CN106798945B - 具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程支架多孔材料及其制备方法 - Google Patents

具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程支架多孔材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程多孔支架材料的制备方法：(1)将两种热塑性聚合物熔融共混得到熔融共混物；(2)将熔融共混物压制成共混坯体；(3)将共混坯体置于高压反应釜中，通入发泡气体并升温至50～110℃、加压至5～25MPa保温保压0.5～4h对共混坯体进行粗化，然后在温度40～150℃、压力8～25MPa下使高压反应釜中的超临界流体在共混坯体中达到饱和状态，继后保持温度不变以5～15MPa/s的速率将高压反应釜中的压力降至常压使共混坯体发泡，经冷却定型，得到发泡坯体；(4)将发泡坯体浸入刻蚀液中进行刻蚀。本发明所述方法能进一步提高聚合物组织工程支架材料孔洞之间的连通性。

Description

具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程支架多孔材料及其制 备方法
技术领域
本发明属于发泡聚合物材料加工和生物医学领域，特别涉及一种聚合物组织工程多孔支架材料及其制备方法。
背景技术
组织工程是近年来兴起的一门新兴学科，它通过在体外培养正常的组织细胞，附着在一种细胞相容性好并且可被生物降解的支架材料上形成细胞-支架材料的复合体，将该复合体植入机体组织或者器官病损部分，细胞机体中逐步形成新的组织结构，而支架材料逐渐被生物体降解吸收，从而达到修复和重建组织体的目的。在组织工程中有三个核心要素：种子细胞、组织工程支架材料以及生长因子。支架材料在组织工程中占有重要的地位，这是因为在体外细胞培养过程中，细胞需要贴壁生长，对于生长环境有着特殊要求，支架在其中充当细胞外基质，为细胞提供生存空间，使细胞获得充足的营养物质，进行代谢交换，并使细胞形成特定的形态。组织工程支架需要满足以下几点要求：(1)支架材料本身以及其降解产物都应具有良好的相容性，即支架不能有明显的细胞毒性、炎症反应和免疫排斥反应。(2)合适的可生物降解吸收性。支架在组织工程中需要逐渐被新生的组织取代，所以要求支架材料的降解速率与组织的生长速率相适应。(3)合适的机械性能。在组织工程中，支架相当于细胞外基质，同时需对新生组织提供适当的生长环境，起支撑作用。(4)合适的孔径尺寸、较高的孔隙率以及孔结构的连通性。支架的孔洞结构为细胞的生长、细胞生长所需要的营养物质的进入以及代谢废物的排出提供空间。不同的组织工程所要求的孔径尺寸也不尽相同。(5)适宜的表面理化性质以及表面微结构，从而有利于细胞的黏附和生长。
目前，制备组织工程支架的方法有很多种，如冻干法、成孔剂析出法、气体发泡法等。CN1749319A公开了一种超临界CO2技术制备组织工程用三维多孔支架材料的方法，该方法采用可生物降解的聚乳酸及其共聚物作为基材，加入致孔剂热压成型后，在高压釜中通入超临界CO2，经保压后快速降压发泡，然后用一种聚合物材料不溶而致孔剂溶解的溶剂将致孔剂浸泡沥出，干燥后得到三维多孔支架材料。通过该方法虽然可以制得孔尺寸合适的多孔支架，但是这种方法制得的多孔支架孔洞之间的连通性较差，限制了组织工程中细胞培养。现有技术报道了一种采用超临界发泡技术与不相容聚合物共混制备组织工程支架材料的方法，通过两种不相容聚合物(聚乳酸/聚苯乙烯)共混得到聚合物共混物，然后通过超临界发泡将共混物发泡，最后将其中一相(聚苯乙烯相)用有机溶剂刻蚀掉而得到支架材(Zhou CC,et al.Biofabrication,2011,3(4):1-8)。这种方法虽然可以避免超临界发泡方法带来的支架材料孔洞为闭孔结构的问题，但孔洞之间的连通性仍然不高，而组织工程支架材料的孔洞连通性对于组织工程细胞培养具有十分重要的作用。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种聚合物组织工程多孔支架材料的制备方法，以进一步提高聚合物组织工程支架材料孔洞之间的连通性，获得具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程多孔支架材料。
本发明所述聚合物组织工程支架材料的制备方法，工艺步骤如下：
(1)以具有生物相容性的热塑性聚合物Ⅰ与热塑性聚合物Ⅰ不相容的热塑性聚合物Ⅱ为原料，按照热塑性聚合物Ⅰ与热塑性聚合物Ⅱ的体积比为(2.5～1):1在室温下将两种热塑性聚合物进行预混合得到预混物，然后将预混物进行熔融共混得到熔融共混物；
