CN102028972A - 一种蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料及其制备方法，以天然植物组织为模板，经真空碳化后熔融渗水溶性盐，再经氧化除碳模板后得到负模多孔盐，最后经真空/压力浸渍生物高分子溶液、真空干燥和脱盐处理等过程，制得蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料。本发明制成的仿生多孔支架材料具有源于植物组织的蜂窝状多孔结构，孔隙率为70～95％，孔径为10～160μm。该制备方法广泛适用于非水溶性生物高分子材料，易于实现多孔支架理化、力学和生物学性质的调控。本发明的蜂窝状仿生聚合物基多孔支架材料及制备方法，在利用组织工程技术实现具有纵行形貌的周围神经、肌腱和韧带等缺损组织的再生修复中具有特殊的意义，实际应用前景广阔。

Description

一种蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物材料技术领域，尤其是纵行形貌组织缺损的组织工程技术再生修复领域；具体涉及一种蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料及其制备方法。
背景技术
组织工程，作为一种新的再生医学修复技术，临床应用前景十分诱人，因此受到世界各国科学工作者的重视。组织工程是通过在可生物降解的三维多孔生物材料中种植种子细胞，经体外或体内培养增殖、分化到一定程度后移植入体内待修复部位继续生长，从而实现组织或器官结构或功能再生修复的一类技术。该技术有望取代目前临床上缺损组织或器官修复所使用的自体/异体移植等方法，这些方法存在供体不足、传染病风险、免疫排斥反应等弊端。目前，组织工程技术在骨和皮肤等缺损组织的再生修复中取得了巨大进步，部分还进行了临床实验。然而，对于具有纵行形貌组织如周围神经、肌腱和韧带等的缺损或功能丧失的再生修复，由于它们具有特殊的形貌，即由大量平行排列的基膜管构成的蜂窝状结构，支架的仿生制备难度较大，其组织工程再生修复技术仍处于探索阶段。取得突破性进展的关键步骤之一是能否构建出最大程度仿生周围神经、肌腱和韧带等平行管状结构的蜂窝状多孔支架材料。
传统的组织工程多孔支架制备方法，如致孔剂法、发泡法、溶液浇注/漓滤法和经典相分离法等，由于不能制备取向孔结构，无法应用于具有纵行形貌组织的再生修复。目前，构建组织工程用蜂窝状多孔支架材料的主要技术有下面几种，其优缺点如下：(1)生物组织衍生法：采用适当的理化方法去除周围神经或骨骼肌等生物组织中的细胞以获得蜂窝状孔结构，其优点是具有仿真的孔结构和组成，但存在降解快、强度低、残留细胞碎屑和免疫原性等问题，且不宜保存和直接应用；(2)单向温度梯度冷冻干燥法：其通过对聚合物溶液施加一单向温度场实现冰的定向生长，经升华后形成平行排列的管状孔结构，优点是平均孔径可调范围大，为20～200μm，缺点是管孔间连通性差，孔形状不规则，孔径分布不均匀等；(3)金属细针模板法：通常以平行排列的金属丝/针阵列作为模具，结合相分离等方法，获得众多单轴取向的管孔，其优点是孔排列规整且为圆形，致命缺点是管孔孔径很难小于100μm且微管数量少，与自然周围神经等组织的基膜管孔径范围(10～100μm)不匹配；(4)聚合物纤维模板法：将可溶性纤维包埋于可交联的聚合物中，经交联固化、选择性溶解去除纤维后获得纵行通道的水凝胶，但该法纤维取向不可控和适用材料种类太少；(5)高压静电纺丝法：可得到微/纳米纤维复合的多孔支架，适用材料种类多，而且可通过定向电纺得到平行排列的纤维束，但所得多孔支架孔形貌和纤维间隙大小控制问题还未得到解决；(6)微/纳米图案化二维膜构建三维仿生支架：这种新技术可获得精准的图案尺寸，但由二维膜向三维多孔支架转变过程中，尚不能很好地解决层间连通性和保持图案形状。另外，快速成形技术近年来受到越来越多的重视，已尝试用于管状孔多孔支架的制备，但因其孔尺寸制备精度目前难以小于100μm而无法制备出仿生神经、肌腱和韧带等的多孔支架(SJ Hollister.Nat Mater，2005，4：518～524)。