CN108607118B - 基于热压印技术制备3d多孔生物支架的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，包括：提供基板，通过压印技术制备具有网格状微沟槽结构的PDMS模板；采用热压印方法，将具生物降解性的聚合物材料加热熔融后浇注在PDMS模板的网格状微沟槽中，在模板浇注有熔融聚合物材料的表面覆盖表面平整光滑的PDMS板，进行挤压处理，挤出模板和PDMS板之间多余的聚合物材料，移除PDMS板，形成网格状的聚合物微图案；在模板具有聚合物微图案的表面浇注PVA溶液，经干燥处理形成与聚合物微图案粘连的PVA膜，将粘连有聚合物微图案的PVA膜从模板上剥离，再将PVA膜溶解，得到单层网格状的聚合物微图案；将单层网格状的聚合物微图案进行卷曲或折叠。

Description

基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法
技术领域
本发明属于高分子的成型设计以及材料的图案化处理领域，尤其涉及一种基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法。
背景技术
组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。理想的骨组织工程支架必须具备骨诱导性能，即其可以在支架表面或孔里面使骨细胞粘附、增殖、形成细胞外基质。
现有的多孔支架的制备方式比较多，可以制备不同孔径大小、孔径形态、孔径分布、以及排列有序的多孔聚合物，而多孔支架的应用，主要由多孔聚合物的结构特征和组成的材料性质决。目前高分子聚合物类多孔支架主要的制备方法有：粒子浙滤法、冷冻干燥法、发泡法、静电纺丝法和3D打印技术。经过近二十年的发展，3D打印技术也有了很大的进步，目前己经能够在单层厚度上实现较小的精细分辨率。扫描三维重建和打印技术在医学领域，尤其在整形外科和口腔科学中得到了前所未有的发展。但是对于组织工程支架来说，各个组织的组织修复中，细胞所需要的基质环境是不一样的，比如骨细胞需要的是孔径比较大的支架，而血管组织中，平滑肌细胞以及内皮需要的是孔径比较小的支架，孔径大小要求小于100微米。但目前最先进的3D打印设备精度是难于达到这个精度的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，旨在解决现有3D打印技术制备的生物支架，精度相对较低，难以满足细胞进行组织修复时的基质环境要求、特别是小孔径的生物支架要求的问题。
本发明是这样实现的，一种基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，包括以下步骤：
提供一基板，通过压印技术制备具有网格状微沟槽结构的PDMS模板；
采用热压印方法，将具生物降解性的聚合物材料加热熔融后浇注在所述PDMS模板的网格状微沟槽中，在所述模板浇注有熔融聚合物材料的表面覆盖表面平整光滑的PDMS板，进行挤压处理，挤出所述模板和所述PDMS板之间多余的聚合物材料，冷却后移除所述PDMS板，形成网格状的聚合物微图案；
在所述模板具有聚合物微图案的表面浇注PVA溶液，经干燥处理形成与所述聚合物微图案粘连的PVA膜，将粘连有聚合物微图案的所述PVA膜从所述模板上剥离，再将所述PVA膜溶解，得到单层网格状的聚合物微图案；
将所述单层网格状的聚合物微图案进行卷曲或折叠，得到三维多孔生物支架。
本发明提供的基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，采用改良后的压印技术制备网格状微沟槽结构，可以得到图案精细的网格状微沟槽结构，进而得到高精度的三维多孔生物支架，使所述三维多孔生物支架的最小线宽可达到10μm；同时，构建出来的图案具有多样性、复杂性的特点，能够作为组织工程支架适用于各类组织，具有更好的可操作性和选择性。本发明基于热压印技术制备的3D多孔生物支架在血管组织工程，骨组织工程及软骨组织工程等领域有着较好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的基于热压印技术制备3D多孔生物支架的工艺流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，包括以下步骤：
S01.提供一基板，通过压印技术制备具有网格状微沟槽结构的PDMS模板；
