CN104740688A - 一种微球堆积型形状记忆多孔支架的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微球堆积型形状记忆多孔支架的制备方法，在具有形状记忆功能的材料中通过致孔剂和药物的作用形成药物携载和多孔结构而制备具有形状记忆功能和药物功能的多孔支架，经1)载药海藻酸钙水凝胶微球的制备和2)多孔结构的制备步骤制得载有药物因子的多孔支架材料。制得的多孔支架具有良好的形状记忆性、生物相容性和生物降解性能，还具有药物缓释功能，在组织工程方面将有极大的应用前景。经试验证明本发明制备方法具有孔径可控且大小均一，无需牺牲致孔材料，原料低廉易得等优点。

Description

一种微球堆积型形状记忆多孔支架的制备方法

技术领域

本发明涉及生物材料及功能高分子材料，尤其涉及一种微球堆积型载药形状记忆多孔支架的制备方法，而且将形状记忆功能与组织工程与药物控释功能结合到一起，主要用于微创植入手术，促进骨组织生长的生物材料领域。

背景技术

形状记忆聚合物(SMPs)是一类新型功能高分子材料。SMPs能够在适当的刺激条件(如温度、光、电磁或溶剂等)下，响应环境变化，而相应发生形状转变的聚合物。形状记忆聚氨酯一般由软段和硬段组成，软段主要是由聚酯多元醇或聚醚多元醇组成，硬段通常包括二异氰酸酯和扩链剂部分。因此通过调节形状记忆聚氨酯软硬段的比例可以调节材料的转变温度，使得材料的转变温度在人体体温37℃附近。同时形状记忆聚氨酯还具有较好的机械性能、良好的血液相容性，使得形状记忆聚氨酯材料在生物医学领域具有广泛的应用前景。现在已经应用在导尿管、骨折固定、药物释放、矫形外科等方面。

组织工程是一个涉及生物学、化学、医学、材料学等多学科多领域的交叉研究课题。在组织工程中，支架材料的选择和支架的构建是其中的关键环节。良好的支架材料需要具有一定的稳定性，例如长方体、立方体、圆柱体等，以便于植入体内后形成一个较固定的新生组织生长空间，但临床上很多缺损为非规则性缺损，形状固定的材料很难完整的修复缺损空间。基于上述原因，可降解的SMPs以其灵活的可变型性，可适应不同形状的缺损的同时达到微创手术的目的。

理想的组织工程支架材料应具备以下条件：①良好的组织相容性和良好的表面活性，有利于细胞的黏附，并为细胞在其表面生长、增殖和基质分泌提供良好的微环境。②具有可塑性，可被加工成所需的形状，并有一定的机械强度，在植入体内后的一定时间内仍可保持其形状，使新形成的组织具有一定的外形。③具有三维立体结构，材料必须是高度多孔的，类似泡沫状，孔隙率达到80％以上，具有较大的内表面积，一方面有利于细胞的植入黏附，另一方面有利于细胞营养成分的渗入和细胞代谢产物的排出。④具有生物可降解性，在组织形成过程中能逐渐分解，不影响新生组织的结构和功能。所以，基于上述要求的可降解的具有形状记忆功能的多孔支架，以其良好的组织相容性、易加工塑型性、高度的贯通性和生物降解性能，在骨组织修复及填充方面将有极大的应用前景。

到目前为止，有很多多孔聚合物的制备方法。可以制得不同孔径大小，孔径形态，孔径分布，以及排列有序的多孔聚合物，其中主要由多孔聚合物的结构特征和组成的材料性质决定其应用。目前制制备多孔支架的方法主要有粒子沥滤法、致孔剂法、静电纺丝法、发泡法、超临界法、乳化模板法、热诱导的相分离法、高内在相乳液法等，但也存在其自身的局限性，如粒子沥滤法只能得到有限三维尺寸的多孔结构、不利于细胞迁移；致孔剂法容易残留致孔剂，易于形成细胞毒性；静电纺丝法机械性能差，微孔结构难以控制；发泡法制备的支架孔洞过小或孔洞不连通不利于细胞粘附及生长；高内在相乳液法因后期除杂过程不易，难于得到高纯度的多孔材料，易形成细胞毒性等，上述方法可控性较低，很难满足多孔支架对孔径大小、孔隙率、生物相容性的要求。

