CN101850600A

CN101850600A - 具有多级孔结构的组织工程管状支架的制作方法及模具

Info

Publication number: CN101850600A
Application number: CN 201010171659
Authority: CN
Inventors: 全大萍; 曾晨光; 谢高艺; 朱继翔; 董鹏
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: GUANGZHOU XINCHENG BIOTECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2030-05-14
Also published as: CN101850600B

Abstract

本发明公开了具有多级孔结构的组织工程管状支架的制作方法及其专用模具。流程如下：溶液配制；模具组装；致孔剂加入；升温与恒温；降温与淬火；致孔剂与溶剂去除；干燥。制造方法中使用的专用模具，包括管状模具本体，其两端分别是注料口和排气端，注料口设注料口塞，排气端设延伸段，延伸段设排气孔，排气孔设排气孔塞，模具本体内设有至少两个孔板，孔板中部设有固定孔，孔板边缘设有用于物料通过的缺口。结合使用本方法和模具，可以便利地制得具有复杂而精确的拓扑结构的组织工程管状支架。

Description

具有多级孔结构的组织工程管状支架的制作方法及模具

技术领域

本发明涉及具有多级孔结构的组织工程管状支架的制作方法及其专用模具。

背景技术

组织工程管状支架的拓扑结构对组织工程技术实施的影响至关重要。组织工程支架管状必须具备精确的宏观、亚微观及微观结构，方可满足应用需求。如何制作结构参数精确地符合设计要求的组织工程支架是研究者们重视的一个难题。

针对具有特殊结构的聚合物多孔材料的典型加工技术有如下几种：(1)低压注射成型技术；(2)致孔剂添加-去除的方法；(3)利用聚合物相分离原理制作聚合物多孔材料的方法。

低压注射成型技术可以使产品的宏观尺寸严格、精确地符合设计要求，这一技术在较大尺寸的器件加工制作中有着广泛的应用，但是并不具备对产品的微观结构进行控制的能力。利用致孔剂添加-去除的方法，在块状材料中制作亚微观尺度的特定形状的孔结构的方法，简单实用，已被广泛运用。利用聚合物相分离原理制作聚合物组织工程支架的方法，以聚合物溶液的热致相分离为主，即将聚合物溶液通过某种特定的降温曲线降至一定的温度，产生聚合物富相-贫相动态平衡后，通过淬火固定相应的结构，再去除溶剂，形成孔结构。这一方法可以得到具有亚微观-微观尺度特定拓扑结构的支架。然而，热致相分离对温度变化曲线及温度条件的控制要求严苛。尤其是在制作具有纳米纤维网络结构的多孔材料时，需要使用特殊设计的精密仪器完成。目前研究中，未见可以完美兼容这三种结构建立手段的方法及相应模具。因此，设计具有独特结构的精密模具，使之与相分离的精确控制过程相适应，又能复合致孔剂致孔，能有效解决这一问题。

人们渴望一种方便、低成本制造复杂的、拓扑结构参数可精确控制的组织工程支架的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组织工程管状支架的制备方法及其专用模具。

本发明所采取的技术方案是：

具有多级孔结构的组织工程管状支架的制作方法，包括以下步骤：

a)将可生物降解的聚合物溶解于溶剂中，配制成质量体积浓度为20～400mg/mL的聚合物溶液；

b)将模具组装好，置于0～80℃的温度环境中，使模具各部无温差；

c)将聚合物溶液注入模具内，降温至-90～50℃，在模腔内的聚合物溶液呈凝胶状或固体状后，淬火；

d)脱模，冷冻干燥后得到组织工程支架。

优选的，具有多级孔结构的组织工程管状支架的制作方法，包括以下步骤：

c)在模具的模腔内加入致孔剂；

d)将聚合物溶液注入模具内，降温至-90～50℃，在模腔内的聚合物溶液呈凝胶状或固体状后，淬火；

e)脱模，清除致孔剂，冷冻干燥后得到组织工程支架。

上述制造方法中使用的专用模具，包括呈管状的模具本体，模具本体两端分别是注料口和排气端，注料口上设有注料口塞，排气端上设有罩于其上的延伸段，延伸段上设有排气孔，排气孔上设有排气孔塞，模具本体内设有至少两个孔板，所述孔板的中部设有固定孔，所述孔板的中部的边缘设有用于物料通过的缺口。

