CN106390208A - 一种含多级孔结构的三维立体支架材料及制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于医用材料技术领域，公开了一种含多级孔结构的三维立体支架材料及制备与应用。所述含多级孔结构的三维立体支架材料是以不可水溶高分子聚合物溶液或不可水溶高分子聚合物与水溶性高分子的混合液为皮层组分；以小分子药物或水溶性高分子溶液、空气或去离子水作为芯层组分，通过同轴静电纺丝，并通过动态凝固浴接收装置进行收集，然后通过冷冻干燥、非溶剂致相分离‑冷冻干燥、热致相分离或固液相分离法进行后处理得到。本发明所得三维立体支架材料具有多级孔结构，多级孔结构在纤维之间、纤维表面以及纤维内部均有分布，能够在形貌与尺寸上很好地模拟天然的细胞外基质，可应用于组织工程修复材料。

Description

一种含多级孔结构的三维立体支架材料及制备与应用
技术领域
本发明属于医用材料技术领域，具体涉及一种含多级孔结构的三维立体支架材料及制备与应用。
背景技术
组织工程是一个结合了细胞生物学、工程学、材料科学和外科学等学科的新兴研究领域，它能够通过移植带有活细胞的支架材料，促使受损的组织再生，或者替换病变和缺失的器官，因此成为最近几年的研究热点，相关的研究人员也呈现指数增长。
对于组织工程应用而言，所涉及到的关键技术主要包括如下三个方面：细胞技术、支架结构设计及控制，以及体内整合技术。支架结构的设计与控制是组织工程中最为重要的一环，它通过设计和制造一个合适的三维网状结构，模拟人体内部组织和器官环境，为细胞繁殖和生长提供良好的基体。对于组织工程支架而言，有一些基本要求需要满足：1)支架材料需要有比较高的孔隙率，并且孔径尺寸大小适中，分布均匀。2)高比表面积。3)作用支架的材料需要能够生物降解，而且降解的速度要与天然组织形成速度相匹配。4)支架材料必须有结构完整性和良好的力学性能，防止支架的孔洞在天然组织形成的过程中塌陷。5)支架需要使用有良好生物相容性并且对细胞没有毒性，在与细胞相互接触的过程当中能够促进细胞粘附、增殖、迁移和分化。
目前组织工程常用的生物材料有高分子聚合物、金属、陶瓷和天然生物材料及复合材料等，而高分子聚合物由于优良的物理机械性能、可控的结构与分子量、可变的材料性能，因此被广泛应用；同时，由于这种材料能够在短时间内获得大量所需的材料，实现大规模生产，故备受重视。
作为使用最为广泛的生物可降解吸收高分子聚合物，脂肪族聚酯不但能与生物体良好相容，还能调节其分解速率。这类材料制成的支架材料在生物体内会慢慢分解，并随组织长大而消失。主要的脂肪族聚酯包括聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PGA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)等，其中PLA的研究最多，也是应用较广的一种生物降解材料。它能够用作骨折内部的固定、组织修复材料和药物控制体系以及外科缝合线，软骨组织培养支架和人工真皮等，也能与其他聚合物配合使用，提高其综合使用性能。
在长期的科研探索中，聚己内酯(PCL)生物支架材料已经得到了越来越广泛的应用。作为一理想的组织工程支架材料，PCL具备有以下几个特点：1)具有生物可降解性。在所使用的生物支架聚合物有能被水解的不稳定键合，其降解产物应是没有毒性，并能通过新陈代谢方式除去。降解速率也能根据细胞类型、组织类型进行调整；2)具有良好的生物相容性，在植入体内后，不会引发有炎症反应或其他的不良后果；3)具有合理的三维外形、孔隙结构和构造，孔隙连通性好，孔隙率高，孔径适当，为细胞的生长提供足够的空间，利于营养物质和代谢产物的交换运输；4)良好的力学稳定性，且力学性能与相应的组织匹配；5)良好的表面相容性和高表面积，材料表面有利于种子细胞的粘附与生长。
海藻酸钠(SA)是由两种单体β-D-1,4-甘露糖醛酸(M单元)和α-L-1,4-古罗糖醛酸(G单元)组成，是一种线性无支链的无规共聚物。SA由于良好的抗菌性能、亲水性和生物相容性，使其在环境保护、临床应用和生物制药等领域有各种各样的应用。海藻酸钠通过离子交换形成海藻酸钙的过程一般被形容为“egg-box”模型，在这个模型中Ca2+与古罗糖醛酸单体通过海藻酸根分子链的G序列在空穴中相互作用，这种凝胶广泛用于伤口创伤、牙齿印模材料、药物缓释系统和活细胞的密封保存等医用领域。