S02.采用热压印方法，将具生物降解性的聚合物材料加热熔融后浇注在所述模板的网格状微沟槽中，在所述PDMS模板浇注有熔融聚合物材料的表面覆盖表面平整光滑的PDMS板，进行挤压处理，挤出所述模板和所述PDMS板之间多余的聚合物材料，冷却后移除所述PDMS板，形成网格状的聚合物微图案；
S03.在所述模板具有聚合物微图案的表面浇注PVA溶液，经干燥处理形成与所述聚合物微图案粘连的PVA膜，将粘连有聚合物微图案的所述PVA膜从所述模板上剥离，再将所述PVA膜溶解，得到单层网格状的聚合物微图案；
S04.将所述单层网格状的聚合物微图案进行卷曲或折叠，得到三维多孔生物支架。
具体的，上述步骤S01中，提供一个用于制备网格状微沟槽结构模板的基板。优选的，所述基板为在300℃条件下不熔融、无析出；且刚性较大，不容易产生塑性变形的基板，具体的，所述基板在压力大小为4MPa下，变形量不超过10％的基板。优选的所述基板，不仅具有良好的刚性，而且在300℃条件下不熔融、无析出，从而能够保证所述基板在下述步骤高温熔融的条件下，不会产生形变影响网格状微沟槽结构的形状，同时也不会析出，避免后续形成的聚合物微图案中含有基板材料成分对支架性能及其使用安全性带来的不利影响。
本发明实施例通过改良的压印技术制备具有网格状微沟槽结构的模板，优选的，所述压印技术制备具有网格状微沟槽结构的模板的方法为：
S011.提供PDMS预聚体，将所述PDMS预聚体与引发剂按照质量比为4.5-5.5：1的比例混合形成PDMS预聚体混合物；具体优选的，所述PDMS预聚体与引发剂的质量比为5：1。
S012.将所述PDMS预聚体混合物浇筑在表面刻蚀有微图案的硅片表面，静置处理。其中，所述硅片中，所述微图案为正方形凸起，且所述正方形凸起之间的最小线宽为10μm；所述静置处理可以排除PDMS预聚物中的气泡，优选静置时间为12小时。
S013.将浇注有所述PDMS预聚体混合物的所述硅片置于聚四氟乙烯容器中，转入78-82℃的烘箱烘烤后，将表面的PDMS模板从所述硅片表面剥离下来，即可得到网格状PDMS微沟槽模板。具体优选的，所述烘烤温度为80℃，烘烤时间为5小时，从而得到固化效果更佳、同时又易于将PDMS模板从所述硅片表面剥离下来的最佳温度。
本发明压印技术制备具有网格状微沟槽结构的PDMS模板，刚性较大，不易变形，在4MPa的压力小，变形量小于10％，在后面的单层微图案制备过程中，能够保证制备的单层图案图形精确。
通过所述改良的压印技术，本发明实施例得到的网格状微沟槽结构，微沟槽之间的间距可低至10μm，同时微沟槽的深度可高达100μm，具有非常高的精细度。
上述步骤S02中，采用热压印方法在所述网格状微沟槽中沉积具生物降解性的聚合物材料。具体的，挤压出来过程中，压力大小为4MPa，保持时间为20min；待冷却处理如温度降至常温(15-35℃)后，撤去压力，即可剥离掉表面覆盖的PDMS板。
本发明实施例中，具生物降解性的所述聚合物材料为脂肪族聚酯，包括但不限于聚己内酯、聚乳酸、聚乙交酯；聚羟基醋酸、聚羟基丁酸酯、聚乳酸、乳酸一聚乙二醇共聚物、聚乳酸一聚乙二醇嵌段共聚物。由此，可以根据需修复组织的细胞外基质的结构和物理化学性质，选择不同材料、图案的网格状聚合物微图案，从而形成所需的三维多孔生物支架。
为了使得制备的三维多孔生物支架具有更好地组织诱导性及力学性能，优选的，所述聚合物材料中添加有纳米功能颗粒。所述纳米功能颗粒包括但不限于纳米羟基磷灰石颗粒、复合纳米纤维颗粒。其中，在所述聚合物材料在添加所述纳米羟基磷灰石颗粒制备的骨组织工程支架，可促进骨组织的形成；在所述聚合物材料在添加所述复合纳米纤维颗粒制备的软骨组织工程支架，可促进软骨组织的生成。进一步优选的，以所述聚合物材料的质量为100％计，所述纳米功能颗粒的含量与是所述聚合物材料的3-20％。若所述纳米功能颗粒的添加量过低，则无法起到相应的效果，如纳米羟基磷灰石促进骨组织形成的效果、所述复合纳米纤维颗粒促进软骨组织生成的效果；若所述纳米功能颗粒的添加量过高，则三维多孔支架的生物相容性变差，无法作为生物支架使用。
将具生物降解性的聚合物材料加热熔融的方法不受限制，当然，不同的聚合物材料具有不同的熔融温度。
浇注过程中，熔融的所述聚合物材料不可避免地会落到所述模板网格状微沟槽结构之外的区域，如果不去除该部分多余的聚合物材料，会影响后续得到的单层聚合物图案的形状的空隙分布。因此，在保持所述聚合物材料熔融状态下，在所述模板浇注有熔融聚合物材料的表面覆盖表面平整光滑的PDMS(聚二甲基硅氧烷)板，进行挤压处理，挤出所述模板和所述PDMS板之间多余的聚合物材料。相比于机械剥离方式，如刮刀剥离，本发明实施例采用平板挤压的方式去除多余的聚合物材料，不仅操作方便，更重要的是，平板挤压的方式不会破坏聚合物材料薄膜的完整性，从而可以保持得到的单层聚合物图案的完整膜结构。而PDMS材质的平板，是一种高分子生物材料平板，具有较好的稳定性，即便在聚合物材料熔融温度下也不会与聚合物基体发挥化学反应，不会析出，且不与所述聚合物材料粘连，易于分离。此外，所述PDMS板无毒性，符合绿色环保理念。
