CN102188749A

CN102188749A - 一种具有介孔生物玻璃涂层的三维多孔支架及其制备方法

Info

Publication number: CN102188749A
Application number: CN2010101208850A
Authority: CN
Inventors: 朱敏; 施剑林
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-21

Abstract

本发明涉及一种具有介孔生物玻璃涂层的三维多孔支架及其制备方法。运用冷冻萃取技术制备聚合物多孔支架基体，通过浸渍介孔生物玻璃的前驱体溶胶，经过挥发诱导自组装，合成了一类新型的具有介孔生物玻璃涂层的组织工程用三维多孔复合支架。本发明制备工艺简便易行，成本低，效率高，易于操作，所制得的具有介孔生物玻璃涂层的三维多孔复合支架适宜于药物的担载和缓释，以及杀菌、诱导细胞粘附和增殖，在组织工程领域具有广阔的应用前景。

Description

一种具有介孔生物玻璃涂层的三维多孔支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有介孔生物玻璃涂层的三维多孔支架及其制备方法，属于组织工程用支架材料与介孔材料领域。

背景技术

在当前医药领域，组织再生技术作为新一代的医疗技术，引起了各学科科学家们的广泛兴趣和研究。组织再生治疗技术主要依托于由生物可降解材料制备的多孔支架，将细胞种植到支架上以后进行体外培养扩增，最终生成的组织或器官植入到体内病损部位，以达到无损伤修复创伤和重建功能的目的(M.J.Mondrnos，Biomaterials，2006(27)：4399-4408)。

三维多孔支架在组织重建的过程中，为细胞提供生长繁衍的空间，提供获取营养、气体交换、排出废物的环境，因此支架材料除了必须具有可降解性，生物相容性，还同时要有合适的空隙和三维结构，要有促进细胞粘附生长的表面性质。

目前人工合成支架材料的研究集中于聚合物和生物陶瓷两类。其中聚合物柔韧性好，可塑性较强，但一般纯的人工合成可降解聚合物难以在体内与骨组织直接键和；且亲水性较差，不利于细胞粘附；降解较慢，且降解产物为酸性物质；力学轻度也较弱(V.V.Seregin，Biomaterials，2006(27)：4745-4754)。为克服以上缺点，主要采取将聚合物与生物陶瓷材料复合的方法(Y.F.Zhou，JBiomed Mater Res，2006(77A)：183-193)。介孔生物玻璃由于比表面积大，其生物活性较传统的生物陶瓷有很大的提高。因而介孔材料的复合很有研究价值。

介孔材料用于药物传输已经有较为深入的研究报道。可控的孔道结构和比表面积可以实现对药物的缓释效果。而支架在植入体内的过程中常常会引发感染及炎症，因此引入介孔材料到支架上，可以达到双重的治疗作用：组织再建和抗炎杀菌，使组织修复的治疗方法更全面更安全(M.Vallet-Regi，Chem.Eur.J.2006，(12)：5934-5943)。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型的具有介孔生物玻璃涂层的聚合物支架及其制备方法。通过介孔生物玻璃涂层引入到三维聚合物支架的大孔表面，有效增加支架的亲水性能，改善支架的细胞亲和性及力学性能，并且同时具备有效担载与传输抗炎类药物的功能，实现支架与药物载体的双效作用。

制备本发明的具有介孔生物玻璃涂层的聚合物支架的方法包括以下步骤：

(1)三维多孔聚合物支架基体的制备：

(a)将聚合物溶解于相应的有机溶剂，制成质量分数为1-10％的聚合物溶液。所述的有机溶剂可以是二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃、二甲亚砜、1，4-二氧六环。所述的聚合物具有生物可降解性，可以是聚乳酸(PLLA)、乙醇酸和丙醇酸的共聚物(PLGA)、聚己内酯(PCL)和聚丙醇酸(PGA)，其中优选PLLA；

(b)将(a)中所述的聚合物溶液倾倒到聚四氟乙烯模具中，在-20℃～-196℃环境中冷冻成型；

(c)将聚四氟乙烯模具浸没到-20℃～-196℃的质量分数为30％～80％的乙醇水溶液中，萃取；

(d)取出聚四氟乙烯模具，在通风橱中室温下干燥24小时，再于室温下真空干燥8～24小时，即制得具有三维多孔网络结构的聚合物支架基体。

(2)生物活性介孔玻璃涂层的制备：

(e)将0.5～2mmol嵌段共聚物非离子表面活性剂完全溶解到盐酸中，然后加入无水乙醇。采用的嵌段共聚物非离子表面活性剂可以是P123、P105、P104、P103、P85、P84、P75、P65、P38、F127、F108、F98、F88、F87、F77、F68、F38、L122、L121、L101、L92、L81、L72、L65、L64、L63、L62、L61、L44、L43、L42、L35、L31和FC-4，其中优选P123和F127；

