CN102068716A - 组织工程支架的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种组织工程支架的制备方法，采用将有降解聚合物类纤维在超临界CO2中处理的方法，通过控制处理压力和处理温度，得到组织工程支架。由于超临界CO2具有一定溶剂性质，在可降解聚合物类纤维的表面产生微融化作用，当减压排出CO2后，接触的可降解聚合物类纤维之间表面融化部分固化交联在一起，从而形成具有良好力学性能的组织工程支架。因此，本发明提供的制备方法无需采用需溶剂和交联剂等即可完成较低温度状态下纤维间的交联与融合，不会产生细胞毒性。
Description
技术领域
本发明涉及组织工程技术领域，更具体地说，涉及一种组织工程支架的制备方法。
背景技术
组织工程学是应用细胞生物学、生物材料和工程学的原理，研究用于修复或改善人体病损组织或器官结构的生物活性替代物的一门科学，目的是修复和再生受损组织或器官，帮助病人恢复受损组织的功能。组织工程的基本原理和方法为，将从患者的软硬组织中获取的造骨细胞等放在培养液中培植将体外培养的高浓度组织细胞扩增后吸附于一种生物相容性良好并可被人体逐渐降解吸收的细胞外基质材料上。将基质材料形成预制的组织工程支架，为细胞提供生存的三维空间，有利于细胞获得足够的营养物质，进行新陈代谢，使细胞按预制形态的三维支架生长，形成细胞/生物材料复合物；然后将细胞/生物材料复合物植入患者所需部位。培植的细胞在组织工程支架降解吸收的过程中继续繁殖，形成了新的具有原来特殊功能的相应的组织和器官，从而达到修复组织外形和功能重建的目的。
对于组织工程支架而言，组织工程支架材料是组织缺损再生的关键。组织工程支架材料的孔隙率和孔隙大小是影响组织工程支架材料性能的重要因素。除了要求组织工程支架材料具有较高的孔隙率以外，对孔隙大小也有严格要求，孔隙太小，细胞无法进入孔隙或阻碍细胞繁殖和扩增；孔隙太大，细胞粘附不住，失去作为支架的作用。
常用的制备组织工程支架的方法有相分离法、溶液浇铸-粒子洗出法、纤维粘接法及气体发泡法等。但是，现有技术均采用交联剂或溶剂等使聚合物纤维之间交联在一起。现有技术中采用的溶剂以及交联剂等很难去除干净，从而在组织工程支架材料在使用时产生细胞毒性，引起周围组织炎性反应，破坏细胞及组织的生物活性，影响新组织的形成和修复效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种组织工程支架的制备方法，该方法无需溶剂和交联剂，制备得到组织工程支架。
本发明提供一种组织工程支架的制备方法，包括：
步骤a)将可降解聚合物进行纺丝，得到可降解聚合物类纤维；
步骤b)将所述可降解聚合物类纤维放入组织工程支架模具中，然后将装有降解聚合物类纤维的组织工程支架模具放入压力为7.38MPa～50MPa的超临界CO2中处理，控制处理温度为30～350℃，然后减压排出CO2，移除组织工程支架模具，得到组织工程支架。
优选的，所述处理温度为35～200℃。
优选的，所述处理温度为40～150℃。
优选的，所述处理时间为0.5～48小时。
优选的，所述处理压力为10MPa～30MPa。
优选的，所述排出CO2的温度为4～350℃。
优选的，所述排出CO2的温度为4～200℃。
优选的，所述排出CO2的时间为5秒～20分钟。
优选的，所述可降解聚合物包括聚乳酸、聚乳酸衍生物、聚丙交酯乙交酯、聚丙交酯乙交酯衍生物、聚乳酸与无机粒子复合物、聚己内酯、聚己内酯衍生物、聚碳酸酯和聚碳酸酯衍生物中的一种或几种。
优选的，所述纺丝的方法为熔体纺丝法、溶液纺丝法、熔融纺丝法、静电纺丝法、旋碟纺丝法或螺杆挤出法。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种组织工程支架的制备方法，采用将有降解聚合物类纤维在超临界CO2中处理的方法，通过控制处理压力和处理温度，得到组织工程支架。由于超临界CO2具有一定溶剂性质，在可降解聚合物类纤维的表面产生微融化作用，当减压排出CO2后，接触的可降解聚合物类纤维之间表面融化部分固化交联在一起，从而形成具有良好力学性能的组织工程支架。因此，本发明提供的制备方法无需采用需溶剂和交联剂等即可完成较低温度状态下纤维间的交联与融合，不会产生细胞毒性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例采用的处理装置示意图；