优选的，模具本体由左模和右模组合固定而成。

优选的，左模定位卡扣，所述右模上设有与左模定位卡扣相配合的右模定位卡扣。

优选的，模具本体的排气端具有一定斜度，所述延伸段与排气端相配合的部分也具有相应的斜度。

本发明的有益效果是：

本发明方法制备工艺简单，重复性好，易于根据需要制备具有不同结构特征的组织工程管状支架，满足不同的需求。

本发明方法制备的组织工程管状支架，通过切换所使用的模具，可以轻易的获得各种尺寸、各种形状的通道；通过添加和去除不同尺寸、不同类型的致孔剂，可以在组织工程管状支架非通道部分得到相应尺度等级的微孔。微孔壁的结构可以通过升温-降温相应步骤中的条件控制进行精确调整。

本发明提出的组织工程管状支架的制作方法和模具，还可以应用于其他方面，如水净化、分离纯化过程中所使用的具有复杂物理结构的多孔材料的制作。

本发明的模具，型腔外部为壁厚均匀的圆管形，模具本体在横截面上具有各向同性，对温度的选择、温度变化的幅度与趋势、热的传递方向等具有较高的灵敏性和适应性、可控性好，批次差异小；此外，内部设置边缘处有缺口的孔板，模具的各组件的材质与尺寸参数、内腔上用于固定孔板的凹槽的分布、孔板上孔和缺口分布形态及孔板的数量均可根据应用要求进行调整，扩展性好。

本发明通过制作精密模具，设定精确的流程和参数，提出一种解决方案，将低压注射成型、相分离技术和致孔技术简单有效地同一在一系列的步骤中，可以更为便利、低成本地完成具有多级孔结构组织工程管状支架的制作，并实现对支架在各个尺度物理结构的精确控制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明模具装配示意图；

图2是本发明模具的拆分示意图；

图3是本发明模具孔板的结构示意图；

图4是本发明模具延伸段的剖面结构示意图

图5是实施例4产品的横截面的50×扫描电镜图；

图6是实施例4产品的横截面的150×扫描电镜图；

图7是实施例4产品的横截面的500×扫描电镜图；

图8是实施例4产品的横截面的5000×扫描电镜图。

具体实施方式

下面参考附图，结合实施例，进一步说明本发明。

参考图1～4，一种用于组织工程管状支架制备的专用模具，包括呈管状的模具本体1，所述模具本体1两端分别是注料口11和排气端12，所述注料口11上设有注料口塞2，所述排气端12上设有罩于其上的延伸段3，所述延伸段3上设有排气孔31，所述排气孔31上设有排气孔塞4，所述模具本体1内设有至少两个孔板5，所述孔板5的中部设有的固定孔51，所述孔板5的中部的边缘设有用于物料通过的缺口52。其中，固定孔51用来固定纵向排列纤维丝(金属丝、玻璃丝、聚合物纤维、有机或无机物纤维)，其数目可以根据实际需要确定，如需要单通道的组织工程支架，只需要一个固定孔51即可。而孔板5的数目和相互间的距离也可根据实际情况确定，如需要一次制备3个支架，则可设置共4个孔板，它们之间有共3个成型腔可制造出三个所需的支架，并且对于支架的长度的控制可通过调节孔板5之间的距离来实现。

其中，孔板5的作用在于固定贯穿的纤维丝，纤维丝在模具腔体中的排列由孔板5上固定孔51的分布决定，横截面形态和尺寸由孔板5上固定孔51的形态和尺寸决定。纤维丝与模腔共同决定所制备的产品的宏观形态。孔板5边缘设计的缺口52，用于物料的流动或通过。如采用异相致孔剂结合致孔-滤除工艺控制导管的亚微观形态结构时，该缺口52设计可使异相致孔剂由注料口11进入模腔的各段。延伸段3及排气孔31的作用在于注射过程中的排气、脱模过程中对纤维丝的去除。排气孔塞4及注料口塞2用于保证物料注射之后的处理过程的密封。

为了便于有效固定孔板5，作为优选实施方式，所述模具本体1内设有用于固定孔板5的卡槽17。安装时，让孔板5位于该卡槽17内，在模具使用过程中可以保证孔板不会发生移动。

为了保证所生产的产品容易脱模，作为优选，本实施例中所述的模具本体1由左模13和右模14组合固定而成。并且，为防止左右模13，14合模后发生相对错对，保证生产的顺利进行，所述左模13一端设有左模定位卡扣15，所述右模14上设有与左模定位卡扣15相配合的右模定位卡扣16，当左右模13，14合模后，左模定位卡扣15与右模定位卡扣16相嵌合，阻碍相互间的错动趋势。此外，为了使得左右模13，14合模后松开，可以采取一些固定措施，如可以在其合模后在模具本体1上套入卡箍。