(f)向(e)所述体系中依次加入无机硅(TEOS、TMOS、Na₂SiO₃等)钙源(Ca(NO₃)₂·4H₂O、CaCl₂、泛酸钙等)和磷源(TEP、DEP等)，在室温下搅拌1天，即得介孔生物玻璃的前驱体溶胶；

(g)将(d)中所述的聚合物支架基体浸没到(f)中所述的介孔生物玻璃的前驱体溶胶中，静置3～10min后，然后在室温下通风橱中干燥6～12h。重复上述过程3～10次，然后真空干燥24～48小时；

(h)将(g)中所述的支架加入到盐酸的乙醇溶液中，在80℃下回流8～24小时以去除表面活性剂，然后过滤、洗涤并干燥。即得具有介孔生物玻璃涂层的聚合物支架。

复合支架的药物装载和释放实验：将0.1g(h)中所述的具有介孔生物玻璃涂层的聚合物支架浸没在25mL 30mg/mL的庆大霉素水溶液中浸泡3天。吸取2mL上层清液，用紫外可见分光光度计测试庆大霉素在特征波长(256nm)下的吸收值，根据标准曲线确定支架的庆大霉素载药量。0.1g载有药物的介孔生物玻璃涂层支架加入到10mL新鲜配制的SBF模拟体液中(pH＝7.4)，放在摇床中于37℃和100r/min的条件下释放。选取不同的时间点吸取2mL上层清液进行紫外可见吸收的测试，并向释放液中补充同体积的2mL新鲜SBF介质。累计释放量根据溶液中药物浓度确定，浓度由以下方程计算：Ctcorr(mol/L)＝Ct+(v/V)∑Ct，其中Ctcorr是指某一时间释放介质中庆大霉素的真实浓度，Ct是指某一时间的测量浓度，v和V分别是指抽取的释放介质和总释放介质的体积。

运用挥发诱导自组装方法引入介孔生物玻璃涂层的支架，空隙率可以在10％-90％之间可控，聚合物支架的水接触角从涂覆介孔生物活性玻璃前的70～80°降低到25～35°，从而大大促进了细胞粘附和增殖。介孔生物活性玻璃可装载40％质量分数的药物分子，并达到缓释的目的。

附图说明

图1是实施实例1的扫描电镜照片，(a)、(b)为聚乳酸支架基体照片，(c)、(d)为具有介孔生物玻璃涂层的聚乳酸支架照片，显示了聚合物支架基体在涂覆介孔生物玻璃涂层前后在表面结构和特性上的区别。

图2(a)、(b)、(c)、(d)分别是实施例1、6、7和8中复合支架的透射电镜照片，显示了该复合支架材料的介孔生物玻璃涂层具有有序的介孔结构。

图3是实施例1中具有介孔生物玻璃涂层的聚乳酸支架煅烧除去聚乳酸后的氮气吸附-脱附等温曲线，表明该介孔生物玻璃涂层具有高的比表面积(407m²/g)、大的孔容(0.34cm³/g)和孔径(4.38nm)以及窄的孔径分布。

图4是实施例1、2、3的小角X-ray衍射图，图中明显的衍射峰，代表了六方结构的晶面，表明该材料具有二维六方有序孔道结构。

图5是实施例4中复合支架浸渍SBF后表面类骨磷灰石生长情况的SEM照片。表明涂覆介孔生物玻璃涂层的聚乳酸支架具有良好的生物活性。

图6是实施例4中具有介孔生物玻璃涂层的聚乳酸支架浸渍SBF后的X-ray衍射图谱，表明支架上有类骨磷灰石生长，表明复合支架具有很好的生物活性。

图7是实施例5复合支架的庆大霉素释放曲线。表明具有介孔生物玻璃涂层的聚乳酸支架可以起到缓释药物的作用。

具体实施方式

实施例1：介孔生物活性玻璃M80S涂层聚乳酸支架PM-3的制备

将0.3克聚乳酸(PLLA)溶解到10毫升1，4-二氧六环中，制成3％质量分数的透明溶液。将此溶液倒入聚四氟乙烯模具中，立即放置到-20℃的冰箱中冷冻24小时。将模具浸没在-20℃的80％乙醇水溶液中，萃取3天，每8小时换液一次。萃取完毕，脱模，放到通风橱中，室温干燥1天后，真空室温干燥过夜。