(2)将步骤(1)所得熔融共混物真空模压成坯体，冷却定型，得到共混坯体；
(3)将步骤(2)所得共混坯体置于高压反应釜中，通入发泡气体并升温至50～110℃、加压至5～25MPa保温保压0.5～4h对共混坯体进行粗化，然后在温度40～150℃、压力8～25MPa下使高压反应釜中的超临界流体在共混坯体中达到饱和状态，继后保持温度不变以5～15MPa/s的速率将高压反应釜中的压力降至常压使共混坯体发泡，经冷却定型，得到发泡坯体；
(4)将步骤(3)所得发泡坯体浸入刻蚀液中进行刻蚀以去除热塑性聚合物Ⅱ，刻蚀结束后依次用乙醇、蒸馏水反复洗涤除去杂质，干燥后得到聚合物组织工程多孔支架材料。
上述方法中，所述具有生物相容性的热塑性聚合物Ⅰ为聚乳酸及其共聚物、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯中的一种；热塑性聚合物Ⅱ为聚己内酯、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
上述方法中，步骤(3)所述发泡气体为二氧化碳、氮气、空气、甲烷、丁烷、戊烷中的一种。
上述方法中，步骤(4)所述刻蚀液为蒸馏水、乙酸、环己烷中的一种。
上述方法中，发泡坯体浸入刻蚀液中进行刻蚀的刻蚀时间为4～48h，刻蚀过程中每4h更换一次刻蚀液，刻蚀液的温度为25℃～50℃。
本发明提供的上述方法制备的高开孔率聚合物组织工程多孔支架材料，该材料的孔洞更多为开孔结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明所述方法将聚合物共混材料相结构粗化与超临界流体发泡相结合，先在进行聚合物结构的粗化处理，再通过超临界流体发泡，使制得的组织工程支架材料孔径较大，孔洞之间的连通性更好，从而有利于组织工程细胞培养。
2.本发明所述方法可以通过调控相结构粗化条件以及发泡条件，实现对支架材料孔径的控制。
3.本发明所述方法中，在超临界流体中聚合物相结构发生粗化时温度低于常规热处理相粗化过程的温度，因而能避免聚乳酸类材料因为温度过高而发生热降解的问题。
4.本发明所述方法采用超临界状态下的常规气体作为发泡剂，成本低廉，且无毒环保，用作支架材料安全性高，且工艺简单，便于实现工业化生产。
附图说明
图1是实施例1所制备的具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程多孔支架材料断面的扫描电镜图。
图2是实施例2所制备的具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程多孔支架材料断面的扫描电镜图。
图3是实施例3所制备的具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程多孔支架材料断面的扫描电镜图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明所述具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程多孔支架材料及其制备方法做进一步说明。
下面通过实施例并结合附图对本方法作进一步说明。以下各实施例中，聚乳酸(PLA)由NatureWorks公司生产，型号4032D；聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)，法国阿科玛，LA/GA为75/25；聚己内酯(PCL)，Sigma-Aldrich公司生产；聚乙二醇(PEG)，成都市科龙化工试剂厂，牌号20000；聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，成都市科龙化工试剂厂，牌号K30；聚苯乙烯(PS)，台化塑胶，牌号GPPS5250。
实施例1
(1)按体积比为聚乳酸(PLA)∶聚乙烯吡咯烷酮(PVP)＝50∶50称取两种聚合物，将两种聚合物在室温下进行预混合得到预混物，然后将预混物在常压、180℃下，于微型挤出机中80rpm转速下混合8min，得到两种聚合物的熔融共混物；
(2)将步骤(1)得到的熔融共混物在真空模压机上模压成型，快速冷却定型，得到PLA/PVP片状共混坯体，所述模压成型的温度为180℃，模压压力为10MPa，模压时间为5min；