此外，还有将中空管和纵向排列纤维束结合的方法用于纵行形貌组织再生修复的，即在中空管内部构建纵向平行排列的纤维束，作为内部支架结构，相对于单纯的中空管而言，可以明显改善支架力学性能，但并不是真正意义上的仿生支架。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料及其制备方法，该方法以具有蜂窝状孔结构的植物组织为模板，通过建立可溶性多孔盐负模技术，将植物组织具有的蜂窝状孔结构转移至人工合成的生物高分子材料中，获得具有蜂窝状孔结构的仿生多孔支架，用于具有特殊定向组织形貌的周围神经、肌腱和韧带等组织缺损的组织工程再生修复。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)植物组织模板处理：以具有蜂窝状孔结构的、蜂窝状孔径为10～200微米的植物组织为模板经成型加工后用体积浓度为5％～10％的氨水浸泡12～24小时，浸泡期间进行缓慢搅拌，随后用蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥后备用；
2)真空碳化：将冷冻干燥后的植物组织模板置于真空炉中，以0.2～2℃/分钟的升温速度将炉温自室温升至400～650℃，保温2～6小时后随炉冷却至室温得到多孔碳体；
3)熔融渗盐：将多孔碳体包埋于粒径为200目的水溶性盐粉末中，并将其置于真空炉中，以2～5℃/分钟的升温速度自室温升至900～1300℃，保温2～6小时后随炉冷却至室温，得到多孔碳/水溶性盐复合物；
4)氧化除碳：将多孔碳/水溶性盐复合物表面的盐层除去后置于马弗炉中，以5～20℃/min的升温速度自室温升至400～600℃，于空气气氛中氧化4～12小时，得到多孔盐体；
5)浸渍生物高分子溶液：利用真空/压力浸渍工艺，将固含量为5～20wt％的生物高分子溶液浸入多孔盐体中，然后在30～60℃真空干燥5～12小时，得到盐/生物高分子复合物；
6)脱盐：将盐/生物高分子复合物置于30℃的蒸馏水中，利用超声或机械振荡方法去除水溶性盐，所用时间8～12小时，每1.5小时换水一次，经45～55℃干燥3～6h后得到蜂窝状多孔支架材料。
所述的具有蜂窝状孔结构的、蜂窝状孔径为10～200微米的植物组织为松木、椴木或紫藤。
所述的水溶性盐为NaCl、KCl、NaBr、CaCl2或MgCl2。
所述的真空/压力浸渍工艺是将多孔盐体置于浸渍罐中，先抽真空至10Pa以下并保持0.5～3小时，加入生物高分子溶液后，用氮气、氩气或空气将罐中压力升至5～10个大气压，并保持1～6小时后，在30～60℃真空干燥5～12小时，得到盐/生物高分子复合物。
所述的生物高分子溶液的溶质即生物高分子材料采用分子量为5～30万的聚乙丙交酯、聚丙交酯、聚己内酯或聚乙交酯，溶剂采用有机溶剂氯仿、二氯甲烷、二氧六环、二甲基亚砜或二甲基甲酰胺。
按本发明的制备方法制成的蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料的孔隙率为70～95％，孔径为10～160μm。
本发明通过建立无机盐负模方法，将植物组织具有的蜂窝状孔结构复制转移至经典的生物高分子材料中，制得支架可用于组织工程技术再生修复缺损的周围神经、肌腱和韧带等组织。
与现有制备方法相比，具有以下有益效果：
1)适用模板种类广，具有蜂窝状孔结构的植物组织数以万计，孔形貌多种多样，尤其是本发明中多孔盐负模方法的建立，为制备具有纵行形貌的周围神经组织、肌腱或韧带等的仿生支架提供了可靠的保证，可满足不同部位和不同孔形貌的缺损组织再生修复，可有效解决蜂窝状仿生多孔支架的制备问题。
2)由于本发明制得多孔支架保留了植物组织的多孔结构，具有类似于植物组织的生物力学行为，使其与待修复组织力学行为具有高度相似性，这是除生物组织(神经或骨骼肌)衍生法之外的现有其他方法无法得到的，同时又避免了生物组织衍生法的免疫原性和潜在的传染病风险。
3)该制备方法仅将植物组织的蜂窝状多孔结构转移至生物高分子材料，而没有残留植物组织的化学成分，所得支架的理化性质仅取决于所使用的生物高分子材料自身，这为通过改变高分子化学成分、组成配比、分子量等手段实现支架生物相容性、生物活性、降解速度、力学性能等调节提供了广阔的空间。
