CN101920043B

CN101920043B - 一种孔壁带有微沟槽的多孔支架及其制备方法

Info

Publication number: CN101920043B
Application number: CN 201010255431
Authority: CN
Inventors: 丁建东; 屈泽华
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-08-17
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2030-08-17
Also published as: CN101920043A

Abstract

本发明属于生物材料技术领域，具体为一种孔壁带有微沟槽的多孔支架及其制备方法。该多孔支架孔壁带有微沟槽，其孔隙率为20-99%，孔径为5-2000μm，微沟槽宽度为20nm-300μm，微沟槽深度为20nm-300μm，微沟槽在孔壁表面的覆盖率为0.5-98％；支架的基体材料为具有自粘结性、可溶解性、可塑性的高分子材料。制备方法为将纤维状物质与致孔剂和基体材料在溶剂中混合均匀，然后进行常温模压/粒子浸出。本发明支架材料在三维空间结构上构筑了独特的微沟槽结构，提供给细胞与材料响应的新的三维空间。此三维多孔支架可以作为细胞黏附、定向生长更好的载体。

Description

一种孔壁带有微沟槽的多孔支架及其制备方法

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种内表面（孔壁）带有沟槽的多孔支架及其制备方法。

背景技术

组织工程学是综合应用工程学和生命科学的基本原理、基本理论、基本技术和基本方法，在体外预先构建一个有生物活性的种植体，然后植入体内，修复组织缺损，替代组织、器官的一部分或全部功能，或作为一种体外装置，暂时替代器官部分功能，达到提高生活、生存质量，延长生命活动的目的。这一内涵的核心是活的细胞、可供细胞进行生命活动的支架材料以及细胞与支架材料的相互作用，这是组织工程学研究的主要科学问题。一般来说，组织工程对支架材料的要求是为构建组织细胞提供一个三维支架，有利于细胞的粘附、增殖乃至分化，为细胞生长提供合适的外环境。

组织诱导等其它医用材料技术也同样需要制备多孔支架。筛选和制备出一种理想的支架材料对于再生医学的发展和应用至关重要。

三维多孔支架的制备方法有许多种，如粒子析出法、相分离法、高压气体发泡法、静电纺丝技术、三维打印技术等，其中采用最广泛的是致孔剂法。近年来很多学者对传统的致孔剂法进行了拓展。Chen等（G P Chen, Biomaterials, 2001, 22: 2563–2567）利用冰粒作为成孔剂制备了PLGA支架避免了成孔剂残留的危险。Ma PX等(P X Ma, Tissue engineering, 2001, 7: 23–33)选用石蜡作为致孔剂制备了PLLA支架。他们利用乳液分散搅拌的方法，制备石蜡的球形粒子作为致孔剂。将装有致孔剂的模具加热，温度控制稍微超过石蜡的熔点，使之表面软化，再轻微施压，则石蜡粒子相互粘接。再倒入聚合物溶液，通过冷冻干燥或溶剂挥发除去溶剂，得到PLLA多孔支架。通过这种方法可以很好地对材料的孔径和孔间连通性进行控制。丁建东课题组(L B Wu, J D Ding. Biomaterials, 2006, 27: 185–191; Macromolecular Bioscience, 2006, 6: 747–757)发明了常温模压/粒子浸出法，制备的支架避免了高温模压聚合物的降解，实现了简便可行的多孔支架的一步成型，他们(L B Wu, Tissue Engineering, 2005,11(7/8): 1105–1114)还通过利用改进的模压/粒子浸出法，制备了复杂形状的三维多孔支架如外耳状多孔支架，并对支架的形态、孔结构和孔隙率进行表征，制备的支架孔隙率可高达90%以上。

目前，一些研究报道了在聚合物材料的表面构造拓扑结构，研究材料表面拓扑结构对于控制细胞的生长和取向的作用，如Jansen等（J.A. Jansen, Biomaterials, 1999, 20: 1293-1301）采用光-蚀刻技术在PLLA表面构建平行微沟槽微结构，其深度为0.5-1.5 mm，宽度为1-10 mm，实验证明此拓扑结构可有效地促进骨再生，因为显微结构利于矿化基质的沉积和成骨细胞的分化。Chu IM等（Chu IM,Micron,2007,38(3):278-285）制备了深度30μm，不同的沟槽/凸缘宽度15-100μm。细胞倾向沿着沟槽的方向排列生长并产生更长的细胞主体。细胞沿着沟槽侧壁爬到凸缘上面，但并不会再往下爬到沟槽底部，细胞以凸缘作为支持点进行黏附和生长。