透明质酸(HA)是结构最为简单的氨基聚糖，大多存在于脊椎动物的组织、关节滑液和软骨中。由于HA处于水溶液时分子表面有大量亲水基团，能结合很多水分子，故在体液中起到润滑作用；另外，HA含水，结构疏松多孔，因此适于细胞的迁移和增殖，并能阻止细胞过早进行分化；同时，HA的免疫惰性使得它广泛应用于细胞体外培养的基质。Fidia公司新开发的细胞释放系统，就是用HA作为细胞载体，使成纤维细胞、软骨细胞在HA形成的三维支架有效地进行增值。
胶原是细胞外最重要的水不溶性纤维蛋白，是动物体内含量最丰富的蛋白质，约占人体蛋白质总量的30％以上。其结构是由三条α－肽链组成的纤维状蛋白质，相互拧成三股螺旋状构型。明胶是胶原蛋白部分水解的产物，它们一级结构上都同时含有酸性的羧基和碱性的氨基，是既带正电荷又带负电荷的两性电解质，具有良好的生物相容性，也具有无抗原性和可参与组织愈合过程等特点，因此广泛应用于医学领域。胶原广泛用于止血、伤口愈合以及组织再生引导或诱导材料、烧伤创面敷料和骨移植替代材料等方面。而胶原与其它材料复合可构成新型的复合材料用于骨组织工程等领域。
壳聚糖带正电荷，具有无毒无刺激、可降解、良好的机械性能、良好的生物相容性和生物活性以及无免疫原性等特点，具有消炎，止痛以及促经伤口愈合等生物活性。此外，壳聚糖还可与其他材料复合，广泛用于抗凝血材料、骨修复材料、人工皮肤、可吸收手术缝合线、药物载体系统、人造生物膜等医学领域。
静电纺丝是一种简单、灵活的制备纤维直径为几十到几百纳米的纺丝方法，其基本原理是：毛细管出口的聚合物溶液或熔体在高压静电场的作用下，变形成为泰勒锥，当静电排斥力超过液滴的表面张力时，泰勒锥的顶端处就会形成细流，并在电场的运动中得到进一步拉伸，同时随着溶剂挥发(或者熔体冷却)，得到纳米纤维。静电纺丝有以下几个明显的优势：1、高孔隙率；2、高比表面积；3、静电纺丝纤维的直径与结构与细胞外基质具有很好的相似性。同轴静电纺丝法制备复合结构纳米纤维材料虽只是近几年才起步，但其发展速度相当快。同轴静电纺丝使用不同的皮层组分和芯层组分，并在传统静电纺丝的装置上对纺丝头进行改进，纺出具有特殊结构和功能的复合纳米纤维。结构多层次纳米纤维应用较为广泛。同轴静电纺丝法主要用以制备中空纳米纤维(纳-微米管)，芯-壳结构纳米纤维等，其强大优势在于能够充分整合纤维中芯层和壳层的优良性能，所制备出的纳米纤维在生物医用材料、过滤、催化、能源、光电等领域发挥着巨大作用。
发明内容
基于以上现有技术，本发明的首要目的在于提供一种含多级孔结构的三维立体支架材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的含多级孔结构的三维立体支架材料。
本发明的再一目的在于提供上述含多级孔结构的三维立体支架材料作为组织工程修复材料的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种含多级孔结构的三维立体支架材料的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)皮层组分的制备：将不可水溶高分子聚合物溶解于有机溶剂中，配置成质量分数为5～40％的溶液，得到皮层组分；或将不可水溶高分子聚合物溶解于有机溶剂中得到有机溶液，将水溶性高分子溶解于水中得到水溶液，然后将有机溶液和水溶液混合，经均质或乳化剂乳化，配置成质量分数为5％～40％的悬浮液或乳液，得到皮层组分；
(2)芯层组分的制备：将小分子药物或水溶性高分子溶解于水中，配置成质量分数为1～30％的溶液，得到芯层组分；或直接采用空气或去离子水作为芯层组分；
(3)将皮层组分和芯层组分通过同轴静电纺丝，并通过动态凝固浴接收装置进行收集，得到具有丰富微孔结构的纤维集合体，然后通过冷冻干燥、非溶剂致相分离-冷冻干燥、热致相分离或固液相分离法进行后处理，得到含多级孔结构的三维立体支架材料。
所述不可水溶高分子聚合物优选聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚己内酯(PCL)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHBV)、聚酯酰胺(PEA)等。