4)本发明的蜂窝状多孔支架制备方法适用范围广，适用于周围神经、肌腱和韧带等纵行形貌组织缺损的组织工程再生修复技术，而且具有植物组织模板易得、成本较低、适用生物高分子材料种类多等特点，临床应用前景广阔。
附图说明
图1为实施例1中所用植物模板紫藤的SEM照片；
图2为实施例1中由植物模板紫藤制成的聚乙丙交酯仿生支架的SEM照片；
图3为实施例3中由植物模板紫藤制成的聚己内酯仿生支架的SEM照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的蜂窝状多孔支架材料制备方法做进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
1)植物组织模板处理：以紫藤为植物组织模板经成型加工后用体积浓度为5％的氨水浸泡18小时，浸泡期间进行缓慢搅拌，随后用蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥后备用，处理后的植物模板紫藤见图1，由图1可以看出紫藤具有平行排列的蜂窝状孔结构，并被放射状轮廓隔开，蜂窝状孔孔径约100μm，其孔壁厚度为10～20μm，蜂窝状孔孔壁中含有大量的小孔；
2)真空碳化：将冷冻干燥后的植物组织模板置于真空炉中，以0.5℃/分钟的升温速度将炉温自室温升至500℃，保温6小时后随炉冷却至室温得到多孔碳体；
3)熔融渗盐：将多孔碳体包埋于粒径为200目的水溶性盐NaCl粉末中，并将其置于真空炉中，以5℃/分钟的升温速度自室温升至1100℃，保温2小时后随炉冷却至室温，得到多孔碳/水溶性盐复合物；
4)氧化除碳：将多孔碳/水溶性盐复合物表面的盐层除去后置于马弗炉中，以8℃/min的升温速度自室温升至550℃，于空气气氛中氧化8小时，得到多孔盐体；
5)浸渍生物高分子溶液：利用真空/压力浸渍工艺，将固含量为5wt％的生物高分子溶液浸入多孔盐体中，然后在30℃真空干燥10小时，得到盐/生物高分子复合物；
所述的生物高分子溶液采用分子量为10万的聚乙丙交酯的二氯甲烷溶液；
所述的真空/压力浸渍工艺是将多孔盐体置于浸渍罐中，先抽真空至10Pa以下并保持2小时，加入生物高分子溶液后，用氩气将罐中压力升至5个大气压，并保持5小时；
6)脱盐：将盐/生物高分子复合物置于30℃的蒸馏水中，利用超声或机械振荡方法去除水溶性盐，所用时间12小时，每1.5小时换水一次，经45℃干燥4h后得到孔隙率为86％，平均孔径为100μm的蜂窝状多孔支架材料，制成的产品见图2，由图2可以看出所得聚乙丙交酯多孔支架很好地保留了植物模板的蜂窝状孔结构和放射状轮廓形貌，其蜂窝状孔孔径大小与模板的一致，而且部分蜂窝状孔骨架上的微孔也被保持下来了。
实施例2
1)植物组织模板处理：以松木为植物组织模板经成型加工后用体积浓度为10％的氨水浸泡24小时，浸泡期间进行缓慢搅拌，随后用蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥后备用；
2)真空碳化：将冷冻干燥后的植物组织模板置于真空炉中，以1℃/分钟的升温速度将炉温自室温升至600℃，保温4小时后随炉冷却至室温得到多孔碳体；
3)熔融渗盐：将多孔碳体包埋于粒径为200目的水溶性盐CaCl2粉末中，并将其置于真空炉中，以3℃/分钟的升温速度自室温升至950℃，保温4小时后随炉冷却至室温，得到多孔碳/水溶性盐复合物；
4)氧化除碳：将多孔碳/水溶性盐复合物表面的盐层除去后置于马弗炉中，以10℃/min的升温速度自室温升至600℃，于空气气氛中氧化12小时，得到多孔盐体；
5)浸渍生物高分子溶液：利用真空/压力浸渍工艺，将固含量为6wt％的生物高分子溶液浸入多孔盐体中，然后在40℃真空干燥8小时，得到盐/生物高分子复合物；
所述的生物高分子溶液采用分子量为5万的聚丙交酯的氯仿溶液；
所述的真空/压力浸渍工艺是将多孔盐体置于浸渍罐中，先抽真空至10Pa以下并保持1小时，加入生物高分子溶液后，用氮气1将罐中压力升至8个大气压，并保持2小时；
6)脱盐：将盐/生物高分子复合物置于30℃的蒸馏水中，利用超声或机械振荡方法去除水溶性盐，所用时间10小时，每1.5小时换水一次，经50℃干燥6h后得到孔隙率为76％，孔径约为20μm的蜂窝状多孔支架材料。