但是这些研究往往局限于在二维材料上面构建结构。目前的技术在三维支架材料内表面构造微沟槽则难以做到。本发明提供了一种简单可行的方法可在三维多孔支架表面构造微沟槽。

发明内容

本发明的目的在于提供一种孔壁带有微沟槽的三维多孔支架及其制备方法。

本发明提供的三维多孔支架，是在三维空间结构上构筑了独特的沟槽结构，可提供给细胞与材料响应的新的三维空间结构。此种三维多孔支架可以作为细胞黏附、定向生长更好的载体。

本发明提出的孔壁（支架内表面）带有微沟槽的三维多孔支架，其孔隙率为20-99%，优选为60-95%；孔径为5-2000mm，优选为50-400mm；沟槽宽度为20nm-300mm，优选为200nm-50mm；沟槽深度为20nm-300mm，优选为200nm-50mm；沟槽在孔壁表面的覆盖率为0.5-98％，优选为1-80％。

本发明所述的孔壁带有微沟槽的多孔支架，基体材料一般采用具有自粘结性、可溶解性的高分子材料。该高分子材料既包括可降解高分子材料，也包括不可降解的高分子材料，还包括上述材料的共聚物或共混物以及含添加剂的混合物。其中，可降解的高分子材料包括聚DL-丙交酯、聚L-丙交酯、聚乙交酯、聚乳酸-羟基乙酸的共聚物（PLGA）、聚3-羟基丁酸酯、聚羟基脂肪酸酯、聚ε-己内酯、聚ε-烷基取代己内酯、聚δ-戊内酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酸酐、聚二氧六环、聚对二氧杂环己酮、聚醚酯中的任何一种，或者上述各类聚酯的任何形式的共聚物。不可降解高分子材料为聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸醋、尼龙、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯或聚硅氧烷，或者由它们之中几种组成的共聚物或共混物中的任何一种。

本发明提出的上述三维多孔支架制备方法中，特别引入了可除去的纤维状物质作为制造微沟槽的致孔剂。包含三个基本步骤：1）将基底材料与纤维状物质和粒子状致孔剂混合；2）模压；3）除去纤维状物质和粒子状致孔剂。具体步骤如下：

1）将高分子材料溶于溶剂A，形成高分子材料的溶液，将纤维状材料与致孔剂分散于高分子溶液中，边搅拌边使部分溶剂A挥发，形成分散均匀的高分子浓溶液-致孔剂粒子-纤维状物质混合物。该混合物呈膏状，不具有流动性，在常温低压下可在合适的模具中通过模压成型，获得具有所需外形的制品，脱模后得到的制品有很好的形状保持能力。将上述混合物在常温低压下在合适的模具中通过模压成型，形成高分子溶液-致孔剂粒子-纤维状物质混合物制品；然后，先在室温环境下使溶剂A部分挥发，再在真空条件下脱除残留溶剂A，待溶剂A完全脱除后，得到高分子-致孔剂粒子-纤维状物质混合物的成型制品。真空干燥温度不超过支架材料的熔点或玻璃化温度，一般不高于50℃，通常为室温。

2）上述高分子-致孔剂粒子-纤维状物质的混合物成型制品需在溶剂B中浸出致孔剂粒子。将高分子-致孔剂粒子-纤维状物质的混合物成型制品放入容器中，加入溶剂B，每隔一定时间换一次新鲜的溶剂，一般选0.5-8小时换一次溶剂B，至致孔剂粒子和纤维状物质完全浸出。

3）将上述己完全浸出致孔剂粒子和纤维状物质的支架从容器中取出，待大部分溶剂B挥发后放入真空烘箱中真空干燥，完全脱除溶剂B后得到所需高分子多孔支架。真空干燥温度不超过支架材料的熔点或玻璃化温度，一般不高于50℃，干燥时间为8-96小时，依赖于干燥条件和支架内残留的溶剂B的含量。