所述水溶性高分子优选聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚环氧乙烷(PEO)、海藻酸钠、透明质酸、胶原、明胶、丝胶、甲壳素、壳聚糖等。
所述凝固浴成分包括但不限于钙离子溶液、醇类溶液、醛类溶液、京尼平溶液、蛋白酶溶液、植物酚酸溶液等。
一种含多级孔结构的三维立体支架材料，通过上述方法制备得到。
优选地，所述含多级孔结构的三维立体支架材料中纤维直径为20～2000nm，纤维之间孔径大小在0.5～5μm之间，纤维表面微孔大小在10～1000nm之间，纤维芯层孔洞大小在5～850nm之间。
上述含多级孔结构的三维立体支架材料作为组织工程修复材料的应用。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明所得含多级孔结构的三维立体支架材料中皮层组分作为主体支架材料，芯层组分作为支架材料的复合结构，为纤维状或膜状或颗粒状，与支架材料形成复合层状结构、互穿结构和包覆结构，该结构可改善普通支架材料与有机组织的亲和性；
(2)本发明所得含多级孔结构的三维立体支架材料中皮层组分为支架材料提供良好的力学性能，能够防止支架在天然组织形成的过程中塌陷，并通过控制皮层组分成分控制降解时间，适用于组织工程修复创伤；
(3)本发明采用同轴静电纺丝得到的纳米纤维，并在动态凝固浴溶液中形成三维立体结构，并通过后处理方法制备多级孔结构，多级孔结构在纤维之间、纤维表面以及纤维内部均有分布，而且该三维立体支架材料孔隙率高，孔径尺寸可控，比表面积高且密度小；
(4)本发明的制备方法得到的含多级孔结构的三维立体支架材料其纤维直径为20～2000nm，纤维之间孔径大小在0.5～5μm之间，纤维表面微孔大小在10～1000nm之间，纤维芯层孔洞大小在5～850nm之间，能够在形貌与尺寸上很好地模拟天然的细胞外基质，而且具有良好生物相容性并且对细胞没有毒性，在与细胞相互接触的过程当中能够促进细胞粘附、增殖、迁移和分化。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
聚乳酸(PLA，Mw＝3×105g/mol)采用三氯甲烷作为溶剂，常温下磁力搅拌4h，得到质量分数为5％的PLA溶液；海藻酸钠(SA,Mw＝2×105g/mol)采用去离子水作为作为溶剂，常温下磁力搅拌12h，得到质量分数为1％的海藻酸钠溶液；将两种溶液混合，采用司盘80作为乳化剂，7000r/min高速乳化10分钟后，得到均匀的乳液。将配好的乳液作为皮层组分，将去离子水作为芯层组分，采用同轴静电纺丝加工成型，采用CaCl2溶液作为凝固浴，并辅以磁力搅拌作为动态接收装置，接收装置与针头之间的距离约5cm，在10kV电压下纺丝成型。把成型后复合支架材料通过冷冻干燥进行后处理，得到含多级孔结构的PLA/海藻酸盐三维立体支架材料。
本实施例得到的含多级孔结构的三维立体支架材料中纤维直径在20-500nm之间，纤维之间孔径大小在0.5～2μm之间，纤维表面微孔大小在10～300nm之间，纤维芯层孔洞大小在5～200nm之间，能够在形貌与尺寸上很好地模拟天然的细胞外基质，而且具有良好生物相容性并且对细胞没有毒性，在与细胞相互接触的过程当中能够促进细胞粘附、增殖、迁移和分化，适用于组织工程修复创伤。
实施例2
聚己内酯(PCL，Mw＝2×104g/mol)采用二氯甲烷作为溶剂，常温下磁力搅拌6h，得到质量分数为40％的PCL溶液；聚乙烯吡咯烷酮(PVP,Mw＝4×105g/mol)采用去离子水作为作为溶剂，常温下磁力搅拌12h，得到质量分数为8％的PVP溶液；将两种溶液混合，2000r/min高速均质10分钟后，得到均匀的悬浮液。将配好的悬浮液作为皮层组分，将质量分数为30％的透明质酸水溶液作为芯层组分，采用同轴静电纺丝加工成型，采用乙醇溶液作为凝固浴，并辅以磁力搅拌作为动态接收装置，接收装置与针头之间的距离约7cm，在12kV电压下纺丝成型。把成型后复合支架材料通过非溶剂致相分离-冷冻干燥进行后处理，得到含多级孔结构的PLA/PVP/透明质酸三维立体支架材料。