此外，应当注意到，为了便于脱模，模具本体1也可以设计为三块，甚至是多块模的组合，不仅仅局限于本实施中左右两块模的组合。

为了使得延伸段3和模具本体1之间结合更为紧密，所述模具本体1的排气端12具有一定斜度，所述延伸段3与排气端12相配合的部分也具有相应的斜度。当然，延伸段3和模具本体1之间还可以通过螺纹连接。

本发明的制备组织工程管状支架的模具结构简单、易于制造和使用；对原材料的适应性广；易于结合热致相分离等技术制造出同时具有宏观、亚微观和微观尺度孔形貌结构的管状支架；其次，由于型腔外部为壁厚均匀的圆管形，模具本体在横截面上具有各向同性，对温度的选择、温度变化的幅度与趋势、热的传递方向等具有较高的灵敏性和适应性、可控性好，批次差异小；此外，内部设置边缘处有缺口的孔板，模具的各组件的材质与尺寸参数、内腔上用于固定孔板的凹槽的分布、孔板上孔和缺口分布形态及孔板的数量均可根据应用要求进行调整，扩展性好。

d)脱模，冷冻干燥后得到组织工程支架。

c)在模具的模腔内加入致孔剂；

e)脱模，清除致孔剂，冷冻干燥后得到组织工程支架。

本发明方法中所采用的可生物降解的聚合物包括壳聚糖、纤维素、胶原、透明质酸、海藻酸及其衍生物，由丙交酯(L-LA，DL-LA)、乙交酯(GA)、ε-己内酯(ε-CL)、二氧环杂己烷酮(PDO)、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、无规、嵌段共聚物，聚氨酯，聚羟基脂肪酸酯(PHAs)，聚3-羟基丁酸酯(P3HB)、聚3-羟基戊酸酯(P3HV)及其共混、修饰物。

本发明方法中所采用的溶剂包括氯仿、二氧六环、三乙胺、乙酸丁酯、二甲基甲酰胺、丙酮、乙酸乙酯、四氢呋喃、苯、甲苯、二甲亚砜、吡啶、卤代烷烃、碳原子数为1～10的一元醇或多元醇、水、冰醋酸。

