CN110292658A

CN110292658A - 一种采用复合材料制备组织工程支架材料的方法

Info

Publication number: CN110292658A
Application number: CN201810234804.6A
Authority: CN
Inventors: 奚桢浩; 赵玲; 张嘉鹏; 岑莲; 陆尔奕; 宋超波; 韩宇晴; 杨盛兵; 颜益; 汪中进
Original assignee: East China University of Science and Technology; Shanghai Huaming Hi Tech Group Co Ltd
Current assignee: East China University of Science and Technology; Shanghai Huaming Hi Tech Group Co Ltd
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2019-10-01

Abstract

本发明公开了一种采用复合材料制备组织工程支架材料的方法，包括如下步骤：(1)将复合材料样品通过成型技术进行成型，然后置于高压容器内；(2)使用超临界流体置换所述高压容器内气体；(3)对所述高压容器进行加热和增压，使所述复合材料样品在高温高压的超临界流体氛围中发生饱和，使所述复合材料样品在高于所述超临界流体的临界温度或临界压力的情况下发生熔融，消除聚合物结晶；(4)然后降温至发泡温度；(5)快速泄压。本发明通过高温使高分子聚合物的晶区熔融，消除聚合物结晶，解决了线形直链高结晶度生物高分子聚合物的发泡问题，最终获得了结构可控的组织工程支架材料。

Description

一种采用复合材料制备组织工程支架材料的方法

技术领域

本发明涉及一种采用复合材料制备组织工程支架材料的方法。

背景技术

现有技术中，组织工程支架材料是指能与组织活体细胞结合并能植入生物体的不同组织，并根据具体替代组织具备的功能的材料。为了使种子细胞增殖和分化，需要提供一个由生物材料所构成的细胞支架，支架材料相当于人工细胞外基质。组织工程支架材料包括：骨、软骨、血管、神经、皮肤和人工器官，如肝、脾、肾、膀胱等的组织支架材料。

目前，组织工程支架材料按照来源进行分类为：(1) 天然可降解高分子材料，天然生物可降解高分子材料是指由动植物组织中提取的高分子可降解材料，如胶原（collagen），其本身就是天然骨的组织成分；壳聚糖（chitosan），是甲壳素的衍生物；还有明胶（gelatin）、琼脂、葡聚糖、透明质酸。这类材料的特点是降解产物易被机体吸收，但强度和加工性能较差，降解速度无法调节。(2) 天然可降解无机材料，例如珊瑚是天然动物的骨骼，其中99%是磷酸钙；再如，珊瑚羟基磷灰石（CHA）。它们都具有天然珊瑚的多孔结构，有较好的孔隙率，能和靶细胞很好的黏附，而不影响增殖、分化、成骨，是很好的骨组织工程材料。(3) 可降解合成高分子材料，常用的可降解合成高分子材料有聚乳酸[poly（lacticacid），PLA]、聚乙醇酸[poly(glycolic acid)，PGA]、聚己内酯(polycaprolactam，PCL)、聚醚、聚碳酸酯等。这类材料的降解产物可在体内代谢排除，对机体无害，可塑性较好。其中PLA和PGA在组织工程中应用最广泛。(4) 合成可降解无机材料，常用的主要有磷酸钙水泥(calcium phosphate cement，CPC)，羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)，磷酸三钙(tricalcium phosphate， TCP)，生物活性陶瓷如生物活性玻璃陶瓷( biologicalactivity ceramic glass，BCG)，细胞外基质陶瓷类材料等。(5) 复合材料：通过结合不同材料的特点，结合相互的优势来实现某些特定的功能。如聚乳酸-羟基磷灰石。其中，第5种材料，即复合材料目前应用较少，主要因为复合材料之间复杂的性质很难调节，无法满足组织工程支架材料的高要求。

另一方面，由于高分子材料的聚集态结构存在晶态与非晶态之区别，其聚集态的结构会直接影响材料的加工性能及产品微观的结构。很多高分子聚合物都是线形直链结构，导致其在固态具有较高的结晶度，但是在熔融态时黏弹性很低；因此，使用固态发泡会导致发泡材料孔径过小，孔隙率很低，连通性差，从而不适合组织工程的应用。而在熔融发泡过程中，如注塑或挤出发泡，螺杆的剪切会导致其线形分子链发生断裂，发泡材料泡孔坍塌，更不能适合组织工程的应用。

因此，如何解决高结晶度的高分子聚合物的发泡问题，如何制备结构可控的复合材料，使其满足组织工程支架材料的应用，这显然具有积极的现实意义。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种采用复合材料制备组织工程支架材料的方法。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种采用复合材料制备组织工程支架材料的方法，包括如下步骤：

(1) 将复合材料样品通过成型技术进行成型，然后置于高压容器内；

(2) 使用超临界流体置换所述高压容器内气体；

(3) 对所述高压容器进行加热和增压，使所述复合材料样品在高温高压的超临界流体氛围中发生饱和，并持续至少1分钟，使所述复合材料样品在高于所述超临界流体的临界温度或临界压力的情况下发生熔融，消除聚合物结晶；