(3)将步骤(2)所得片状共混坯体置于高压反应釜中，通入发泡气体二氧化碳并升温至150℃、加压至20MPa(此条件下二氧化已经转变为超临界流体)保温保压4h对片状共混坯体进行粗化，在粗化的过程中同时使超临界流体在片状共混坯体中达到饱和状态，然后保持温度不变以10MPa/s的速率将高压反应釜中的压力降至常压使片状共混坯体发泡，发泡后停止加热并通入冷却水(反应釜夹层中)使高压反应釜降温对片状共混物坯体冷却定型，即得到片状发泡坯体。
(4)用液氮将得到的片状发泡坯体进行脆断后浸入到温度为30℃的蒸馏水中刻蚀24h，每4h更换一次蒸馏水，刻蚀后依次用乙醇、蒸馏水反复洗涤除去杂质，经温度30℃真空干燥12h，即得到聚乳酸组织工程多孔支架材料，采用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，结果见图1，从图1可以看出，本实例制备的多孔支架材料孔洞的连通性好。
实施例2
(1)按体积比为聚乳酸(PLA)∶聚己内酯(PCL)＝50∶50称取两种聚合物，将两种聚合物在室温下进行预混合得到预混物，然后将预混物在常压、180℃下，于微型挤出机中50rpm转速下混合5min，得到两种聚合物的熔融共混物；
(2)将步骤(1)得到的熔融共混物在真空模压机上模压成型，快速冷却定型，得到PLA/PCL片状共混坯体，所述模压成型的温度为180℃，模压压力为10MPa，模压时间为3min；
(3)将步骤(2)所得片状共混物坯体置于高压反应釜中，通入发泡气体二氧化碳并升温至120℃、加压至20MPa(此条件下二氧化已经转变为超临界流体)保温保压1h对片状共混坯体进行粗化，然后在温度120℃、压力15MPa下保温保压3h使超临界流体在片状共混坯体中达到饱和状态，继后保持温度不变以10MPa/s的速率将高压反应釜中的压力降至常压使片状共混坯体发泡，发泡后停止加热并通入冷却水使高压反应釜降温对片状共混物坯体冷却定型，即得到片状发泡坯体。
(4)用液氮将得到的片状发泡坯体进行脆断后浸入到温度为50℃的乙酸中刻蚀48h，每8h更换一次乙酸，刻蚀结束后依次用乙醇、蒸馏水反复洗涤除去杂质，经温度30℃真空干燥12h，即得到聚乳酸组织工程多孔支架材料，采用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，结果见图2，从图2可以看出，本实例制备的多孔支架材料孔洞的连通性好。
实施例3
(1)按体积比为聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)∶聚乙二醇(PEG)＝60∶40称取两种聚合物，将两种聚合物在室温下进行预混合得到预混物，然后将预混物在常压、140℃下，于微型挤出机中80rpm转速下混合8min，得到两种聚合物的熔融共混物；
(2)将步骤(1)得到的熔融共混物在真空模压机上模压成型，快速冷却定型，得到PLGA/PEG片状共混坯体，所述模压成型的温度为140℃，模压压力为10MPa，模压时间为3min；
(3)将步骤(2)所得片状共混物坯体置于高压反应釜中，通入发泡气体二氧化碳并升温至100℃、加压至20MPa(此条件下二氧化已经转变为超临界流体)保温保压2h对片状共混坯体进行粗化，然后在温度40℃、压力20MPa下保温保压2h使超临界流体在片状共混坯体中达到饱和状态，继后保持温度不变以10MPa/s的速率将高压反应釜中的压力降至常压使片状共混坯体发泡，发泡后停止加热并通入冷却水使高压反应釜降温对片状共混物坯体冷却定型，即得到片状发泡坯体。
(4)用液氮将得到的片状发泡坯体进行脆断后浸入到温度为30℃的蒸馏水中刻蚀24h，每4h更换一次蒸馏水，刻蚀技术后依次用乙醇、蒸馏水反复洗涤除去杂质，经温度30℃真空干燥12h，即得到聚乳酸-羟基乙酸共聚物组织工程多孔支架材料，采用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，结果见图3，从图3可以看出，本实例制备的多孔支架材料孔洞的连通性好，具有较多的开孔结构。
实施例4
(1)按体积比为聚己内酯(PCL)∶聚乙二醇(PEG)＝60∶40称取两种聚合物，将两种聚合物在室温下进行预混合得到预混物，然后将预混物在常压、80℃下，于微型挤出机中80rpm转速下混合8min，得到两种聚合物的熔融共混物；
(2)将步骤(1)得到的熔融共混物在真空模压机上模压成型，快速冷却定型，得到PCL/PEG片状共混坯体，所述模压成型的温度为80℃，模压压力为10MPa，模压时间为3min；