本实施例得到的含多级孔结构的三维立体支架材料中纤维直径在400-2000nm之间，纤维之间孔径大小在1～5μm之间，纤维表面微孔大小在250～1000nm之间，纤维芯层孔洞大小在180～800nm之间，能够在形貌与尺寸上很好地模拟天然的细胞外基质，而且具有良好生物相容性并且对细胞没有毒性，在与细胞相互接触的过程当中能够促进细胞粘附、增殖、迁移和分化，适用于组织工程修复创伤。
实施例3
聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA，Mw＝8×104g/mol)采用六氟异丙醇作为溶剂，常温下磁力搅拌8h，得到质量分数为20％的PLGA溶液；壳聚糖(CS,Mw＝2×105g/mol)采用去离子水作为作为溶剂，常温下磁力搅拌24h，得到质量分数为1％的壳聚糖溶液；将两种溶液混合，采用PVA溶液作为乳化剂，4000r/min高速均质10分钟后，得到均匀的乳液。将配好的乳液作为皮层组分，将空气作为芯层组分，采用同轴静电纺丝加工成型，采用戊二醛溶液作为凝固浴，并辅以磁力搅拌作为动态接收装置，接收装置与针头之间的距离约4cm，在20kV电压下纺丝成型。把成型后复合支架材料通过热致相分离进行后处理，得到含多级孔结构的PLGA/CS三维立体支架材料。
本实施例得到的含多级孔结构的三维立体支架材料中纤维直径在100-800nm之间，纤维之间孔径大小在0.8～3μm之间，纤维表面微孔大小在60～500nm之间，纤维芯层孔洞大小在40～350nm之间，能够在形貌与尺寸上很好地模拟天然的细胞外基质，而且具有良好生物相容性并且对细胞没有毒性，在与细胞相互接触的过程当中能够促进细胞粘附、增殖、迁移和分化，适用于组织工程修复创伤。
实施例4
聚羟基乙酸(PGA，Mw＝1×106g/mol)采用三氯甲烷作为溶剂，常温下磁力搅拌8h，得到质量分数为15％的PGA溶液；聚环氧乙烷(PEO,Mw＝8×105g/mol)采用去离子水作为溶剂，常温下磁力搅拌12h，得到质量分数为14％的PEO溶液。将配好的PGA溶液作为皮层组分，将PEO溶液作为芯层组分，采用同轴静电纺丝加工成型，采用戊二醛溶液作为凝固浴，并辅以磁力搅拌作为动态接收装置，接收装置与针头之间的距离约5cm，在15kV电压下纺丝成型。把成型后复合支架材料通过固液相分离进行后处理，得到含多级孔结构的PGA/PEO三维立体支架材料。
本实施例得到的含多级孔结构的三维立体支架材料中纤维直径在500-1200nm之间，纤维之间孔径大小在0.8～4μm之间，纤维表面微孔大小在300～800nm之间，纤维芯层孔洞大小在200～600nm之间，能够在形貌与尺寸上很好地模拟天然的细胞外基质，而且具有良好生物相容性并且对细胞没有毒性，在与细胞相互接触的过程当中能够促进细胞粘附、增殖、迁移和分化，适用于组织工程修复创伤。
实施例5
聚羟基丁酸酯(PHB，Mw＝5×104g/mol)采用二氯甲烷作为溶剂，常温下磁力搅拌6h，得到质量分数为20％的PHB溶液；胶原(Mw＝2×106g/mol)采用去离子水作为作为溶剂，常温下磁力搅拌12h，得到质量分数为5％的胶原溶液。将配好的PHB溶液作为皮层组分，将胶原溶液作为芯层组分，采用同轴静电纺丝加工成型，采用京尼平溶液作为凝固浴，并辅以磁力搅拌作为动态接收装置，接收装置与针头之间的距离约6cm，在17kV电压下纺丝成型。把成型后复合支架材料通过冷冻干燥进行后处理，得到含多级孔结构的PHB/胶原三维立体支架材料。
本实施例得到的含多级孔结构的三维立体支架材料中纤维直径在600-1400nm之间，纤维之间孔径大小在1.5～4μm之间，纤维表面微孔大小在350～800nm之间，纤维芯层孔洞大小在250～600nm之间，能够在形貌与尺寸上很好地模拟天然的细胞外基质，而且具有良好生物相容性并且对细胞没有毒性，在与细胞相互接触的过程当中能够促进细胞粘附、增殖、迁移和分化，适用于组织工程修复创伤。
实施例6
聚羟基戊酸酯(PHBV，Mw＝1×106g/mol)采用二氯甲烷作为溶剂，常温下磁力搅拌8h，得到质量分数为8％的PHB溶液；明胶(Mw＝6×104g/mol)采用去离子水作为作为溶剂，常温下磁力搅拌12h，得到质量分数为25％的明胶溶液。将配好的PHBV溶液作为皮层组分，将明胶溶液作为芯层组分，采用同轴静电纺丝加工成型，采用蛋白酶溶液作为凝固浴，并辅以磁力搅拌作为动态接收装置，接收装置与针头之间的距离约5cm，在12kV电压下纺丝成型。把成型后复合支架材料通过热致相分离进行后处理，得到含多级孔结构的PHBV/明胶三维立体支架材料。