目前，中国专利申请201210121194.1公布了微球堆积型多孔支架的制备方法，但是未涉及材料的功能化，即材料不具有形状记忆功能。根据前面的分析，为了适应不同形状的组织缺损，以及达到微创手术的目的，本发明根据人体的生理环境特征选用了转变温度在人体体温37℃左右的形状记忆高分子材料。中国专利申请号201210275835.9公布了制备具有形状记忆功能的多孔支架的方法，但是此方法采用蔗糖作为致孔剂，容易导致支架本身孔结构不均匀以及载药效率不高的问题。本方法制备的多孔支架由微球堆积而成，可以实现药物携载和多孔结构的同步形成，而且无需牺牲材料，保证了支架的生物相容性能。值得一提的是，在该支架中微球颗粒均匀分布，在植入后能够稳定的高效的释放药物，以达到促进病变组织自修复的目的。用该方法制得的多孔支架具有良好的形状记忆性、生物相容性和生物降解性能，还具有药物缓释功能，在组织工程方面将有极大的应用前景。经试验证明本发明所提供的制备方法具有孔径可控且大小均一，无需致孔牺牲材料，原料低廉易得等优点。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种微球堆积型多孔支架的制备方法，目标产品用于替代及修复非承重部位的骨组织如上颌窦等。并使其具有支架孔径大小可控、孔隙率、生物相容性良好的优点。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种微球堆积型形状记忆多孔支架的制备方法，在具有形状记忆功能的材料中通过致孔剂和药物的作用形成药物携载和多孔结构而制备具有形状记忆功能和药物功能的多孔支架，其特征在于，采用如下的方法获得目标多孔支架，主要包含以下步骤：

1)载药海藻酸钙水凝胶微球的制备：

在质量分数为0.5％的海藻酸钠溶液中加入一定量的药物因子(例如BMP-2，则按照多孔支架聚合物质量的1-3‰加入)，然后通过微流泵电喷技术将其推入质量分数为2％的氯化钙溶液中，使其发生交联反应生成载有药物因子的海藻酸钙水凝胶微球；在制备过程中，微流泵的推速为60mL/h,高压直流电的电压是20kv；

2)多孔结构的制备：

将形状记忆支架材料，4，4`-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)偶联的聚乙二醇-聚己内酯共聚物(PEG-PCL-PU)，溶于DMF与CH₂Cl₂(v/v为2:8)的混合溶剂中，按材料与微球质量比为1:4的比例将溶液灌注于堆积有海藻酸钙水凝胶微球的模具中，经超声分散均匀之后置于通风橱，待有机溶剂挥发完全之后，冷冻干燥处理24小时；由于海藻酸钙水凝胶微球中的水分被去除而导致微球体积缩小，从而制得载有药物因子的多孔形状记忆聚合物支架。

所述药物因子可为以下药物中的一种：地塞米松、骨形态发生蛋白BMP-2、表皮生长因子类药物、神经生长因子、成纤维细胞生长因子，并通过海藻酸钙水凝胶微球的制备，可携载多组分的药物，从而实现更好的组织修复。药物因子的加入量可视具体情况而定，对于BMP-2，可按照多孔支架聚合物质量的0.5-3‰加入；地塞米松可按照0.5-2％加入。

通过在所述1)步骤中改变初始的海藻酸钙水凝胶微球体积的大小或在2)步骤控制冷冻干燥的时间来调控支架的孔径大小。

目标产品投入使用时，先在41℃条件下将支架变形，0℃冷冻塑形，通过微创植入手术植入人体体内后，可在体温环境(37℃)或体外人为创造的温度(41℃)条件下，压缩了支架逐渐回复至初始具有多孔结构的形态，同时释放药物因子，从而将组织工程、药物释放，形状记忆功能结合到一起应用于组织工程骨修复及填充领域。

与传统制备方法相比，本方法制备的多孔支架由微球堆积而成，可以实现药物携载和多孔结构的同步形成；无需牺牲材料，从而不影响支架的生物相容性能；支架的孔径大小可依据堆积的微球的大小以及冷冻干燥的时间来调控。支架材料具有生物降解性能，在组织形成过程中能逐渐分解，不影响新生组织的结构和功能，而且还有良好的生物相容性，有利于细胞的黏附，并为细胞在其表面生长、增殖和基质分泌提供良好的微环境。支架的孔径可控且大小均一，孔隙率高，贯通性能好，易于细胞的生长、细胞外基质的生成和组织血管长入，从而有利于营养物质及氧气的运输和代谢废物的排出。同时通过释放支架本身所包含的药物因子，药物因子能促进细胞向成骨细胞方向分化，从而有利于新的骨组织的生成。

具体实施方式

本发明制备具有形状记忆功能的方法可分为以下步骤：

1)载药海藻酸钙水凝胶微球的制备：

在30ml质量分数为0.5％的海藻酸钠溶液中加入20ug的骨形态发生蛋白BMP-2，然后通过微流泵电喷技术将其推入30ml质量分数为2％的氯化钙溶液中，使其发生交联反应生成载有BMP-2的海藻酸钙水凝胶微球，微球大小为334μm，并将制得的海藻酸钙水凝胶微球置于-20℃的冰箱中保存，以免药物因子失活。在制备过程中，微流泵的推速为60mL/h,高压直流电的电压是20kv。

2)多孔结构的制备：

将形状记忆支架材料，4，4`-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)偶联的聚乙二醇-聚己内酯共聚物(PEG-PCL-PU)，溶于DMF与CH₂Cl₂(v/v为2:8)的混合溶剂中，按材料与微球质量比为1:4的比例将溶液灌注于堆积有海藻酸钙水凝胶微球的模具中，超声分散均匀之后置于通风橱，待有机溶剂挥发完全之后，冷冻干燥处理24小时。由于海藻酸钙水凝胶微球中的水分被去除而导致微球体积从初始的334μm缩小到原来的48μm，从而制得载有BMP-2的多孔形状记忆聚合物支架。支架的孔径大小为345μm，孔隙率为81％。