所述挤压处理的压力、时间，可根据具体的聚合物材料的熔融物粘度大小调整。冷却后移除所述PDMS板，形成网格状的聚合物微图案，所述网格状的聚合物微图案中的微孔与相邻微孔彼此通过聚合物相连。
上述步骤S03中，在所述模板具有聚合物微图案的表面浇注PVA(聚乙烯醇)溶液，具体可为PVA水溶液，经干燥处理形成与所述聚合物微图案粘连的PVA膜。其中，所述PVA干燥后具有较好的强度以及粘连性，易于将微图案单层粘连后从PDMS模板上剥离下来。所述干燥处理可以除去所述PVA溶液中的溶剂，从而在所述有聚合物微图案表面形成PVA膜。优选的，所述PVA溶液的质量百分浓度为1.8-2.2％，具体优选为2％。若所述PVA溶液的浓度过低，则不容易形成能够粘结聚合物微图案的薄膜；若所述PVA溶液的浓度过高，则形成的膜层难以去除。所述剥离方法没有明确限制。进一步的，将剥离后的、粘附有单层聚合物微图案的PVA膜溶解，优选在水中熔融，即可得到微孔连通的网格状的聚合物微图案单层膜。
本发明实施例中，所述聚合物微图案的线宽≥10μm，图案深度为10-100μm。即本发明实施例得到的所述聚合物微图案的线宽可低至10μm，可见其精细度之高。
所述聚合物微图案中，微图形的图案没有明确的限定，可以为微米直弧形、S形沟槽、圆形、多边形中的至少一种，由此可以得到具有多样化微图案的三维多孔生物支架。
上述步骤S04中，将所述单层网格状的聚合物微图案进行卷曲或折叠，得到三维多孔生物支架。叠加层数根据需3D多孔生物支架的大小进行选择，叠加粘连后，即可得到由单层微图案结构组合而成的3D多孔支架，其孔径大小与所制备单层图案的网格大小一致。进行卷曲或折叠时，可采用生物粘连剂对层与层之间的边缘进行粘连。
优选的，所述三维多孔生物支架中，层与层之间的间距为20-100μm，从而保证所述三维多孔生物支架用于生物体内时，细胞能够在层与层之间进行迁移，进而促进组织的有序生成。
本发明实施例提供的基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，采用改良后的压印技术制备网格状微沟槽结构，可以得到图案精细的网格状微沟槽结构，进而得到高精度的三维多孔生物支架，使所述三维多孔生物支架的最小线宽可达到10μm；同时，构建出来的图案具有多样性、复杂性的特点，能够作为组织工程支架适用于各类组织，具有更好的可操作性和选择性。本发明实施例基于热压印技术制备的3D多孔生物支架在血管组织工程，骨组织工程及软骨组织工程等领域有着较好的应用前景。
下面结合具体实施例进行说明。
实施例1
一种基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S11.提供一基板，通过压印技术制备具有网格状微沟槽结构的模板，所述网格状微沟槽结构中网格沟槽的宽度为50μm，深度为100μm；
S12.采用热压印方法，将具生物降解性的0.2g聚己内脂加热到70℃熔融后，浇注在所述模板的网格状微沟槽中，在所述模板浇注有熔融聚合物材料的表面覆盖表面平整光滑的PDMS板，进行挤压处理，挤出所述模板和所述PDMS板之间多余的聚合物材料，冷却后移除所述PDMS板，形成网格状的聚合物微图案；
S13.在所述模板具有聚合物微图案的表面浇注质量百分含量为2％的PVA水溶液，经干燥处理形成与所述聚合物微图案粘连的PVA膜，将粘连有聚合物微图案的所述PVA膜从所述模板上剥离，再将所述PVA膜溶解，得到单层网格状的聚合物微图案；
S14.将所述单层网格状的聚合物微图案进行折叠粘连，折叠层数为20层，得到三维多孔生物支架。
实施例2
一种基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，与实施例1基本相同，所不同的是：选择的聚合物材料为聚己内酯以外的其他脂肪族聚酯。
实施例3
一种基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，与实施例1基本相同，所不同的是：所述压印技术的方法为：提供PDMS预聚体，将所述PDMS预聚体与引发剂按照质量比为5：1的比例混合形成PDMS预聚体混合物；将所述PDMS预聚体混合物浇筑在表面刻蚀有微图案的硅片表面，静置处理；将浇注有所述PDMS预聚体混合物的所述硅片置于聚四氟乙烯容器中，转入80℃的烘箱烘烤后，将表面的PDMS模板从所述硅片表面剥离下来，即可得到网格状PDMS微沟槽模板。