图2为本发明实施例1制备的组织工程支架的场发射扫描电镜图片；
图3为本发明实施例2制备的组织工程支架的场发射扫描电镜图片；
图4为本发明实施例3制备的组织工程支架的场发射扫描电镜图片；
图5为本发明实施例4制备的组织工程支架的场发射扫描电镜图片；
图6为本发明实施例5制备的组织工程支架的场发射扫描电镜图片；
图7为本发明实施例6制备的组织工程支架的场发射扫描电镜图片；
图8为本发明实施例7制备的组织工程支架的场发射扫描电镜图片；
图9为本发明实施例8制备的组织工程支架的场发射扫描电镜图片；
图10为本发明实施例9制备的组织工程支架的场发射扫描电镜图片；
图11为本发明实施例10制备的组织工程支架的场发射扫描电镜图片；
图12为本发明实施例10制备的组织工程支架的截面图；
图13为本发明实施例10制备的组织工程支架的整体形貌图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种组织工程支架的制备方法，包括：
步骤a)将可降解聚合物进行纺丝，得到可降解聚合物类纤维；
步骤b)将所述可降解聚合物类纤维放入组织工程支架模具中，然后将装有降解聚合物类纤维的组织工程支架模具放入压力为7.38MPa～50MPa的超临界CO2中处理，控制处理温度为30～350℃，然后减压排出CO2，移除组织工程支架模具，得到组织工程支架。
所述可降解聚合物包括所述可降解聚合物包括聚乳酸、聚乳酸衍生物、聚丙交酯乙交酯、聚丙交酯乙交酯衍生物、聚乳酸与无机粒子复合物、聚己内酯、聚己内酯衍生物、聚碳酸酯和聚碳酸酯衍生物中的一种或几种，当可降解聚合物为上述物质中的几种时，本发明对所述物质之间的比例无特别限制。
所述步骤a)中所述纺丝的方法优选为：熔体纺丝法、溶液纺丝法、熔融纺丝法、静电纺丝法、旋碟纺丝法或螺杆挤出法。
本发明优选采用如图1所示的处理装置，包括二氧化碳钢瓶101、超临界流体泵102、反应釜103、油浴锅104和压力表105。
按照本发明，优选将步骤a)得到的降解聚合物类纤维置于组织工程支架的中空管状模具中，将所述装有降解聚合物类纤维的组织工程支架的中空管状模具放入高压反应釜103中。本方法可以采用不同组织工程支架模具直接制备出所需形态的三维支架，解决了支架后期加工塑形过程中产生的损伤和对机械强度的破坏的问题。所述步骤b)中处理温度优选为35～200℃，更优选为40～150℃，最优选为35～80℃。所述处理时间优选为0.5～48小时，更优选为2～30小时，最优选为5～30小时。
所述调节处理压力优选采用如下方法调节：打开二氧化碳钢瓶101的气阀，打开超临界流体泵102及反应釜103进气阀，关闭反应釜103的放气阀；向反应釜103中通入超临界CO2，并反复换气数次；调节超临界流体泵输出CO2压力为恒压7.38MPa～50MPa。所述处理压力优选为10MPa～30MPa，更优选为12MPa～25MPa。所述处理温度和处理压力与可降解聚合物类纤维熔融状态相关，通过控制处理温度和处理压力等条件，使超临界CO2具有一定溶剂性质，在可降解聚合物类纤维的表面产生微融化作用。
处理结束后减压排出CO2，所述排出CO2的温度为4～350℃，优选为4～100℃，更优选为4～80℃。所述处理后减压排出CO2的时间为5秒～20分钟，优选为1～20分钟，更优选为2～10分钟。所述减压排出CO2时间和减压排出CO2的温度与可降解聚合物类纤维形成的微孔结构的尺寸与密度有关。