本发明所用的致孔剂包括无机盐粒子、多糖、蛋白质、合成高分子和其它的有机小分子化合物，或由它们之中几种所组成的混合物。致孔剂粒径尺寸范围为5μm -2000μm，一般为50μm -400μm。致孔剂粒子用量范围为混合物的20-99wt%。致孔剂溶于溶剂B但不溶于溶剂A。

本发明所用纤维状物质主要成分为糖，糖为葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖中的一种或数种的混合物。纤维状物质溶于溶剂B但不溶于溶剂A。

以上纤维状物质，纤维直径为20nm-300μm，一般为200nm-50μm，纤维的用量为混合物的0.00001－79wt％，一般为1－70wt％。

本发明所用溶剂A为可溶解高分子但不溶解致孔剂和纤维状物质的溶剂。具体为丙酮、丁酮、三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃、苯、甲苯、二甲苯、乙二醇、环己酮、二氧六环、N，N-二甲基甲酰胺、甲酸、苯甲醇、环己烷中的任何一种，或为其中几种的混合物。

本发明所用高分子溶液浓度范围为l-99wt%(重量百分比，基于高分子溶液总重量计算)，更佳的浓度范围为5-30wt%，为高分子浓溶液。高分子溶液的浓度根据所用高分子的分子量不同而不同，高分子量聚合物的溶液浓度可低一些。

所用溶剂B为可溶解致孔剂与纤维状物质但不溶解所用高分子基体材料的溶剂，可以为水、醇、胺、烃及卤代烃当中任意一种或其中几种混合物。溶剂B用量过量，其重量一般为混合物总重量的10-1000倍。更好的选择为20-500倍。

根据致孔剂与纤维的用量，相应的基体材料用量范围为1－79wt%，更佳的用量范围为5－35wt%。

上述制备和成型的过程可以是一个连续过程，也可以分步进行。

本发明的优点在于：

1) 本发明制备了一种内表面带有沟槽的三维多孔支架材料，见图2、图3、图4。当然，这样得到的多孔支架在外表面的孔壁上也可以有微沟槽结构。

2) 本发明制备的多孔支架，孔相互连通，支架表面亦为多孔结构，且无致密皮层。

3）本发明提出的常温模压法既可制备外形简单或外形规则的多孔支架，亦可为外形复杂或外形不规则的多孔支架，包括与人或动物的缺损组织或器官相同或相似解剖外形。本发明提供了一种制备孔壁带有沟槽的三维多孔支架方法。制备方法简便、可行、重现性好，有利于大规模生产。

4）本发明提出的多孔支架用于生物医用领域时，可以采用己获广泛认可的生物相容性良好的材料制备，植入体内后有望避免或消除炎症等毒副作用的发生，以更好地符合生物医学的要求。

5）本发明提出的表面带有沟槽结构的多孔支架的孔结构形态有利于细胞的粘附、增殖和分化，植入体内后有利于植入部位周围组织细胞的生长，故，所得到的支架适于组织工程、组织诱导等再生医学领域。

附图说明

图l 是糖纤维网络的光学显微照片图(×100)。

图2 是孔壁带有微沟槽的三维多孔支架的外形照片。

图3 和图4是内表面带有沟槽的三维多孔支架的断面的扫描电镜图，从图中可见PLGA孔内部有许多沟槽结构。图3为（×100），图4为（×500）。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进一步加以说明。

实施例1

首先通过市售电动拉丝机纺出糖纤维，直径10μm，将氯化钠用分子筛筛分出不同粒径的尺寸，取粒径尺寸为180μm-280μm的氯化钠备用。将2g分子量为35.9万的PLGA85/15溶于11g二氯甲烷中，然后将糖纤维1g，氯化钠30g均匀分散在PLGA的二氯甲烷溶液中，倒入模具中，常温模压，24小时后解压，取出支架，用200ml去离子水浸洗支架，每隔1小时换水一次，直到用O.lmol/L硝酸银的水溶液，滴加到浸出液中，不出现白色沉淀，表明糖纤维和氯化钠己完全浸出，已完全浸出致孔剂的支架用滤纸或卫生纸吸去大部分去离子水，然后进行真空干燥，真空干燥，温度为20℃，干燥48小时，得到孔径200μm左右，孔隙率为90%的孔壁带有沟槽为10μm宽、10μm深沟槽的三维多孔支架，沟槽的理论覆盖率为孔壁表面积的20%。