实施例3
1)植物组织模板处理：以紫藤为植物组织模板经成型加工后用体积浓度为8％的氨水浸泡24小时，浸泡期间进行缓慢搅拌，随后用蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥后备用；
2)真空碳化：将冷冻干燥后的植物组织模板置于真空炉中，以0.2℃/分钟的升温速度将炉温自室温升至550℃，保温4小时后随炉冷却至室温得到多孔碳体；
3)熔融渗盐：将多孔碳体包埋于粒径为200目的水溶性盐KCl粉末中，并将其置于真空炉中，以2℃/分钟的升温速度自室温升至1000℃，保温3小时后随炉冷却至室温，得到多孔碳/水溶性盐复合物；
4)氧化除碳：将多孔碳/水溶性盐复合物表面的盐层除去后置于马弗炉中，以5℃/min的升温速度自室温升至500℃，于空气气氛中氧化12小时，得到多孔盐体；
5)浸渍生物高分子溶液：利用真空/压力浸渍工艺，将固含量为6wt％的生物高分子溶液浸入多孔盐体中，然后在45℃真空干燥10小时，得到盐/生物高分子复合物；
所述的生物高分子溶液采用分子量为10万的聚己内酯的二氧六环溶液；
所述的真空/压力浸渍工艺是将多孔盐体置于浸渍罐中，先抽真空至10Pa以下并保持1小时，加入生物高分子溶液后，用氮气将罐中压力升至6个大气压，并保持3小时；
6)脱盐：将盐/生物高分子复合物置于30℃的蒸馏水中，利用超声或机械振荡方法去除水溶性盐，所用时间8小时，每1.5小时换水一次，经45℃干燥6h后得到孔隙率为81％，孔径大小主要位于50～150μm的蜂窝状多孔支架材料，制成的产品见图3，由图3可以看出所得聚己内酯多孔支架同样很好地保留了植物模板的蜂窝状孔结构和放射状轮廓形貌，其蜂窝状孔孔径大小与模板的一致，而且部分蜂窝状孔骨架上的微孔也被保持下来了。
实施例4
1)植物组织模板处理：以椴木为植物组织模板经成型加工后用体积浓度为6％的氨水浸泡12小时，浸泡期间进行缓慢搅拌，随后用蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥后备用；
2)真空碳化：将冷冻干燥后的植物组织模板置于真空炉中，以1.5℃/分钟的升温速度将炉温自室温升至400℃，保温6小时后随炉冷却至室温得到多孔碳体；
3)熔融渗盐：将多孔碳体包埋于粒径为200目的水溶性盐NaBr粉末中，并将其置于真空炉中，以4℃/分钟的升温速度自室温升至1200℃，保温6小时后随炉冷却至室温，得到多孔碳/水溶性盐复合物；
4)氧化除碳：将多孔碳/水溶性盐复合物表面的盐层除去后置于马弗炉中，以20℃/min的升温速度自室温升至400℃，于空气气氛中氧化12小时，得到多孔盐体；
5)浸渍生物高分子溶液：利用真空/压力浸渍工艺，将固含量为10wt％的生物高分子溶液浸入多孔盐体中，然后在53℃真空干燥12小时，得到盐/生物高分子复合物；
所述的生物高分子溶液采用分子量为8万的聚乙交酯的二甲基亚砜溶液；
所述的真空/压力浸渍工艺是将多孔盐体置于浸渍罐中，先抽真空至10Pa以下并保持0.5小时，加入生物高分子溶液后，用空气将罐中压力升至10个大气压，并保持1小时
6)脱盐：将盐/生物高分子复合物置于30℃的蒸馏水中，利用超声或机械振荡方法去除水溶性盐，所用时间11小时，每1.5小时换水一次，经50℃干燥5h后得到孔隙率约为84％，孔径为40～70μm的蜂窝状多孔支架材料。
实施例5
1)植物组织模板处理：以松木为植物组织模板经成型加工后用体积浓度为9％的氨水浸泡20小时，浸泡期间进行缓慢搅拌，随后用蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥后备用；
2)真空碳化：将冷冻干燥后的植物组织模板置于真空炉中，以2℃/分钟的升温速度将炉温自室温升至650℃，保温2小时后随炉冷却至室温得到多孔碳体；
3)熔融渗盐：将多孔碳体包埋于粒径为200目的水溶性盐MgCl2粉末中，并将其置于真空炉中，以5℃/分钟的升温速度自室温升至1050℃，保温2小时后随炉冷却至室温，得到多孔碳/水溶性盐复合物；