本发明采用的超临界CO2具有与液体相近的密度，因而有很强的溶剂强度，同时具有与气体相近的粘度以及良好的流动性，传质系数也比液体大得多，超临界CO2的流体密度、溶剂强度和粘度等性能均可通过改变压力和温度等调节。因此，本发明通过控制处理温度和处理压力等条件，使超临界CO2具有一定溶剂性质，在可降解聚合物类纤维的表面产生微融化作用，当减压排出CO2后，接触的可降解聚合物类纤维之间表面融化部分固化交联在一起，从而形成具有良好力学性能的组织工程支架。
本发明制备的组织工程支架具有不同孔隙大小及孔隙率，并且组织工程支架表面形成一定的粗糙度的微细孔洞，该微细孔洞适合细胞粘附与生长增殖，有利于蛋白质吸附和细胞外基质沉积、与周围组织融合和组织液与各种营养物质的传递与交换，更适合微细血管的形成等。
本发明提供了一种组织工程支架的制备方法，采用将有降解聚合物类纤维在超临界CO2中处理的方法，通过控制处理压力和处理温度，得到组织工程支架。由于超临界CO2具有一定溶剂性质，在可降解聚合物类纤维的表面产生微融化作用，当减压排出CO2后，接触的可降解聚合物类纤维之间表面融化部分固化交联在一起，从而形成具有良好力学性能的组织工程支架。因此，本发明提供的制备方法无需采用需溶剂和交联剂等即可完成较低温度状态下纤维间的交联与融合，不会产生细胞毒性。
此外，处于超临界CO2中的可降解聚合物类纤维熔点较低，本发明可以在较低温度下实现可降解聚合物类纤维之间发生部分交联，增加了纤维的稳定性与支架的强度。并且，本方法可以采用不同模具直接制备出所需形态的三维支架，解决了支架后期加工塑形过程中产生的损伤和对机械强度的破坏的问题。
为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
采用熔体纺丝法对聚乳酸(PLA)进行纺丝，得到聚乳酸纤维；
将所述聚乳酸纤维放入组织工程支架的中空管状模具中，然后将组织工程支架的中空管状模具放入高压反应釜103中，将反应釜103放入油浴锅中，调节温度恒温至55℃；
打开二氧化碳钢瓶101的气阀，打开临界流体泵102及反应釜103的进气阀，关闭反应釜103的放气阀，向反应釜中通入超临界CO2，并反复换气3次，调节超临界流体泵输出CO2压力恒压至20MPa，保持反应釜恒温55℃，恒压20MPa，处理1小时；
处理结束后减压排出CO2，控制时间为1分钟，减压时的温度控制在70℃，得到组织工程支架；
取出所述组织工程支架，真空干燥，利用场发射扫描电镜(ESEM)对制备的组织工程支架进行检测，如图2所示。
实施例2
采用熔体纺丝法对接枝10％羟基磷灰石的聚丙交酯乙交酯(10％HA/PGLA)进行纺丝；
将所述纺丝得到的产物放入组织工程支架的中空管状模具中，然后将组织工程支架的中空管状模具放入高压反应釜103中，将反应釜103放入油浴锅中，调节温度恒温至50℃；
打开二氧化碳钢瓶101的气阀，打开临界流体泵102及反应釜103的进气阀，关闭反应釜103的放气阀，向反应釜中通入超临界CO2，并反复换气4次，调节超临界流体泵输出CO2压力恒压至20MPa，保持反应釜恒温50℃，恒压20MPa，处理1小时；
处理结束后减压排出CO2，控制时间为10分钟，减压时的温度控制在60℃，得到组织工程支架；
取出所述组织工程支架，真空干燥，利用场发射扫描电镜(ESEM)对制备的组织工程支架进行检测，如图3所示。
实施例3
采用熔体纺丝法对聚丙交酯乙交酯(PLGA)进行纺丝，得到聚丙交酯乙交酯纤维；
将所述聚丙交酯乙交酯纤维放入组织工程支架的中空管状模具中，然后将组织工程支架的中空管状模具放入高压反应釜103中，将反应釜103放入油浴锅中，调节温度恒温至45℃；
打开二氧化碳钢瓶101的气阀，打开临界流体泵102及反应釜103的进气阀，关闭反应釜103的放气阀，向反应釜中通入超临界CO2，并反复换气3次，调节超临界流体泵输出CO2压力恒压至20MPa，保持反应釜恒温45℃，恒压20MPa，处理5小时；
处理结束后减压排出CO2，控制时间为2分钟，减压时的温度控制在85℃，得到组织工程支架；
取出所述组织工程支架，真空干燥，利用场发射扫描电镜(ESEM)对制备的组织工程支架进行检测，如图4所示。
实施例4.