本实施例得到的含多级孔结构的三维立体支架材料中纤维直径在800-1600nm之间，纤维之间孔径大小在2～4.5μm之间，纤维表面微孔大小在500～1000nm之间，纤维芯层孔洞大小在350～850nm之间，能够在形貌与尺寸上很好地模拟天然的细胞外基质，而且具有良好生物相容性并且对细胞没有毒性，在与细胞相互接触的过程当中能够促进细胞粘附、增殖、迁移和分化，适用于组织工程修复创伤。
实施例7
聚酯酰胺(PEA，Mw＝4×104g/mol)采用三氯甲烷作为溶剂，常温下磁力搅拌5h，得到质量分数为30％的PEA溶液；丝胶(Mw＝3×105g/mol)采用去离子水作为作为溶剂，常温下磁力搅拌10h，得到质量分数为15％的丝胶溶液。将配好的PEA溶液作为皮层组分，将丝胶溶液作为芯层组分，采用同轴静电纺丝加工成型，采用植物酚酸溶液作为凝固浴，并辅以磁力搅拌作为动态接收装置，接收装置与针头之间的距离约8cm，在14kV电压下纺丝成型。把成型后复合支架材料通过冷冻干燥进行后处理，得到含多级孔结构的PEA/丝胶三维立体支架材料。
本实施例得到的含多级孔结构的三维立体支架材料中纤维直径在400-900nm之间，纤维之间孔径大小在1～2.5μm之间，纤维表面微孔大小在250～500nm之间，纤维芯层孔洞大小在200～400nm之间，能够在形貌与尺寸上很好地模拟天然的细胞外基质，而且具有良好生物相容性并且对细胞没有毒性，在与细胞相互接触的过程当中能够促进细胞粘附、增殖、迁移和分化，适用于组织工程修复创伤。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种含多级孔结构的三维立体支架材料的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：
(1)皮层组分的制备：将不可水溶高分子聚合物溶解于有机溶剂中，配置成质量分数为5～40％的溶液，得到皮层组分；或将不可水溶高分子聚合物溶解于有机溶剂中得到有机溶液，将水溶性高分子溶解于水中得到水溶液，然后将有机溶液和水溶液混合，经均质或乳化剂乳化，配置成质量分数为5％～40％的悬浮液或乳液，得到皮层组分；
(2)芯层组分的制备：将小分子药物或水溶性高分子溶解于水中，配置成质量分数为1～30％的溶液，得到芯层组分；或直接采用空气或去离子水作为芯层组分；
(3)将皮层组分和芯层组分通过同轴静电纺丝，并通过动态凝固浴接收装置进行收集，得到具有丰富微孔结构的纤维集合体，然后通过冷冻干燥、非溶剂致相分离-冷冻干燥、热致相分离或固液相分离法进行后处理，得到含多级孔结构的三维立体支架材料。
2.根据权利要求1所述的一种含多级孔结构的三维立体支架材料的制备方法，其特征在于：所述不可水溶高分子聚合物选自聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯、聚羟基丁酸酯、聚羟基戊酸酯或聚酯酰胺。
3.根据权利要求1所述的一种含多级孔结构的三维立体支架材料的制备方法，其特征在于：所述水溶性高分子选自聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷、海藻酸钠、透明质酸、胶原、明胶、丝胶、甲壳素或壳聚糖。
4.根据权利要求1所述的一种含多级孔结构的三维立体支架材料的制备方法，其特征在于：所述凝固浴成分选自钙离子溶液、醇类溶液、醛类溶液、京尼平溶液、蛋白酶溶液或植物酚酸溶液。
5.一种含多级孔结构的三维立体支架材料，其特征在于：通过权利要求1～4任一项所述的方法制备得到。
6.根据权利要求5所述的一种含多级孔结构的三维立体支架材料，其特征在于：所述含多级孔结构的三维立体支架材料中纤维直径为20～2000nm，纤维之间孔径大小在0.5～5μm之间，纤维表面微孔大小在10～1000nm之间，纤维芯层孔洞大小在5～850nm之间。
7.权利要求5或6所述的含多级孔结构的三维立体支架材料作为组织工程修复材料的应用。
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