将4.0克三嵌段共聚物P123加入到1克0.5M的盐酸和60克无水乙醇中，完全溶解后，按照摩尔比Si/Ca/P＝16∶3∶1依次加入6.7克TEOS、1.4克Ca(NO3)2·4H2O和0.73克TEP，室温搅拌一天，即得介孔生物活性玻璃M80S的前驱体溶胶。

将干燥的PLLA支架完全浸入到M80S的前驱体溶胶中，10分钟后取出，用镊子轻轻挤压，除去多余的溶胶，放到通风橱中挥发诱导自组装12小时。重复上述操作3次。最后真空干燥24小时。按质量百分比浓度1％，将复合支架加入到1％的盐酸的乙醇溶液中，在80℃回流萃取24小时，每8小时换一次新鲜的1％的盐酸的乙醇溶液。最后真空室温干燥过夜，即得PM-3复合支架。

得到的纯聚乳酸支架呈现三维大孔结构，孔尺寸分布在80-200微米之间，孔道贯通性较好。在涂覆介孔玻璃涂层以后得到的PM-3复合支架，保持了支架的三维贯通孔道结构，但大孔尺寸明显减小，在60-150微米之间。在涂覆介孔玻璃涂层以后，支架的大孔表面变得更加粗糙，并发生轻微地龟裂(如图1所示)。介孔玻璃涂层具有典型的二维六方有序结构(如图2和图3所示)

实施例2：介孔生物活性玻璃M80S涂层聚乳酸支架PM-6的制备

按照实施例1的步骤和原料配比制备聚乳酸支架，配制好M80S的前驱体溶胶。聚乳酸支架浸渍和挥发自组装过程重复6次后萃取干燥。介孔玻璃涂层的有序六方结构保持不变，复合支架中的无机组分质量分数增加至40％，支架空隙率降低到63.7±1.2％(如表1)。

介孔生物活性玻璃M80S涂层聚乳酸支架PM-6的生物活性检测：

新鲜配制的模拟体液SBF具有与人体血浆类似的离子浓度。取SBF一定体积装入聚乙烯的容器中，支架浸渍到SBF里，37℃，分别保持6小时、1天、3天。从液体取出后，用丙酮轻轻漂洗，室温干燥。如图4所示，针状类骨磷灰石晶粒组成球状颗粒，铺满支架的墙壁表面。随着浸渍时间的增加，该类骨磷灰石层厚度增加(如图5)，晶粒长度增长。

介孔生物活性玻璃M80S涂层聚乳酸支架PM-6的药物装载与释放：

庆大霉素的担载量约占介孔玻璃涂层质量的47.02％。如图6所示，在前10小时内突释，药物释放量达到60％，且药物累计释放量与时间的平方根成线性关系，表明该过程遵循Fick扩散机理。这个突释阶段的存在可归因于位于介孔孔道外表面和支架表面的庆大霉素分子的释放。后面的持续缓释过程主要是存在于介孔孔道内部药物分子的释放。

表1、实施例1、2、3的孔隙率，表明复合支架的孔隙率具有可控性。

scaffold	PLLA	PM-3	PM-6	PM-9
					Porosity％	91.8±1.1	83.2±1.4	63.7±1.2	52.4±1.7

实施例3：介孔生物活性玻璃M80S涂层聚乳酸支架PM-9的制备

按照实施例1的步骤和原料配比制备聚乳酸支架，配制好M80S的前驱体溶胶。聚乳酸支架浸渍和挥发自组装过程重复9次后萃取干燥。介孔玻璃涂层的有序六方结构保持不变，复合支架中的无机组分质量分数增加至50％，支架空隙率降低到52.4％(如表1)。

实施实例4：介孔生物活性玻璃M80S涂层聚(乙醇酸-丙醇酸)共聚物(PLGA)支架的制备

将0.3克PLGA溶解到10毫升1，4-二氧六环中，形成3％质量分数的透明溶液，将溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，立即放置到-20℃的冰箱中冷冻24小时。将模具浸没在-20℃的30％的乙醇水溶液中萃取3天，每8小时换液一次。萃取完毕，脱模，放到通风橱中，室温干燥1天后。真空室温干燥过夜。

将4.0克三嵌段共聚物P123加入到1克0.5M的盐酸和60克无水乙醇中，完全溶解后，按照摩尔比Si/Ca/P＝80∶15∶5依次添加：6.7克TEOS，1.4克Ca(NO₃)2·4H₂O，0.73克TEP，室温搅拌一天，即得介孔生物活性玻璃M80S的前驱体溶胶。

