CN105085943A - 一种聚合物微球及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种聚合物微球及其制备方法，通过将乳化的聚合物液滴与含有固定剂的溶液混合，经物理交联，得到聚合物微球，与现有技术相比，本发明采用物理交联使得制备过程中不引入毒性较大的化学交联用交联剂，使得到的聚合物微球的纯度较高；而且具有仿细胞外基质结构，即具有三维的纳米纤维网络结构；且该聚合物微球在体外细胞培养测试中表现出良好的粘附增殖特性，并且，复合软骨细胞后成功实现了软骨组织块的体外构建，在生物医学领域具有重要的应用价值。

Description

一种聚合物微球及其制备方法

技术领域

本发明属于仿生材料领域，尤其涉及一种聚合物微球及其制备方法。

背景技术

生物组织通过细胞外基质纳米纤维网络结构提供细胞的三维生长环境并决定细胞的命运；组织再生医学是利用组织工程支架材料复合靶细胞在体外进行人工组织培养或直接将支架材料移植到缺损组织进行体内组织重建；因此，作为组织工程支架材料需要最大限度模拟细胞外基质的结构特征，从而适于细胞的粘附、生长。

目前，研究人员采取一种有效的思路通过先构建细胞微载体支架材料作为细胞粘附生长的载体，既可以经复合细胞共培养获得体外组织块，又可以直接经复合细胞填充到组织缺损区进行组织重建，且各种研究报道体现该方案具有不可替代的优势；而体外大批量细胞三维培养在靶细胞扩增、生物医药抗体制备均迫切需要一种细胞载体支架材料，以提供细胞在体外粘附生长的所需的三维网络空间，而目前具有仿细胞外基质结构的微球载体材料还鲜有报道，因此，构建适合细胞粘附生长的具有仿细胞外基质结构的微球材料将具有重要的实际应用价值。

研究人员开发出一系列制备微球材料的方法，如乳化交联法、沉淀凝聚法、溶剂蒸发法和喷雾干燥法；其中，微流控微球制备技术作为材料领域最前沿的科技方法之一，凭借其高通量、低消耗、精确的粒径及结构可控性等优势，在工业合成和生命科学等领域都显示出了巨大的应用价值，如：哈佛大学的Weitz，MIT的Doyle等都在微流控技术的制备与应用方面取得了一系列突出研究成果；微流控在国内也得到广泛关注，如：四川大学的褚良银教授课题组，中国科学院大连化学物理研究所的秦建华研究员课题组，东南大学的顾忠泽教授课题组，以微流控制备技术设计制备了多种多功能的微球材料；中国科学院过程工程研究所的马光辉课题组利用膜乳化法进一步实现了微球的大规模制备；且在对聚合物微球的干燥中，超临界干燥技术作为一种新型的干燥方法在近些年来引起了人们极大的关注，该技术通过以超临界流体作为萃取剂将凝胶状态的材料中溶剂进行萃取替换，由于不会导致凝胶骨架内部产生表面张力，从而不会造成其坍缩，目前被广泛应用于各种气凝胶的制备过程中。

但是，目前公开的微球的制备方法均很难获得具有仿细胞外基质结构的微球材料，且交联过程为化学交联，使用的交联剂均为毒性较大的化学试剂，使得交联得到的聚合物中含有有毒的交联剂，很难通过洗涤去除。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在提供一种聚合物微球及其制备方法和应用，本发明提供的聚合物具有细胞外基质结构，且制备过程不采用化学交联。

本发明提供了一种聚合物微球的制备方法，包括：

将乳化的聚合物液滴与含有固定剂的溶液混合，经物理交联，得到聚合物微球。

优选的，所述含有固定剂的溶液为氢氧化钠的醇溶液、氢氧化钾的醇溶液、氯化钙的醇溶液、硝酸钙的醇溶液、丙酮或甲醇。

优选的，所述醇溶液中的醇为甲醇和乙醇中的一种或两种。

优选的，所述含有固定剂的溶液为氢氧化钠的醇溶液、氢氧化钾的醇溶液、氯化钙的醇溶液、硝酸钙的醇溶液时，所述溶液的浓度为0.1～1mol/L。

优选的，所述乳化的聚合物溶液中的聚合物为壳聚糖、胶原蛋白、蚕丝蛋白、明胶和海藻酸钠中的一种或几种。

优选的，所述乳化的聚合物液滴中聚合物液滴的尺寸为50～500微米。

优选的，所述乳化的聚合物液滴按照以下方法制备得到：

将聚合物的水溶液通过乳化装置乳化，得到乳化的聚合物液滴。

优选的，所述聚合物的水溶液的浓度为5～40mg/mL。

优选的，所述步骤还包括：将经物理交联后的聚合物微球通过超临界干燥，得到聚合物微球。

本发明还提供了一种由本发明的制备方法制备得到的聚合物微球，所述聚合物微球具有仿细胞外基质结构。

本发明通过将乳化的聚合物液滴与含有固定剂的溶液混合，经物理交联，得到聚合物微球，与现有技术相比，本发明采用物理交联使得制备过程中不引入毒性较大的化学交联用交联剂，使得得到的聚合物微球的纯度较高；而且，实验结果表明，本发明提供的方法制备得到的聚合物微球具有仿细胞外基质结构，即具有三维的纳米纤维网络结构；且该聚合物微球在体外细胞培养测试中表现出良好的粘附增殖特性，并且，复合软骨细胞后成功实现了软骨组织块的体外构建，在生物医学领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明所述的聚合物微球的制备流程图；

