CN101810878A - 具有多级孔结构的纳米纤维管状支架 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有多级孔结构的组织工程管状支架。支架具有至少一个的轴向排列的通道，通道的横截面面积为300μm2～300mm2，支架的非通道部分存在相互贯通的微孔，微孔的体积范围为1μm3～5000μm3，微孔孔径分布曲线呈锯齿状，支架微孔壁为纳米级纤维三维网络。同时，支架中含有改变细胞与组织的生理学行为功能的药物，在应用过程中，可向其所在环境按一定规律释放这些功能药物，药物种类、负载量和释放速率可根据实际需要进行设定。这种具有精细拓扑结构和生物学功能的组织工程支架，具有广阔的前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种组织工程管状支架，特别涉及一种具有多级孔结构的多通道纳米纤维药物缓释支架。
背景技术
近年来，组织工程作为修复和重建组织的一项新技术，取得了飞速的发展。作为细胞和组织生长发育的支持物、细胞因子和功能药物的载体的组织工程管状支架，在组织工程技术发展过程中，受到了研究者的重视。组织工程管状支架作为组织工程技术的基础，其应用环境相当复杂。因而，设计和制备组织工程管状支架时，应从多个角度考虑、兼顾各种因素，才能更为适应复杂环境、取得好的修复效果、有效规避风险。
目前组织工程科学研究及临床应用中，所使用的具有纳米级纤维三维网络形态的支架，结构参数和形式单一且不精确，缺乏多种形态和分布的通道，更无多个尺寸等级和多种形态的微孔，因此只能得到简单的实验结果和有限的临床效果。
另一方面，现有的药物缓释体系的研究和应用中，多以一维结构的微球和二维结构的膜为主，未见兼具复杂拓扑结构与药物控制释放功能的三维药物缓释支架模型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的组织工程管状支架。
本发明所采取的技术方案是：
一种组织工程管状支架，支架具有至少一个的轴向排列的通道，通道的横截面面积为300μm2～300mm2，支架的非通道部分存在相互贯通的微孔，微孔的体积范围为1μm3～5000μm3，微孔孔径分布曲线呈锯齿状，支架微孔壁为纳米级纤维三维网络。
优选的，支架由可生物降解的高分子材料制成。
优选的，支架中添加有可改变细胞与组织的生理学行为的药物。
本发明的组织工程管状支架具有通道和纤维网络结构，特别是在支架中存在特殊设计的微孔，因而具有更高的孔隙率和通透性，这种多级孔结构从形态上更符合细胞生长发育和组织形成的需求。
本发明的组织工程管状支架通过对生物功能性药物的负载和控制释放，从化学和生物结构改善细胞生长的环境，通过对功能药物组分及其释放的选择和设定，可以更为有效地实现对细胞和组织的生理行为的控制和诱导，使支架的应用效果得到巨大提升。
这种孔径分布曲线呈锯齿状、孔形态丰富多样的多级孔结构，更有利于支架中药物释放的精确控制，使支架的力学性能及降解性质可控调节范围更为广阔，因而可得到更优异的应用效果。
附图说明
图1是本发明组织工程管状支架实体中的通道及非通道部分的30×扫描电镜图；
图2是本发明组织工程管状支架实体非通道部分横截面的150×扫描电镜图；
图3是本发明组织工程管状支架实体非通道部分中的微孔结构的500×扫描电镜图；
图4是本发明组织工程管状支架实体非通道部分中的纳米级纤维结构的5000×扫描电镜图；
图5是本发明组织工程管状支架的GDNF及bFGF释放曲线；
图6是本发明组织工程管状支架中的多级孔结构的孔径分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，进一步说明本发明。
一种组织工程管状支架，支架具有至少一个的轴向排列的通道，通道的横截面面积为300μm2～300mm2，支架的非通道部分存在相互贯通的微孔，微孔的体积范围为1μm3～5000μm3，微孔孔径分布曲线呈锯齿状，支架微孔壁为纳米级纤维三维网络。
多级孔结构指微孔孔径分布曲线呈锯齿状，即微孔的孔径在规定的连续范围内非单一的正态分布，而是在规定的范围中的某一个或者几个互不重叠的区间内集中分布。在纳米、亚微米、微米、毫米——不同等级的尺度上，微孔的孔径分布曲线存在一个或多个峰值，且峰与峰之间存在一定的间距，呈锯齿状，如图6所示。