(3)将步骤(2)所得片状共混物坯体置于高压反应釜中，通入发泡气体二氧化碳并升温至60℃、加压至10MPa(此条件下二氧化已经转变为超临界流体)保温保压0.5h对片状共混坯体进行粗化，然后在温度40℃、压力10MPa下保温保压4h使超临界流体在片状共混坯体中达到饱和状态，继后保持温度不变以5MPa/s的速率将高压反应釜中的压力降至常压使片状共混坯体发泡，发泡后停止加热并通入冷却水使高压反应釜降温对片状共混物坯体冷却定型，即得到片状发泡坯体。
(4)用液氮将得到的片状发泡坯体进行脆断后浸入到温度为45℃的蒸馏水中刻蚀24h，每4h更换一次蒸馏水，刻蚀技术后依次用乙醇、蒸馏水反复洗涤除去杂质，经温度30℃真空干燥12h，即得到聚己内酯组织工程多孔支架材料，采用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，结果与图2类似。
实施例5
(1)按体积比为聚乳酸(PLA)∶聚苯乙烯(PS)＝70∶30称取两种聚合物，将两种聚合物在室温下进行预混合得到预混物，然后将预混物在常压、180℃下，于微型挤出机中80rpm转速下混合8min，得到两种聚合物的熔融共混物；
(2)将步骤(1)得到的熔融共混物在真空模压机上模压成型，快速冷却定型，得到PLA/PCL片状共混坯体，所述模压成型的温度为180℃，模压压力为10MPa，模压时间为3min；
(3)将步骤(2)所得片状共混物坯体置于高压反应釜中，通入发泡气体二氧化碳并升温至140℃、加压至20MPa(此条件下二氧化已经转变为超临界流体)保温保压2h对片状共混坯体进行粗化，然后在温度120℃、压力10MPa下保温保压1h使超临界流体在片状共混坯体中达到饱和状态，继后保持温度不变以15MPa/s的速率将高压反应釜中的压力降至常压使片状共混坯体发泡，发泡后停止加热并通入冷却水使高压反应釜降温对片状共混物坯体冷却定型，即得到片状发泡坯体。
(4)用液氮将得到的片状发泡坯体进行脆断后浸入到温度为30℃的环己烷中刻蚀48h，每8h更换一次环己烷，刻蚀结束后依次用乙醇、蒸馏水反复洗涤除去杂质，经温度30℃真空干燥12h，即得到聚乳酸组织工程多孔支架材料，采用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，结果与图2类似。
实施例6
(1)按体积比为聚乳酸(PLA)∶聚苯乙烯(PS)＝60∶40称取两种聚合物，将两种聚合物在室温下进行预混合得到预混物，然后将预混物在常压、180℃下，于微型挤出机中80rpm转速下混合8min，得到两种聚合物的熔融共混物；
(2)将步骤(1)得到的熔融共混物在真空模压机上模压成型，快速冷却定型，得到PLA/PCL片状共混坯体，所述模压成型的温度为180℃，模压压力为10MPa，模压时间为3min；
(3)将步骤(2)所得共混物坯体置于高压反应釜中，通入发泡气体二氧化碳并升温至140℃、加压至20MPa(此条件下二氧化已经转变为超临界流体)保温保压2h对片状共混坯体进行粗化，然后在温度120℃、压力10MPa下保温保压1h使超临界流体在共混坯体中达到饱和状态，继后保持温度不变以15MPa/s的速率将高压反应釜中的压力降至常压使共混坯体发泡，发泡后停止加热并通入冷却水使高压反应釜降温对片状共混物坯体冷却定型，即得到片状发泡坯体。
(4)用液氮将得到的片状发泡坯体进行脆断后浸入到温度为30℃的环己烷中刻蚀48h，每8h更换一次环己烷，刻蚀结束后依次用乙醇、蒸馏水反复洗涤除去杂质，经温度30℃真空干燥12h，即得到聚乳酸组织工程多孔支架材料，采用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，结果与图2类似。
实施例7
(1)按体积比为聚乳酸(PLA)∶聚苯乙烯(PS)＝60∶40称取两种聚合物，将两种聚合物在室温下进行预混合得到预混物，然后将预混物在常压、180℃下，于微型挤出机中80rpm转速下混合8min，得到两种聚合物的熔融共混物；
(2)将步骤(1)得到的熔融共混物在真空模压机上模压成型，快速冷却定型，得到PLA/PCL片状共混坯体，所述模压成型的温度为180℃，模压压力为10MPa，模压时间为3min；
(3)将步骤(2)所得共混物坯体置于高压反应釜中，通入发泡气体氮气并升温至140℃、加压至20MPa(此条件下氮气已经转变为超临界流体)保温保压2h对片状共混坯体进行粗化，然后在温度120℃、压力10MPa下保温保压4h使超临界流体在共混坯体中达到饱和状态，继后保持温度不变以15MPa/s的速率将高压反应釜中的压力降至常压使共混坯体发泡，发泡后停止加热并通入冷却水使高压反应釜降温对片状共混物坯体冷却定型，即得到片状发泡坯体。
