决上述问题，本发明的技术方案为：聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架的制备方法，步骤按如下进行：

1)将碳纤维(C)在分散剂的作用下于水中分散均匀，并干燥好，备用；将壳聚糖(CS)溶解在水中，壳聚糖质量百分比浓度为：CS(g)∶V水(mL)＝20％～25％；聚乳酸(PLA)按照一定浓度比例溶解在有机溶剂中，聚乳酸质量百分比浓度为：PLA(g)∶V溶剂(mL)＝15％～20％；

2)移取一定聚乳酸溶液，再按照移取的聚乳酸溶液的量(mL)的质量分数0.020％～0.035％称取碳纤维质量(g)，将二者在超声波振荡器中，超声混合1～2h，使碳纤维均匀分散在聚乳酸溶液中；再按照壳聚糖溶液(mL)∶聚乳酸溶液(mL)＝1∶5～15的体积比例，将分散有碳纤维的聚乳酸溶液与壳聚糖溶液混合，先用磁搅拌转速100～150r/min轻微混合搅拌0.5～1h，然后用超声波振荡3～4h，将三者混匀；将混合均匀的三元混合物倒入支架模具里，放入冷冻干燥机中迅速冷冻至-50～-60℃，在此温度下冷冻6～8h，再在15～17KPa真空度下，保持冷冻温度抽真空2～3h，最后0～5℃低温干燥24h脱模、洗涤，即得聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架。

较佳的，所述碳纤维的分散剂为甲基纤维素，分散剂在水溶液中的质量分数在1.50～1.80％，在磁力搅拌器上搅拌分散30～60min。

较佳的，所述聚乳酸(PLA)按照一定浓度比例溶解在有机溶剂中，有机溶剂为：四氢呋喃、三氯甲烷、二氯甲烷。

较佳的，所述聚乳酸的分子量≥8万，壳聚糖：水溶性壳聚糖，碳纤维：T700，Φ＝7～8μm，ρ＝1.78g/cm3。

本发明的技术特点在于利用溶液共混法，采用冷冻干燥技术，制备了聚乳酸/壳聚糖/碳纤维三元共混复合材料支架。此复合材料支架表现出较好的相容性，力学性能较好。聚乳酸具有无毒、无刺激和生物相容性好等特性，在人体内可降解成乳酸，而且自然代谢，无残留；而由于碳纤维的加入使其力学性能得到了提高；壳聚糖是一种有很好生物相容性的多糖，并且易降解，它的引入增强了材料的可降解性。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

与同类研究产品相比较，我们制得的复合材料支架具有良好的组织相容性和良好的表面活性，有利于细胞的黏附，并为细胞在其表面生长、增殖和分泌基质提供良好的微环境；具有可塑性，可被加工成所需的形状，并有一定的机械强度，在植入体内后的一定时间内仍可保持其形状，使新形成的组织具有一定的外形；具有三维立体结构，高度多孔的，类似泡沫状，孔率达到80％以上，具有较大的内表面积，一方面有利于细胞的植入黏附，另一方面有利于细胞营养成分的渗入和细胞代谢产物的排出；此外，最重要的一点就是具有很好的生物可降解性，在组织形成过程中逐渐分解，不影响新形成组织的结构和功能。该研究产品具有独创性，并且在医学领域具有较高的学术价值和使用价值。

这种复合材料支架同时具备了：(1)可降解性；(2)力学性能好；(3)高度多孔；(4)与细胞有良好的相容性，等多种优点。

附图说明

图1是实施例1的聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架的实物照片；

图2是实施例2的聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架的实物照片；

图3是实施例2的聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架表面形态扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例1

1)秤取6.0001g甲基纤维素加入到盛有400ml去离子水的烧瓶中，加入碳纤维约1.2000g，在磁力搅拌器上搅拌分散60min，将碳纤维过滤在200目筛网上干燥，备用；秤取4.4001g壳聚糖溶解在20mL去离子水中，备用；秤取7.9996g聚乳酸溶解在40mL四氢呋喃中，备用。

2)称取0.0100g碳纤维放入40mL聚乳酸溶液中，在超声波振荡器中超声混合1.5h；加入5mL壳聚糖溶液，用磁搅拌转速100r/min轻微混合搅拌0.5h，然后用超声波振荡4h，；将混合均匀的三元混合物倒入支架模具里，放入冷冻干燥机中迅速冷冻至-55±2℃，在此温度下冷冻6h，再在15.6KPa真空度下，保持冷冻温度抽真空3h，最后5℃低温干燥24h脱模、洗涤，即得聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架。产品实物见图1。

实施例2

1)秤取2.9981g甲基纤维素加入到盛有200ml去离子水的烧瓶中，加入碳纤维约0.4500g，在磁力搅拌器上搅拌分散40min，将碳纤维过滤在200目筛网上干燥，备用；秤取1.9998g壳聚糖溶解在10mL去离子水中，备用；秤取6.0002g聚乳酸溶解在30mL三氯化碳中，备用。

2)称取0.0080g碳纤维放入30mL聚乳酸溶液中，在超声波振荡器中超声混合2h；加入3mL壳聚糖溶液，用磁搅拌转速150r/min轻微混合搅拌1h，然后用超声波振荡3.5h，；将混合均匀的三元混合物倒入支架模具里，放入冷冻干燥机中迅速冷冻至-58±2℃，在此温度下冷冻7.5h，再在17.0KPa真空度下，保持冷冻温度抽真空2.5h，最后5℃低温干燥24h脱模、洗涤，即得聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架。产品实物见图2，表面形态的扫描电镜照片见图3。

Claims

1.一种聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将碳纤维(C)T700，Φ＝7～8μm，ρ＝1.78g/cm³在分散剂的作用下于水中分散均匀，并干燥好，备用；将水溶性壳聚糖(CS)溶解在水中，壳聚糖质量百分比浓度为：CS g∶V_水mL＝20％～25％；将分子量≥8万的聚乳酸(PLA)按照一定浓度比例溶解在有机溶剂中，聚乳酸质量百分比浓度为：PLA g∶V_溶剂mL＝15％～20％；

2)移取上述一定聚乳酸溶液，再按照移取的聚乳酸溶液的量mL的质量分数0.020％～0.035％称取上述碳纤维质量g，将二者在超声波振荡器中，超声混合1～2h，使碳纤维均匀分散在聚乳酸溶液中；再按照壳聚糖溶液mL∶聚乳酸溶液mL＝1∶5～15的体积比例，将分散有上述碳纤维的上述聚乳酸溶液与上述壳聚糖溶液混合，先用磁搅拌转速100～150r/min轻微混合搅拌0.5～1h，然后用超声波振荡3～4h，将三者混匀；将混合均匀的三元混合物倒入支架模具里，放入冷冻干燥机中迅速冷冻至-50～-60℃，在此温度下冷冻6～8h，再在15～17KPa真空度下，保持冷冻温度抽真空2～3h，最后0～5℃低温干燥24h脱模、洗涤，即得聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架。

2.根据权利要求1所述的一种聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架的制备方法，其特征在于：碳纤维的分散剂为甲基纤维素，分散剂在水溶液中的质量分数在1.50～1.80％，在磁力搅拌器上搅拌分散30～60min。

3.根据权利要求1所述的一种聚乳酸/壳聚糖/碳纤维多孔支架的制备方法，其特征在于：聚乳酸(PLA)按照一定浓度比例溶解在有机溶剂中，有机溶剂为：四氢呋喃、三氯甲烷、二氯甲烷。