实施例1

称取5克固体海藻酸钠粉末和20克固体氯化钙粉末分别加入各装有1000ml蒸馏水的大烧杯中，磁力搅拌两个小时使其充分溶解。然后用注射器取30ml混合有10ug的BMP-2的海藻酸钠溶液并将注射器固定于微流泵上，在20KV的高压直流电条件下，将海藻酸钠溶液以60ml/h的推速滴加到装有氯化钙溶液的培养皿中。收集培养皿中的微球即得载有BMP-2的海藻酸钙水凝胶微球。

将形状记忆支架材料PEG-PCL-PU溶于DMF与CH₂Cl₂(v/v为2:8)的混合溶液，按材料与微球质量比为1:4的比例将溶液灌注于堆积有海藻酸钙水凝胶微球的模具中，超声分散均匀之后置于通风橱，待溶剂挥发完全之后，冷冻干燥处理24小时，制得载有BMP-2的多孔形状记忆聚合物支架。

实施例2

本例与实施例1基本相同，所不同的是：在制备海藻酸钙水凝胶微球时，用了1.5％、1％和0.25％三种不同质量分数的海藻酸钠溶液，制备的海藻酸钙水凝胶微球大小分别为588μm、425μm、216μm。

实施例3

本例与实施例1基本相同，所不同的是：使用实施例2中三种不同大小的海藻酸钙水凝胶微球制孔，可分别制得孔径大小为601μm，439μm和228μm的支架，孔隙率分别为92％、88％、75％。

实施例4

本例与实施例1基本相同，所不同的是：当制备的海藻酸钙水凝胶微球经不同的冷冻干燥时间，即8小时和16小时，微球大小分别为108μm和92μm。

实施例5

本例与实施例1基本相同，所不同的是：在制备支架的过程中，使用实施例4中不同的冷冻干燥时间，制得的支架孔径大小没有变化，还是345μm，孔隙率为81％。

实施例6

本例与实施例1基本相同，所不同的是：在制备支架的过程中，选用了实施例2中0.5％和0.25％两种不同大小的海藻酸钠水凝胶颗粒，按质量百分比为60％和40％比例混合制孔，可制得含有230μm和342μm两种不同孔径大小多级梯度支架，孔隙率为90％。

实施例7

本例与实施例1基本相同，所不同的是：在制备海藻酸钙水凝胶微球时，加入了两种不同的药物：地塞米松(多孔支架质量的0.5-2％)和氢化可的松(多孔支架质量的0.5-2％)。

Claims (4)

1.一种微球堆积型形状记忆多孔支架的制备方法，在具有形状记忆功能的材料中通过致孔剂和药物的作用形成药物携载和多孔结构而制备具有形状记忆功能和药物功能的多孔支架，其特征在于，采用如下的方法获得目标多孔支架，主要包含以下步骤：

1)载药海藻酸钙水凝胶微球的制备：

在质量分数为0.5％的海藻酸钠溶液中加入一定量的药物因子，然后通过微流泵电喷技术将其推入质量分数为2％的氯化钙溶液中，使其发生交联反应生成载有药物因子的海藻酸钙水凝胶微球；在制备过程中，微流泵的推速为60mL/h,高压直流电的电压是20kv；

2)多孔结构的制备：

将形状记忆支架材料，4，4`-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)偶联的聚乙二醇-聚己内酯共聚物(PEG-PCL-PU)，溶于DMF与CH₂Cl₂(v/v为2:8)的混合溶剂中，按材料与微球质量比为1:4的比例将溶液灌注于堆积有海藻酸钙水凝胶微球的模具中，经超声分散均匀之后置于通风橱，待有机溶剂挥发完全之后，冷冻干燥处理24小时；由于海藻酸钙水凝胶微球中的水分被去除而导致微球体积缩小，从而制得载有药物因子的多孔形状记忆聚合物支架。

2.根据权利要求1所述之微球堆积型形状记忆多孔支架的制备方法，其特征在于，所述药物因子可为以下药物中的一种或一种以上：地塞米松、骨形态发生蛋白BMP-2、表皮生长因子类药物、神经生长因子、成纤维细胞生长因子，并通过海藻酸钙水凝胶微球的制备，可携载多组分的药物，从而实现更好的组织修复。

3.根据权利要求1所述之微球堆积型形状记忆多孔支架的制备方法，其特征在于，通过在所述1)步骤中改变初始的海藻酸钙水凝胶微球体积的大小或在2)步骤控制冷冻干燥的时间来调控支架的孔径大小。

4.根据权利要求1所述之微球堆积型形状记忆多孔支架的制备方法，其特征在于，所述1)步骤中，将制得的海藻酸钙水凝胶微球置于-20℃的冰箱中保存，以免药物因子失活。