实施例2 将2g 分子量为35.9万的PLGA85/15溶于11g二氯甲烷中，然后将糖纤维（直径10μm）5g，氯化钠（粒径尺寸180μm-280μm）26g均匀分散在PLGA的二氯甲烷溶液中，倒入模具中，常温模压，24小时后解压，用200ml去离子水支架，每隔0.5小时换水一次，直到用0.1mol/L硝酸银的水溶液，滴加到浸出液中，不出现白色沉淀，表明糖纤维和氯化钠己完全浸出，已完全浸出致孔剂的支架用滤纸或卫生纸吸去大部分去离子水，然后进行真空干燥，干燥温度20℃，干燥时间为48小时，得到孔径200μm，孔隙率为90%的孔壁带有沟槽的三维多孔支架，沟槽为10μm宽、10μm深，理论覆盖率为孔壁表面积的100%。

实施例3 将2g 分子量为35.9万的PLGA85/15溶于17g二氯甲烷中，然后将糖纤维（直径15μm）1g，氯化钠（粒径尺寸180μm-280μm）20g均匀分散在PLGA的二氯甲烷溶液中，倒入模具中，常温模压，24小时后解压，取出支架，用200ml去离子水浸洗支架，每隔1小时换水一次，直到用O.lmol/L硝酸银的水溶液，滴加到浸出液中，不出现白色沉淀，为止。已完全浸出致孔剂的支架用滤纸或卫生纸吸去大部分去离子水，然后进行真空干燥，真空干燥，温度为20℃，干燥48小时，得到孔径200μm，孔隙率为86%的孔壁带有15μm宽、15μm深沟槽的三维多孔支架，理论覆盖率约为孔壁表面积的10%。

实施例4 将2g 分子量为15万的PLGA85/15溶于11g二氯甲烷中，然后将糖纤维（直径10μm）3g，氯化钠（粒径尺寸280μm-380μm）15g均匀分散在PLGA的二氯甲烷溶液中，倒入模具中，常温模压，24小时后解压，用200ml水洗糖纤维和氯化钠，每隔1小时换水一次，直到用0.1mol/L硝酸银的水溶液，滴加到浸出液中，不出现白色沉淀为止。已完全浸出致孔剂的支架用滤纸或卫生纸吸去大部分水，然后进行真空干燥，真空干燥温度20℃，干燥时间为48小时，得到孔径300μm，孔隙率为85%的孔壁带有沟槽的三维多孔支架，沟槽为10μm宽、10μm深，理论覆盖率为孔壁的87%。

实施例5 将2g 分子量为9万的PLGA85/15溶于11g二氯甲烷中，然后将糖纤维（直径10μm）3g，氯化钠（粒径尺寸180μm-280μm）15g均匀分散在PLGA的二氯甲烷溶液中，倒入模具中，常温模压，24小时后解压，用200ml水洗糖纤维和氯化钠，每隔1小时换水一次，直到用0.1mol/L硝酸银的水溶液，滴加到浸出液中，不出现白色沉淀为止，已完全浸出致孔剂的支架用滤纸或卫生纸吸去大部分水，然后进行真空干燥，真空干燥温度20℃，干燥时间为48小时，得到孔径200μm，孔隙率为85%的孔壁带有沟槽的三维多孔支架，沟槽为10μm宽、10μm深，理论覆盖率为孔壁的58%。

实施例6 将2g 分子量为5万的PLGA85/15溶于11g二氯甲烷中，然后将糖纤维（直径10μm）5g，氯化钠（粒径尺寸280μm-380μm）33g均匀分散在PLGA的二氯甲烷溶液中，倒入模具中，常温模压，24小时后解压，用200ml水洗糖纤维和氯化钠，每隔1小时换水一次，直到用0.1mol/L硝酸银的水溶液，滴加到浸出液中，不出现白色沉淀为止，已完全浸出致孔剂的支架用滤纸或卫生纸吸去大部分水，然后进行真空干燥，真空干燥温度20℃，干燥时间为48小时，得到孔径200μm，孔隙率为92%的孔壁带有沟槽的三维多孔支架，沟槽为10μm宽、10μm深，理论覆盖率为孔壁的51%。