采用静电纺丝法对聚丙交酯乙交酯(PLGA)进行纺丝，聚丙交酯乙交酯纤维；
将所述聚丙交酯乙交酯纤维放入组织工程支架的中空管状模具中，然后将组织工程支架的中空管状模具放入高压反应釜103中，将反应釜103放入油浴锅中，调节温度恒温至45℃；
打开二氧化碳钢瓶101的气阀，打开临界流体泵102及反应釜103的进气阀，关闭反应釜103的放气阀，向反应釜中通入超临界CO2，并反复换气3次，调节超临界流体泵输出CO2压力恒压至20MPa，保持反应釜恒温45℃，恒压20MPa，处理2小时；
处理结束后减压排出CO2，控制时间为5分钟，减压时的温度控制在55℃，得到组织工程支架；
取出所述组织工程支架，真空干燥，利用场发射扫描电镜(ESEM)对制备的组织工程支架进行检测，如图5所示。
实施例5.
采用旋碟纺丝法对聚丙交酯乙交酯(PLGA)进行纺丝，得到聚丙交酯乙交酯纤维；
将所述聚丙交酯乙交酯纤维放入组织工程支架的中空管状模具中，然后将组织工程支架的中空管状模具放入高压反应釜103中，将反应釜103放入油浴锅中，调节温度恒温至50℃；
打开二氧化碳钢瓶101的气阀，打开临界流体泵102及反应釜103的进气阀，关闭反应釜103的放气阀，向反应釜中通入超临界CO2，并反复换气5次，调节超临界流体泵输出CO2压力恒压至25MPa，保持反应釜恒温50℃，恒压25MPa，处理4小时；
处理结束后减压排出CO2，控制时间为1分钟，减压时的温度控制在70℃，得到组织工程支架；
取出所述组织工程支架，真空干燥，利用场发射扫描电镜(ESEM)对制备的组织工程支架进行检测，如图6所示。
实施例6
采用熔体纺丝法对接枝1％羟基磷灰石的聚丙交酯乙交酯(1％HA/PLGA)进行纺丝；
将所述纺丝得到的产物放入组织工程支架的中空管状模具中，然后将组织工程支架的中空管状模具放入高压反应釜103中，将反应釜103放入油浴锅中，调节温度恒温至50℃；
打开二氧化碳钢瓶101的气阀，打开临界流体泵102及反应釜103的进气阀，关闭反应釜103的放气阀，向反应釜中通入超临界CO2，并反复换气4次，调节超临界流体泵输出CO2压力恒压至20MPa，保持反应釜恒温50℃，恒压20MPa，处理1小时；
处理结束后减压排出CO2，控制时间为10分钟，减压时的温度控制在60℃，得到组织工程支架；
取出所述组织工程支架，真空干燥，利用场发射扫描电镜(ESEM)对制备的组织工程支架进行检测，如图7所示。
实施例7
采用熔体纺丝法对接枝5％羟基磷灰石的聚丙交酯乙交酯(5％HA/PLGA)进行纺丝；
将所述纺丝得到的产物放入组织工程支架的中空管状模具中，然后将组织工程支架的中空管状模具放入高压反应釜103中，将反应釜103放入油浴锅中，调节温度恒温至50℃；
打开二氧化碳钢瓶101的气阀，打开临界流体泵102及反应釜103的进气阀，关闭反应釜103的放气阀，向反应釜中通入超临界CO2，并反复换气3次，调节超临界流体泵输出CO2压力恒压至20MPa，保持反应釜恒温50℃，恒压20MPa，处理1小时；
处理结束后减压排出CO2，控制时间为10分钟，减压时的温度控制在60℃，得到组织工程支架；
取出所述组织工程支架，真空干燥，利用场发射扫描电镜(ESEM)对制备的组织工程支架进行检测，如图8所示。
实施例8
采用熔体纺丝法对接枝10％羟基磷灰石的聚乳酸(10％HA/PLA)进行纺丝；
将所述纺丝得到的产物放入组织工程支架的中空管状模具中，然后将组织工程支架的中空管状模具放入高压反应釜103中，将反应釜103放入油浴锅中，调节温度恒温至50℃；
打开二氧化碳钢瓶101的气阀，打开临界流体泵102及反应釜103的进气阀，关闭反应釜103的放气阀，向反应釜中通入超临界CO2，并反复换气3次，调节超临界流体泵输出CO2压力恒压至20MPa，保持反应釜恒温50℃，恒压20MPa，处理1小时；
处理结束后减压排出CO2，控制时间为10分钟，减压时的温度控制在60℃，得到组织工程支架；
取出所述组织工程支架，真空干燥，利用场发射扫描电镜(ESEM)对制备的组织工程支架进行检测，如图9所示。
实施例9
采用螺杆挤出成丝法对聚丙交酯乙交酯(PLGA)进行纺丝，得到聚丙交酯乙交酯纤维；
将所述聚丙交酯乙交酯纤维放入组织工程支架的中空管状模具中，然后将组织工程支架的中空管状模具放入高压反应釜103中，将反应釜103放入油浴锅中，调节温度恒温至40℃；