4)氧化除碳：将多孔碳/水溶性盐复合物表面的盐层除去后置于马弗炉中，以15℃/min的升温速度自室温升至450℃，于空气气氛中氧化4小时，得到多孔盐体；
5)浸渍生物高分子溶液：利用真空/压力浸渍工艺，将固含量为20wt％的生物高分子溶液浸入多孔盐体中，然后在60℃真空干燥5小时，得到盐/生物高分子复合物；
所述的生物高分子溶液采用分子量为20万的聚乙丙交酯的二甲基甲酰胺溶液；
所述的真空/压力浸渍工艺是将多孔盐体置于浸渍罐中，先抽真空至10Pa以下并保持3小时，加入生物高分子溶液后，用空气将罐中压力升至7个大气压，并保持6小时
6)脱盐：将盐/生物高分子复合物置于30℃的蒸馏水中，利用超声或机械振荡方法去除水溶性盐，所用时间9小时，每1.5小时换水一次，经55℃干燥3h后得到孔隙率为76％，孔径为20～30μm的蜂窝状多孔支架材料。

Claims (6)

1.一种蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)植物组织模板处理：以具有蜂窝状孔结构的、蜂窝状孔径为10～200微米的植物组织为模板经成型加工后用体积浓度为5％～10％的氨水浸泡12～24小时，浸泡期间进行缓慢搅拌，随后用蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥后备用；
2)真空碳化：将冷冻干燥后的植物组织模板置于真空炉中，以0.2～2℃/分钟的升温速度将炉温自室温升至400～650℃，保温2～6小时后随炉冷却至室温得到多孔碳体；
3)熔融渗盐：将多孔碳体包埋于粒径为200目的水溶性盐粉末中，并将其置于真空炉中，以2～5℃/分钟的升温速度自室温升至900～1300℃，保温2～6小时后随炉冷却至室温，得到多孔碳/水溶性盐复合物；
4)氧化除碳：将多孔碳/水溶性盐复合物表面的盐层除去后置于马弗炉中，以5～20℃/min的升温速度自室温升至400～600℃，于空气气氛中氧化4～12小时，得到多孔盐体；
5)浸渍生物高分子溶液：利用真空/压力浸渍工艺，将固含量为5～20wt％的生物高分子溶液浸入多孔盐体中，然后在30～60℃真空干燥5～12小时，得到盐/生物高分子复合物；
6)脱盐：将盐/生物高分子复合物置于30℃的蒸馏水中，利用超声或机械振荡方法去除水溶性盐，所用时间8～12小时，每1.5小时换水一次，经45～55℃干燥3～6h后得到蜂窝状多孔支架材料。
2.根据权利要求1所述的蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料的制备方法，其特征在于：所述的具有蜂窝状孔结构的、蜂窝状孔径为10～200微米的植物组织为松木、椴木或紫藤。
3.根据权利要求1所述的蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料的制备方法，其特征在于：所述的水溶性盐为NaCl、KCl、NaBr、CaCl2或MgCl2。
4.根据权利要求1所述的蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料的制备方法，其特征在于：所述的真空/压力浸渍工艺是将多孔盐体置于浸渍罐中，先抽真空至10Pa以下并保持0.5～3小时，加入生物高分子溶液后，用氮气、氩气或空气将罐中压力升至5～10个大气压，并保持1～6小时后，在30～60℃真空干燥5～12小时，得到盐/生物高分子复合物。
5.根据权利要求1或4所述的蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料的制备方法，其特征在于：所述的生物高分子溶液的溶质即生物高分子材料采用分子量为5～30万的聚乙丙交酯、聚丙交酯、聚己内酯或聚乙交酯，溶剂采用有机溶剂氯仿、二氯甲烷、二氧六环、二甲基亚砜或二甲基甲酰胺。
6.一种如权利要求1所述的蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料的制备方法制成的蜂窝状聚合物基仿生多孔支架材料的孔隙率为70～95％，孔径为10～160μm。
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