Claims

1.一种孔壁带有微沟槽的多孔支架的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）将高分子材料溶于溶剂A，形成高分子材料的溶液，将纤维状材料与致孔剂分散于高分子溶液中，边搅拌边使部分溶剂A挥发，形成分散均匀的高分子浓溶液-致孔剂粒子-纤维状物质混合物；该混合物呈膏状，不具有流动性，常温下，在模具中通过模压成型，形成高分子溶液-致孔剂粒子-纤维状物质混合物制品；然后，先在室温环境下使溶剂A部分挥发，再真空干燥，脱除残留溶剂A，待溶剂A完全脱除后，得到高分子-致孔剂粒子-纤维状物质混合物的成型制品；所述真空干燥温度不超过支架材料的熔点或玻璃化温度；所用溶剂A为可溶解高分子材料但不溶解致孔剂和纤维状物质的溶剂；

（2）将上述高分子-致孔剂粒子-纤维状物质的混合物成型制品放在溶剂B中，浸出致孔剂粒子和纤维状物质；所用溶剂B为可溶解致孔剂与纤维状物质但不溶解所用高分子材料的溶剂；

（3）将上述己浸出致孔剂粒子和纤维状物质的支架从容器中取出，待大部分溶剂B挥发后放入真空烘箱中真空干燥，完全脱除溶剂B，即得到所需高分子多孔支架；所述真空干燥温度不超过支架材料的熔点或玻璃化温度；

步骤（1）中所用的致孔剂为无机盐粒子、多糖、蛋白质、合成高分子，或由它们之中几种所组成的混合物；致孔剂粒径尺寸为5-2000μm，致孔剂用量为混合物的20-99wt%；

步骤（1）所用纤维状物质为葡萄糖、果糖、蔗糖或麦芽糖，或其中几种的混合物；纤维直径为20nm-300μm，纤维的用量为混合物的0.00001-79wt％；

高分子材料用量为混合物的1-79wt%；

混合物中致孔剂、纤维和高分子材料的用量总和为100wt%；

所述高分子材料为下述材料中的任何一种：聚DL-丙交酯、聚L-丙交酯、聚乙交酯、聚乳酸-羟基乙酸的共聚物、聚羟基脂肪酸酯、聚ε-己内酯、聚ε-烷基取代己内酯、聚δ-戊内酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对二氧杂环己酮、聚二氧六环、聚醚酯，或者为上述各类聚酯的任何形式的共聚物或共混物中的任何一种；

或者为如下材料中的任何一种：聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、尼龙、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚硅氧烷，或者为由它们之中几种组成的共聚物或共混物中的任何一种；

所得到支架为多孔，且孔壁带有微沟槽，其孔隙率为20-99%，孔径为5-2000μm，微沟槽宽度为20nm-300μm，微沟槽深度为20nm-300μm，微沟槽在孔壁表面的覆盖率为0.5-98％。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所用高分子溶液浓度范围为l-99wt%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所用溶剂A为丙酮、丁酮、三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃、苯、甲苯、二甲苯、乙二醇、环己酮、二氧六环、N，N一二甲基甲酰胺、甲酸、苯甲醇、环己烷中的任何一种，或其中几种的混合物。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所用溶剂B为水、醇、胺、烃及卤代烃当中任意一种，或其中几种的混合物。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于溶剂B用量为混合物总重量的10-1000倍。

6.一种如权利要求1-5之一所述制备方法制备得到的孔壁带有微沟槽的多孔支架，其特征在于支架为多孔，且孔壁带有微沟槽，其孔隙率为20-99%，孔径为5-2000μm，微沟槽宽度为20nm-300μm，微沟槽深度为20nm-300μm，微沟槽在孔壁表面的覆盖率为0.5-98％；支架的基体材料为具有自粘结性、可溶解性、可塑性的高分子材料。