(4)用液氮将得到的片状发泡坯体进行脆断后浸入到温度为30℃的环己烷中刻蚀48h，每8h更换一次环己烷，刻蚀结束后依次用乙醇、蒸馏水反复洗涤除去杂质，经温度30℃真空干燥12h，即得到聚乳酸组织工程多孔支架材料，采用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，结果与图2类似。
实施例8
(1)按体积比为聚乳酸(PLA)∶聚己内酯(PCL)＝50∶50称取两种聚合物，将两种聚合物在室温下进行预混合得到预混物，然后将预混物在常压、180℃下，于微型挤出机中50rpm转速下混合5min，得到两种聚合物的熔融共混物；
(2)将步骤(1)得到的熔融共混物在真空模压机上模压成型，快速冷却定型，得到PLA/PCL片状共混坯体，所述模压成型的温度为180℃，模压压力为10MPa，模压时间为3min；
(3)将步骤(2)所得片状共混物坯体置于高压反应釜中，通入发泡气体二氧化碳并升温至140℃、加压至5MPa保温保压1h对片状共混坯体进行粗化，然后在温度130℃、压力15MPa下使反应釜内的流体转变为超临界流体并保温保压2h，使超临界流体在片状共混坯体中达到饱和状态，继后保持温度不变以10MPa/s的速率将高压反应釜中的压力降至常压使片状共混坯体发泡，发泡后停止加热并通入冷却水使高压反应釜降温对片状共混物坯体冷却定型，即得到片状发泡坯体。
(4)用液氮将得到的片状发泡坯体进行脆断后浸入到温度为50℃的乙酸中刻蚀48h，每8h更换一次乙酸，刻蚀结束后依次用乙醇、蒸馏水反复洗涤除去杂质，经温度30℃真空干燥12h，即得到聚乳酸组织工程多孔支架材料，采用扫描电镜(SEM)对其断面进行观察，结果与图2类似。

Claims (6)

1.具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程多孔支架材料的制备方法，其特征在于工艺步骤如下：
(1)以具有生物相容性的热塑性聚合物Ⅰ和与热塑性聚合物Ⅰ不相容的热塑性聚合物Ⅱ为原料，按照热塑性聚合物Ⅰ与热塑性聚合物Ⅱ的体积比为(2.5～1):1在室温下将两种热塑性聚合物进行预混合得到预混物，然后将预混物进行熔融共混得到熔融共混物；
所述具有生物相容性的热塑性聚合物Ⅰ为聚乳酸及其共聚物、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯中的一种；热塑性聚合物Ⅱ为聚己内酯、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种；
(2)将步骤(1)所得的熔融共混物真空模压成坯体，冷却定型，得到共混坯体；
(3)将步骤(2)所得共混坯体置于高压反应釜中，通入发泡气体并升温至50～160℃、加压至5～25 MPa保温保压0.5～4h对共混坯体进行粗化，然后在温度40～150℃、压力8～25MPa下使高压反应釜中的超临界流体在共混坯体中达到饱和状态，继后保持温度不变以5～15 MPa/s的速率将高压反应釜中的压力降至常压使共混坯体发泡，经冷却定型，得到发泡坯体；
(4)将步骤(3)所得发泡坯体浸入刻蚀液中进行刻蚀以去除热塑性聚合物Ⅱ，刻蚀结束后依次用乙醇、蒸馏水反复洗涤除去杂质，干燥后得到聚合物组织工程多孔支架材料。
2.根据权利要求1所述具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程多孔支架材料的制备方法，其特征在于步骤(3)所述发泡气体为二氧化碳、氮气、空气、甲烷、丁烷、戊烷中的一种。
3.根据权利要求1或2所述具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程支架材料的制备方法，其特征在于步骤(4)所述刻蚀液为蒸馏水、乙酸、环己烷中的一种。
4.根据权利要求1或2所述具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程多孔支架材料的制备方法，其特征在于将发泡坯体浸入刻蚀液中进行刻蚀的时间为4～48h，刻蚀过程中每4h更换一次刻蚀液，刻蚀液的温度为25℃～50℃。
5.根据权利要求3所述具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程多孔支架材料的制备方法，其特征在于将发泡坯体浸入刻蚀液中进行刻蚀的时间为4～48h，刻蚀过程中每4h更换一次刻蚀液，刻蚀液的温度为25℃～50℃。
6.权利要求1～5中任一权利要求所述方法制备的具有良好孔洞连通性的聚合物组织工程多孔支架材料。
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