实施例4
一种基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，与实施例1基本相同，所不同的是：光压印技术的硅片模板表面具有的图形是是有两部分图案组成的复合图案，一部分为适合平滑肌生长的长方形的网格，另一部分为适合内皮细胞生长的正方形的网格。三维支架为卷曲后的管状支架，可作为血管组织工程支架使用。
实施例5
一种基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，与实施例1基本相同，所不同的是：光压印技术的硅片模板表面具有的图形是面积大小为1000μm2的正三角形，正方形以及圆，图形高度为30μm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，包括以下步骤：
提供一基板，通过压印技术制备具有网格状微沟槽结构的PDMS模板；
采用热压印方法，将具生物降解性的聚合物材料加热熔融后浇注在所述PDMS模板的网格状微沟槽中，在所述模板浇注有熔融聚合物材料的表面覆盖表面平整光滑的PDMS板，进行挤压处理，挤出所述模板和所述PDMS板之间多余的聚合物材料，冷却后移除所述PDMS板，形成网格状的聚合物微图案；
在所述模板具有聚合物微图案的表面浇注PVA溶液，经干燥处理形成与所述聚合物微图案粘连的PVA膜，将粘连有聚合物微图案的所述PVA膜从所述模板上剥离，再将所述PVA膜溶解，得到单层网格状的聚合物微图案；
将所述单层网格状的聚合物微图案进行卷曲或折叠，得到三维多孔生物支架。
2.如权利要求1所述的基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，其特征在于，通过压印技术制备具有网格状微沟槽结构的模板的方法为：
提供PDMS预聚体，将所述PDMS预聚体与引发剂按照质量比为4.5-5.5：1的比例混合形成PDMS预聚体混合物；
将所述PDMS预聚体混合物浇筑在表面刻蚀有微图案的硅片表面，静置处理；
将浇注有所述PDMS预聚体混合物的所述硅片置于聚四氟乙烯容器中，转入78-82℃的烘箱烘烤后，将表面的PDMS模板从所述硅片表面剥离下来，即可得到网格状PDMS微沟槽模板，
其中，所述硅片中，所述微图案为正方形凸起，且所述正方形凸起之间的最小线宽为10μm。
3.如权利要求1所述的基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，其特征在于，所述PVA溶液的质量百分浓度为1.8-2.2％。
4.如权利要求1-3任一所述的基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，其特征在于，所述聚合物微图案的线宽≥10μm，图案深度为10-100μm。
5.如权利要求1-3任一所述的基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，其特征在于，所述三维多孔生物支架中，层与层之间的间距为20-100μm。
6.如权利要求1-3任一所述的基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，其特征在于，所述聚合物材料为脂肪族聚酯，包括聚己内酯、聚乳酸、聚乙交酯、聚羟基醋酸、聚羟基丁酸酯、乳酸一聚乙二醇共聚物、聚乳酸一聚乙二醇嵌段共聚物。
7.如权利要求6所述的基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，其特征在于，所述聚合物材料中添加有纳米功能颗粒。
8.如权利要求7所述的基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，其特征在于，以所述聚合物材料的质量为100％计，所述纳米功能颗粒的含量是所述聚合物材料的3-20％。
9.如权利要求1-3任一所述的基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，其特征在于，所述基板为在300℃条件下不熔融、无析出；且在压力大小为4MPa下，变形量不超过10％的基板。
10.如权利要求1-3任一所述的基于热压印技术制备3D多孔生物支架的方法，其特征在于，所述聚合物微图案中，微图案的形状为微米直弧形、S形沟槽、圆形、多边形中的至少一种。
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