实施例1

a)将左旋聚乳酸溶解于四氢呋喃中，配制成质量体积浓度为20mg/mL的溶液；

b)将模具组装好，置于50℃的温度环境中，使模具各部无温差；

c)将聚合物溶液注入模具内，降温至20℃，在模腔内的聚合物溶液呈凝胶状后，淬火；

d)脱模，在大量4℃水中浸泡3d，冷冻干燥后得到具有纳米纤维微结构的左旋聚乳酸组织工程管状支架。

实施例2

a)将聚己内酯溶解于乙酸乙酯中，配制成质量体积浓度为40mg/mL的聚合物溶液；

b)将模具组装好，置于0℃的温度环境中，使模具各部无温差；

c)在模具的模腔内加入体积约为2mm³的氯化钠针状晶体致孔剂；

d)将聚合物溶液注入模具内，降温至-90℃，在模腔内的聚合物溶液呈固体状后，淬火；

e)脱模，高真空度冷冻干燥去除乙酸乙酯，用水滤除氯化钠致孔剂，再次冷冻干燥后得到内部含有体积约为2mm³的针状微孔的聚己内酯组织工程支架。

实施例3

a)将壳聚糖溶解于乙酸中，配制成质量体积浓度为400mg/mL的聚合物溶液；

b)在模具中的孔板上固定好7条直径为0.5mm的圆形玻璃杆，将模具组装好，置于80℃的温度环境中，使模具各部无温差；

c)将聚合物溶液注入模具内，降温至10℃，在模腔内的聚合物溶液呈固体状后，淬火；

d)脱模，冷冻干燥去除乙酸后得到内部含有7条直径为0.5mm通道的壳聚糖组织工程支架。

实施例4

a)配制体积比为90∶10的四氢呋喃和水的混合溶剂，将左旋聚乳酸溶解于四氢呋喃和水的混合溶剂中，配制成质量体积浓度为80mg/mL的溶液；

d)脱模，在大量4℃水中浸泡3d，冷冻干燥后得到具有纳米纤维微结构和直径约50μm的球形微孔的左旋聚乳酸组织工程管状支架。

实施例5

a)配制体积比为92∶7∶1的四氢呋喃、水、甲醇的三元混合溶剂，将乙交酯丙交酯共聚物溶解于四氢呋喃和水的混合溶剂中，配制成质量体积浓度为100mg/mL的溶液；

b)在模具中的孔板上固定好40条直径为0.2mm的圆形镍铬合金丝，将模具组装好，置于50℃的温度环境中，使模具各部无温差；

c)在模具的模腔内加入体积分别约为200μm³、800μm³和2mm³的三种果糖球形微球致孔剂；

d)将聚合物溶液注入模具内，降温至20℃，在模腔内的聚合物溶液呈凝胶状后，淬火；

e)脱模，在大量4℃水中浸泡3d，冷冻干燥后得到左旋聚乳酸组织工程管状支架。

这种支架同时具备复杂的拓扑结构：(1)支架内部具有40条直径为0.2mm的通道结构；(2)支架内部的非通道部分具有四级球形微孔结构，微孔体积分别约为50μm³、200μm³、800μm³和2mm³；(3)支架中微孔壁为纳米纤维网络结构。

图5是实施例4产品的横截面的50×扫描电镜图、图6是实施例4产品的横截面的150×扫描电镜图、图7是实施例4产品的横截面的500×扫描电镜图、图8是实施例4产品的横截面的5000×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极为有序的拓扑结构。

使用本发明方法并配合模具制备组织工程管状支架时，可以极为方便的控制组织工程管状支架的拓扑结构，根据具体需要，极为方便的制备不同拓扑结构的组织工程管状支架，满足不同组织培养的需要。

Claims

1.一种具有多级孔结构的组织工程管状支架的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

d)脱模，冷冻干燥后得到组织工程支架。

2.一种具有多级孔结构的组织工程管状支架的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

c)在模具的模腔内加入致孔剂；

e)脱模，清除致孔剂，冷冻干燥后得到组织工程支架。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有多级孔结构的组织工程管状支架的制作方法，其特征在于：所述可生物降解的聚合物包括：壳聚糖、纤维素、胶原、透明质酸、海藻酸及其衍生物，由丙交酯(L-LA，DL-LA)、乙交酯(GA)、ε-己内酯(ε-CL)、二氧环杂己烷酮(PDO)、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、无规、嵌段共聚物，聚氨酯，聚羟基脂肪酸酯(PHAs)，聚3-羟基丁酸酯(P3HB)、聚3-羟基戊酸酯(P3HV)及其共混、修饰物。

4.根据权利要求1或2所述的具有多级孔结构的组织工程管状支架的制作方法，其特征在于：溶剂包括：氯仿、二氧六环、三乙胺、乙酸丁酯、二甲基甲酰胺、丙酮、乙酸乙酯、四氢呋喃、苯、甲苯、二甲亚砜、吡啶、卤代烷烃、碳原子数为1～10的一元醇或多元醇、水、冰醋酸。

5.根据权利要求2所述的具有多级孔结构的组织工程管状支架的制作方法，其特征在于：致孔剂包括水溶性致孔剂、油溶性致孔剂、可挥发性致孔剂。

6.权利要求1或2所述具有多级孔结构的组织工程管状支架的制作方法中使用的专用模具，其特征在于：所述模具包括呈管状的模具本体(1)，所述模具本体(1)两端分别是注料口(11)和排气端(12)，所述注料口(11)上设有注料口塞(2)，所述排气端(12)上设有罩于其上的延伸段(3)，所述延伸段(3)上设有排气孔(31)，所述排气孔(31)上设有排气孔塞(4)，所述模具本体(1)内设有至少两个孔板(5)，所述孔板(5)的中部设有固定孔(51)，所述孔板(5)的中部的边缘设有用于物料通过的缺口(52)。

7.根据权利要求6所述的专用模具，其特征在于：所述的模具本体(1)由左模(13)和右模(14)组合固定而成。

8.根据权利要求7所述的专用模具，其特征在于：所述左模(13)一端设有左模定位卡扣(15)，所述右模(14)上设有与左模定位卡扣(15)相配合的右模定位卡扣(16)。

9.根据权利要求6所述的专用模具，其特征在于：述模具本体的排气端具有斜度，所述延伸段与排气端相配合的部分也具有相应的斜度。