图2为本发明实施例1制备的壳聚糖微球数码照片和扫描电镜照片；

图3为实施例1中制备的不同尺寸的壳聚糖微球扫描电镜照片；

图4为本发明实施例1制备的壳聚糖微球表面生长软骨细胞的电镜照片及不同大小微球细胞粘附和增殖曲线；

图5为本发明实施例1制备的壳聚糖微球复合软骨细胞后培养的体外软骨组织块及其压缩力学曲线；

图6为本发明实施例2中制备的200微米的海藻酸钠微球的扫描电镜照片。

具体实施方式

本发明提供了一种聚合物微球的制备方法，包括：

将乳化的聚合物液滴与含有固定剂的溶液混合，经物理交联，得到聚合物微球。

按照本发明，本发明通过将乳化的聚合物液滴与含有固定剂的溶液混合，经物理交联，得到聚合物微球；

其中，所述乳化的聚合物液滴中的聚合物优选为壳聚糖、胶原蛋白、蚕丝蛋白、明胶和海藻酸钠中的一种或几种，更优选为壳聚糖或海藻酸钠；

所述含有固定剂的溶液为氢氧化钠的醇溶液、氢氧化钾的醇溶液、氯化钙的醇溶液、硝酸钙的醇溶液、丙酮或甲醇；所述醇溶液中的醇为甲醇和乙醇中的一种或两种；所述含有固定剂的溶液为氢氧化钠的醇溶液、氢氧化钾的醇溶液、氯化钙的醇溶液、硝酸钙的醇溶液时，所述溶液的浓度为0.1～1mol/L，更优选为0.3～0.8mol/L；本发明所述的含有固定剂的溶液的作用是使乳化的聚合物液滴中的液态的微球发生物理变化得到固态的微球，即发生物理交联；所以，所述聚合物为壳聚糖时，所述固化剂优选为氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或几种；所述聚合物为海藻酸钠时，所述固化剂优选为氯化钙或硝酸钙；所述聚合物为蚕丝蛋白时，所述固化剂优选为甲醇或丙酮；所述聚合物为胶原蛋白时，所述固化剂优选为氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或几种；所述聚合物为明胶时，所述固化剂优选为氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或几种；所述乳化的聚合物液滴中聚合物液滴的尺寸优选为50～500微米，更优选为200～300微米。

本发明所述乳化的聚合物液滴优选按照以下方法制备得到：

将聚合物的水溶液通过乳化装置乳化，得到乳化的聚合物液滴。

按照本发明，将聚合物的水溶液通过乳化装置乳化，得到乳化的聚合物液滴；所述聚合物的水溶液的浓度优选为5～40mg/mL，更优选为5～40mg/mL；本发明对乳化装置没有特殊的要求，优选为微流体装置或膜乳化装置；所述乳化过程中的挤出相优选为含1～8％Span-80的环己烷，更优选为含3％Span-80的环己烷；所述乳化装置的内管优选直径为40～200微米，更优选为60～200微米；内管挤出速度优选为0.01～0.1mL/min，更优选为0.03～0.05mL/min；所述乳化装置的外管直径优选直径为300～800微米，更优选为400～600微米；挤出速度为0.2～2mL/min，优选为0.4～1mL/min。

本发明还包括将经物理交联后的聚合物微球通过超临界干燥，得到干燥的同时维持微观形貌聚合物微球；其中，本发明对超临界干燥的方法没有特殊限制，本领域公知的干燥方法即可；为了使得到的微球的纯度更高，本发明在对聚合物微球进行超临界干燥之前还用溶剂进行清洗；所述清洗的溶剂优选为乙醇。

具体的，本发明所述的聚合物微球的制备方法见图1，图1为本发明所述的聚合物微球的制备流程图；从图中可以看出，本发明通过先将聚合物的水溶液通过乳化装置(微流控装置)乳化，将得到的乳化液直接与含有固化剂的溶液混合，交联得到聚合物微球，然后超临界干燥得到聚合物微球。

本发明还提供了一种由本发明的制备方法制备得到的聚合物微球，所述聚合物微球具有仿细胞外基质纳米纤维网络结构。

本发明通过将乳化的聚合物液滴与含有固定剂的溶液混合，经物理交联，得到聚合物微球，与现有技术相比，本发明采用物理交联使得制备过程中不引入毒性较大的化学交联用交联剂，且使用的固定剂容易洗脱，不残留，使得得到的聚合物微球不仅纯度较高；而且制备过程绿色环保；而且聚合物原料来源广泛；易于实现工业化生产，此外，通过检测发现，制备得到的聚合物微球为仿细胞外基质结构的聚合物微球；进而使得该方法在生物医药领域具有很好的应用前景。