优选的，支架由可生物降解的高分子材料制成，可生物降解的高分子材料包括壳聚糖、纤维素、胶原、丝胶蛋白、明胶、透明质酸、海藻酸及其衍生物，由丙交酯、乙交酯、己内酯、二氧环杂己烷酮、碳酸酯、原酸酯单体、玛啉二酮单体、苹果酸内酯单体、磷酸酯单体制备的均聚物、无规、嵌段共聚物，聚氨酯，聚醚，聚脲，聚3-羟基丁酸酯、聚3-羟基戊酸酯，以及上述高分子的共聚物和共混物。
优选的，支架中添加有可改变细胞与组织的生理学行为的药物，以改善支架的生物学功能。药物包括免疫抑制剂、低分子量肝素、麻醉剂、生长因子、细胞骨架成分、再生促进功能基因及相应来源的功能官能团、序列及片段。
本发明的组织工程管状支架，通过将高分子材料用溶剂溶解，然后注入含有致孔剂的模具中，定型后去除溶剂和致孔剂，通过干燥即可得到。
本发明的组织工程管状支架因具有不同的通道的数目及排列方式，不同形态的通道横截面、非通道部分的微孔，支架性能及应用环境产生进一步扩展。如作为进一步改进，在支架的中心轴辐射方向，支架的通道间的距离呈梯度变化，可使支架孔隙率及力学性能具有梯度性质；又如，作为进一步改进，支架中的通道具有梅花形横截面，或者支架中的微孔为除球形、圆柱形以外的其他形态，使得支架的结构特别适合某些组织细胞的生长。
在支架的制备过程中，可通过控制以下参数调节药物分子与支架基质材料之间的亲和力：(1)选用不同组分、分子量的高分子原料；(2)控制多级微孔结构的孔径分布曲线形态；(3)选择药物分子与支架材料之间的连结方式，如共价链接、物理吸附和氢键；(4)调节支架的降解速率。使用以上手段，可人为设定支架中药物的释放曲线，以满足应用的具体需求，如可制得具有沿时间轴依次释放多种药物的能力的支架。
图1～4为本发明组织工程管状支架典型模型的扫描电镜图，从图中可以看出，本发明的组织工程管状支架具有明确的多级结构，结构层次分明，具有不同尺寸等级，通道横截面面积在300μm2～300mm2之间，单个微孔的体积范围在1μm3～5mm3之间，纳米级纤维的直径在10nm～1000nm之间。
图5是本发明组织工程管状支架典型模型中的GDNF及bFGF释放曲线，从图中可以看出，两种因子随时间近似线性释放，24d内未见暴释现象，本发明的组织工程管状支架具有良好的药物释放控制功能。
使用压汞仪测定支架中的孔径及孔径分布，得到本发明组织工程管状支架典型模型中的多级微孔结构的孔径分布曲线，如图6所示。从图中可以看出，微孔的孔径分布曲线呈锯齿状，在孔径范围0.1μm～1000μm范围内，支架中所有微孔的孔径在3μm～15μm区间、16μm～30μm区间及35μm～60μm区间三个区间内集中分布。多级微孔的结构对于支架整体力学性能及降解性能有至关重要的作用。
综上所述，本发明的组织工程管状支架在具有通道和纤维网络结构的同时，具有精细的多级微孔结构，因而具备更高的孔隙率和更好的通透性，且多级孔结构从形态上更符合细胞生长发育和组织形成的需求。
本发明的组织工程管状支架通过对生物功能性药物的负载和控制释放，从化学和生物结构改善细胞生长的环境，可以更为有效地实现对细胞和组织的生理行为的控制和诱导，使支架的应用效果得到巨大提升。
多级孔结构的存在及形式，更有利于支架中药物释放的精确控制，使支架的力学性能及降解性质可控调节范围更广，因而可得到更优异的应用效果。
Claims (6)
1.一种组织工程管状支架，其特征在于：所述支架具有至少一个的轴向排列的通道，所述通道的横截面面积为300μm2～300mm2，支架的非通道部分存在相互贯通的微孔，微孔的体积范围为1μm3～5000μm3，微孔孔径分布曲线呈锯齿状，支架微孔壁为纳米级纤维三维网络。
2.根据权利要求1所述的组织工程管状支架，其特征在于：所述纳米级纤维的直径为10nm～1000nm。
3.根据权利要求1所述的组织工程管状支架，其特征在于：所述支架由可生物降解的高分子材料制成。
4.根据权利要求3所述的可生物降解的高分子材料包括：壳聚糖、纤维素、胶原、丝胶蛋白、明胶、透明质酸、海藻酸及其衍生物，由丙交酯、乙交酯、己内酯、二氧环杂己烷酮、碳酸酯、原酸酯单体、玛啉二酮单体、苹果酸内酯单体、磷酸酯单体制备的均聚物、无规、嵌段共聚物，聚氨酯，聚醚，聚脲，聚3-羟基丁酸酯、聚3-羟基戊酸酯，以及上述高分子的共聚物和共混物。
5.根据权利要求1所述的组织工程管状支架，其特征在于：所述支架添加有可改变细胞与组织的生理学行为的药物。
6.根据权利要求5所述的组织工程管状支架，其特征在于：可改变细胞与组织的生理学行为功能的药物包括：免疫抑制剂，低分子量肝素，生长因子、细胞外基质成分、细胞骨架成分、再生促进功能基因及相应来源的官能团、功能序列及片段。
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