打开二氧化碳钢瓶101的气阀，打开临界流体泵102及反应釜103的进气阀，关闭反应釜103的放气阀，向反应釜中通入超临界CO2，并反复换气3次，调节超临界流体泵输出CO2压力恒压至20MPa，保持反应釜恒温40℃，恒压20MPa，处理1小时；
处理结束后减压排出CO2，控制时间为10分钟，减压时的温度控制在60℃，得到组织工程支架；
取出所述组织工程支架，真空干燥，利用场发射扫描电镜(ESEM)对制备的组织工程支架进行检测，如图10所示。
实施例10
采用熔融纺丝法对聚丙交酯乙交酯(PLGA)进行纺丝，聚丙交酯乙交酯纤维；
向所述聚丙交酯乙交酯纤维中加入1mg骨形态蛋白-4(BMP-4)，得到混合物，将混合物放入组织工程支架的中空管状模具中，然后将组织工程支架的中空管状模具放入高压反应釜103中，将反应釜103放入油浴锅中，调节温度恒温至45℃；
打开二氧化碳钢瓶101的气阀，打开临界流体泵102及反应釜103的进气阀，关闭反应釜103的放气阀，向反应釜中通入超临界CO2，并反复换气3次，调节超临界流体泵输出CO2压力恒压至10MPa，保持反应釜恒温40℃，调节反应釜恒压50MPa，处理6小时；
处理结束后减压排出CO2，控制时间为1分钟，减压时的温度控制在40℃，得到组织工程支架；
取出所述组织工程支架，真空干燥，利用场发射扫描电镜(ESEM)对制备的组织工程支架进行检测，如图11所示。如图12所示，为本实施例制备的组织工程支架的截面图，如图13所示，为本实施例制备的组织工程支架的整体形貌图。
分别取以实施例2、实施例6、实施例7和实施例3为原料，采用粒子沥滤法制备的组织工程支架，对上述粒子沥滤法制备的组织工程支架和本发明制备的组织工程支架进行力学性能测定结果如表1和表2所示。
表1三点弯曲测定的组织工程支架的力学性能结果
表2组织工程支架的压缩性能结果
实验结果表明，本发明提供的制备方法无需采用需溶剂和交联剂等即可完成较低温度状态下纤维间的交联与融合，制备得到组织工程支架，该组织工程支架无细胞毒性，并具有良好的力学性能。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种组织工程支架的制备方法，其特征在于，包括：
步骤a)将可降解聚合物进行纺丝，得到可降解聚合物类纤维；
步骤b)将所述可降解聚合物类纤维放入组织工程支架模具中，然后将装有降解聚合物类纤维的组织工程支架模具放入压力为7.38MPa～50MPa的超临界CO2中处理，控制处理温度为30～350℃，然后减压排出CO2，移除组织工程支架模具，得到组织工程支架。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述处理温度为35～200℃。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述处理温度为40～150℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述处理时间为0.5～48小时。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述处理压力为10MPa～30MPa。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述排出CO2的温度为4～350℃。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述排出CO2的温度为4～200℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述排出CO2的时间为5秒～20分钟。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述可降解聚合物包括聚乳酸、聚乳酸衍生物、聚丙交酯乙交酯、聚丙交酯乙交酯衍生物、聚乳酸与无机粒子复合物、聚己内酯、聚己内酯衍生物、聚碳酸酯和聚碳酸酯衍生物中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝的方法为熔体纺丝法、溶液纺丝法、熔融纺丝法、静电纺丝法、旋碟纺丝法或螺杆挤出法。
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