下面将结合本发明实施例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做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。

实施例1

称取0.5g壳聚糖溶解到50ml1％的醋酸水溶液中，制备成均匀的壳聚糖水溶液；利用10ml注射器抽取5-8ml所制壳聚糖溶液，接入管套管微流控装置内管，利用100ml注射器抽取50-80ml环己烷(含3％Span-80)作为挤出相，接入管套管微流控装置外管；利用微量注射泵分别控制两个注射器挤出速度(内管直径60微米，挤出速度为0.01ml/min，外管直接300微米，挤出速度为0.4ml/min)，配制0.3mol/L的NaOH乙醇溶液作为含有固定剂的溶液收集挤出的液态微球；得到交联的直径100微米的壳聚糖微球；将交联的壳聚糖微球经乙醇清洗并最终经超临界干燥处理，得到壳聚糖微球。

同理，通过分别控制两个注射器的挤出速度为(内管直接60微米，挤出速度为0.03ml/min，外管直接300微米，挤出速度为0.6ml/min)，配制0.3mol/L的NaOH乙醇溶液作为含有固定剂的溶液收集挤出的液态微球，得到交联的直径200微米的壳聚糖微球；

通过分别控制两个注射器的挤出速度为(内管直接90微米，挤出速度为0.05ml/min，外管直接400微米，挤出速度为1.0ml/min)，配制0.3mol/L的NaOH乙醇溶液作为含有固定剂的溶液收集挤出的液态微球，得到交联的直径300微米的壳聚糖微球；

通过分别控制两个注射器的挤出速度为(内管直接90微米，挤出速度为0.05ml/min，外管直接400微米，挤出速度为0.2ml/min)，配制0.3mol/L的NaOH乙醇溶液作为含有固定剂的溶液收集挤出的液态微球，得到交联的直径400微米的壳聚糖微球。

对所得壳聚糖进行结构表征测试，结果参见图2～3，图2为本发明实施例1制备的壳聚糖微球的数码照片和扫描电镜照片；图3为实施例1中制备的不同尺寸的壳聚糖微球扫描电镜照片；从图2可以看出，本发明得到的壳聚糖微球为三维的纤维网络结构，即仿细胞外基质结构；从图3可以看出，从左到右依次为本发明实施1制备的100微米、200微米、300微米和400微米的壳聚糖微球。

对所得壳聚糖进行生物学性能表征测试，结果参见图4～5，图4为本发明实施例1制备的壳聚糖微球表面生长软骨细胞的电镜照片以及不同大小微球细胞粘附和增殖的曲线；图5为本发明实施例1制备的壳聚糖微球复合软骨细胞后培养的体外软骨组织块及其压缩力学曲线；从图4和图5可以看出，本实施例提供的壳聚糖微球具有良好的粘附增殖特性，且培养得到的软骨组织的力学性能好。

实施例2

称取0.5g海藻酸钠溶解到50ml水中，制备成均匀的海藻酸钠水溶液；利用10ml注射器抽取5-8ml所制海藻酸钠溶液，接入管套管微流控装置内管，利用100ml注射器抽取50-80ml环己烷(含3％Span-80)作为挤出相，接入管套管微流控装置外管；利用微量注射泵分别控制两个注射器挤出速度(内管直接60微米，挤出速度为0.03ml/min，外管直接300微米，挤出速度为0.6ml/min)，配制0.01mol/L的CaCl₂乙醇溶液作为含有固定剂的溶液收集挤出的液态微球；得到交联的海藻酸钠微球；将交联的海藻酸钠微球经乙醇清洗并最终经超临界干燥处理，得到直径为200微米的海藻酸钠微球。

图6为本发明实施例2中制备的200微米的海藻酸钠微球扫描电镜照片；从图2可以看出，本发明得到的海藻酸钠微球为三维的纤维网络结构，即仿细胞外基质结构。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种聚合物微球的制备方法，包括：

将乳化的聚合物液滴与含有固定剂的溶液混合，经物理交联，得到聚合物微球。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含有固定剂的溶液为氢氧化钠的醇溶液、氢氧化钾的醇溶液、氯化钙的醇溶液、硝酸钙的醇溶液、丙酮或甲醇。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述醇溶液中的醇为甲醇和乙醇中的一种或两种。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述含有固定剂的溶液为氢氧化钠的醇溶液、氢氧化钾的醇溶液、氯化钙的醇溶液、硝酸钙的醇溶液时，所述溶液的浓度为0.1～1mol/L。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述乳化的聚合物液滴中的聚合物为壳聚糖、胶原蛋白、蚕丝蛋白、明胶和海藻酸钠中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述乳化的聚合物液滴中聚合物液滴的尺寸为50～500微米。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述乳化的聚合物液滴按照以下方法制备得到：

将聚合物的水溶液通过乳化装置乳化，得到乳化的聚合物液滴。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物的水溶液的浓度为5～40mg/mL。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤还包括：将经物理交联后的聚合物微球通过超临界干燥，得到聚合物微球。

10.一种权利要求1～9任意一项的制备方法制备得到的聚合物微球，所述聚合物微球具有仿细胞外基质结构。