将干燥的支架完全浸入M80S的前驱体溶胶中，10分钟后取出，用镊子轻轻挤压，除去多余的溶胶。放到通风橱中挥发诱导自组装12小时。重复上述过程3次。最后真空干燥24小时。按质量百分比浓度1％，将复合支架加入到1％的盐酸的乙醇溶液中，在80℃回流萃取24小时，每8小时换一次新鲜的1％的盐酸的乙醇溶液。最后真空室温干燥过夜，即得PLGA/M80S复合支架。

得到的PLGA三维多孔支架具有80-200微米的连通大孔结构，与介孔生物玻璃复合后形貌结构保持不变，孔尺寸略有减小。

实施例5：介孔生物活性玻璃M80S涂层聚己内酯(PCL)支架的制备

按照实施实例1的步骤，将聚己内酯溶解到四氢呋喃配制3wt％的有机物溶液，在80wt％的乙醇水溶液中冷冻萃取。得到的PCL三维多孔支架具有80-200微米的连通大孔结构，与介孔生物玻璃复合后形貌结构保持不变，孔尺寸略有减小。

实施例6：介孔生物活性玻璃M80S涂层聚丙醇酸(PGA)支架的制备

按照实施实例4的步骤，将聚丙醇酸溶解到1，4-二氧六环中配制3wt％的有机物溶液，在30wt％的乙醇水溶液中冷冻萃取。得到的PGA三维多孔支架具有80-200微米的连通大孔结构，与介孔生物玻璃复合后形貌结构保持不变，孔尺寸略有减小。

Claims

1.一种制备具有介孔生物活性玻璃涂层的三维多孔支架的方法。其特征在于包括以下步骤：

(1)三维多孔聚合物支架基体的制备：

(a)将聚合物溶解于相应的有机溶剂，制成质量分数为3％的聚合物溶液。所述的有机溶剂可以是二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃、二甲亚砜、1，4-二氧六环。所述的聚合物具有生物可降解性，可以是聚乳酸(PLLA)、乙醇酸和丙醇酸的共聚物(PLGA)、聚己内酯(PCL)和聚丙醇酸(PGA)，其中优选PLLA；

(c)将聚四氟乙烯模具浸没到-20℃～-196℃的质量分数为30％～80％的乙醇水溶液中，萃取24小时；

(2)生物活性介孔玻璃涂层的制备：

(e)将0.5～2mmol嵌段共聚物非离子表面活性剂完全溶解到1g 0.5M的盐酸中，然后加入60g无水乙醇。采用的嵌段共聚物非离子表面活性剂可以是P123、P105、P104、P103、P85、P84、P75、P65、P38、F127、F108、F98、F88、F87、F77、F68、F38、L122、L121、L101、L92、L81、L72、L65、L64、L63、L62、L61、L44、L43、L42、L35、L31和FC-4，其中优选P123和F127；

(f)然后根据摩尔比Ca∶Si∶P＝16∶3∶1的比例向体系中依次加入正硅酸乙酯(TEOS)、Ca(NO₃)₂？？4H₂O和磷酸三乙酯(TEP)，在室温下搅拌1天，即得介孔生物玻璃的前驱体溶胶；

(g)将(d)中所述的聚合物支架基体浸没到(f)中所述的介孔生物玻璃的前驱体溶胶中，静置3～15min后，然后在室温下通风橱中干燥。重复上述过程3～10次，然后真空干燥；

(h)将(g)中所述的支架加入到盐酸的乙醇溶液(1.0g支架/1g盐酸/100ml无水乙醇)中，在80℃下回流8～24小时以去除表面活性剂，然后过滤、洗涤并干燥。即得具有介孔生物玻璃涂层的聚合物支架。

2.按照权利要求1所述的具有介孔生物玻璃涂层的聚合物支架的制备方法，其特征在于：可以通过控制介孔生物玻璃的前驱体溶胶的浸渍次数实现支架的孔隙率在30％～90％间可控。

3.按照权利要求1所述的具有介孔生物玻璃涂层的聚合物支架的制备方法，其特征在于：可以通过改变介孔生物活性玻璃的组成，诱导类骨羟基磷灰石在支架上生长，有利于与原来骨组织的结合。随着浸渍时间的增长，生长羟基磷灰石的量增加。

4.按照权利要求1所述的具有介孔生物玻璃涂层的聚合物支架，其特征在于：介孔生物活性玻璃涂层改善了聚合物支架的亲水性能和细胞粘附性能，使聚合物支架的水接触角从涂覆介孔生物活性玻璃前的70～80°降低到25～35°。

5.按照权利要求1所述的具有介孔生物玻璃涂层的聚合物支架，其特征在于：介孔生物活性玻璃涂层，可用于药物的装载和缓释。药物装载量可达到介孔生物玻璃涂层质量的45％，缓释时间可长达14天到一个月。