(4) 然后降温至发泡温度，并持续至少1分钟；

(5) 快速泄压，即可得到组织工程支架材料；

上述步骤(1)中，所述复合材料样品为高分子聚合物材料和无机材料的混合物，其中，

所述高分子聚合物材料选自以下3种中的一种：(a)单一组分的高分子聚合物；(b)两种或两种以上的高分子聚合物的共聚物；(c)两种或两种以上的高分子聚合物的共混物；其中，高分子聚合物为：结晶度为46-52%的聚乙交酯、结晶度为40-47%的聚丙交酯乙交酯、结晶度为49-51%的聚丙交酯、结晶度为65-70%的聚己内酯、结晶度为55-65%的低密度医用级聚乙烯、结晶度为80-90%的高密度医用级聚乙烯、结晶度为40-60%的医用级聚对苯二甲酸乙二醇酯、结晶度为55-80%的医用级聚四氟乙烯、结晶度为49-51%的医用级聚酰胺PA6或结晶度为40-60%的医用级聚酰胺PA66；

所述无机材料选自碳酸钙、二氧化硅、三聚磷酸钠、生物玻璃、β三磷酸钙、羟基磷灰石中的一种或几种。

上述技术方案中，所述复合材料样品为高分子聚合物材料和无机材料的混合物，且以质量计，无机材料占复合材料样品总量的比值小于等于50%。

优选的，以质量计，无机材料占复合材料样品总量的比值小于30%。更优选的，无机材料占复合材料样品总量的比值为5~25%。更优选为10~20%。更优选为12~18%。更优选为14~16%。

上述技术方案中，所述步骤(1)中的高压容器为高温高压反应釜。

上述技术方案中，所述步骤(1)中的成型技术选自挤出混合、模压成型、粉碎共融和静电纺丝中的一种或几种。

上述技术方案中，所述步骤(2)中的超临界流体选自CO2、N2、H2O、CH4、CH3Cl、CH2Cl2、CH3OH、C5H10、CH3CH2OH、CFC-11、HCFC-14LB、HCFC-1141B、HCFC-22、HFC-245FA、FC-365MFC、HFC-134A、HFC-152A、HFE中的一种或几种。

上述技术方案中，所述步骤(3)中，对所述高压容器进行加热和增压，使所述复合材料样品在高温高压的超临界流体氛围中发生饱和，饱和时间为0.5-40小时。其中，高温是指高于高分子聚合物熔点1-50℃范围，优选5-20℃；高压的压力为5-40MPa，优选15-30MP；饱和时间优选1-10小时，保证聚合物结晶消除，处于无定形态。

上述技术方案中，所述步骤(4)中，所述发泡温度处于复合材料样品的结晶温度及其熔融温度区之间。

上述技术方案中，所述步骤(5)中，所述快速泄压的泄压速率控制在10-1000 MPa/s。

优选的，所述快速泄压的泄压速率控制在30-200 MPa/s。快速泄压可以采用现有的泄压设备，可以根据设定的压力-时间曲线进行泄压；这种现有的泄压设备主要包括压力传感器，压力-数字信号转换装置，数字信号记录装置。

上述技术方案中，所述组织工程支架材料为多孔支架结构，其孔隙率高于60%，连通率高于80%，孔径分布为1-800微米。优选的，所述孔隙率高于70%，连通率高于85%；孔径分布优选为5-500微米，进一步优选为5-50微米，更优选为15-30微米。

本发明的主要工作原理为：以超临界流体作为物理发泡剂，使用高压釜以间歇式发泡；在此基础上，通过高温使高分子聚合物的晶区熔融，消除聚合物结晶，再降低饱和温度，控制其发泡温度处于聚合物结晶温度及熔融温度之间，提高其聚合物熔体的黏弹性；从而解决了线形直链高结晶度生物高分子聚合物发泡问题，最终获得了结构可控的组织工程支架材料。首先，通过改变无机填料的含量，可以调控高分子聚合物的结晶行为，通常表现为高分子聚合物结晶度的降低；其次，无机填料在发泡过程作为一种高效能的成核剂，其主要作用是改变气泡的成核机理，将均相成核改变为异相成核，降低泡孔成核的自由能，从而减小泡孔尺寸，提高泡孔密度；其中纳米尺度的颗粒，更可以很大程度上提高聚合物熔体的粘度，使其发生拉伸硬化等有利于提高聚合物发泡性能的作用，从而可能对泡孔形貌以及聚合物发泡倍率产生积极影响；具体步骤为，将高分子聚合物与无机填料进行物理混合；在间歇釜内升温使高分子聚合物的完全熔融；降温，具体温度区间为复合材料的结晶温度与熔融温度之间；控制泄压速率进行泄压，并取出样品即可。

本发明同时请求保护由上述方法制得的组织工程支架材料。其孔隙率高于60%，连通率高于80%，孔径分布为1-800微米。优选的，所述孔隙率高于70%，连通率高于85%；孔径分布优选为5-500微米，进一步优选为5-50微米，更优选为15-30微米。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明通过在高分子聚合物内添加无机填料进行改性，能够提高高分子聚合物的生物相容性，克服聚合物降解产生酸性产物等问题；

2.本发明以超临界流体作为物理发泡剂，不需要使用有机溶剂，完全无毒；

3.本发明使用高压釜以间歇式发泡，通过高温使高分子聚合物的晶区熔融，消除聚合物结晶，再降低饱和温度，控制其发泡温度处于聚合物结晶温度及熔融温度之间，提高其聚合物熔体的黏弹性，从而解决了线形直链高结晶度生物高分子聚合物的发泡问题，最终获得了结构可控的组织工程支架材料，取得了显著的效果；

4.本发明通过改变无机填料的含量，可以调控高分子聚合物的结晶行为；无机填料在发泡过程作为一种高效能的成核剂，其主要作用是改变气泡的成核机理，将均相成核改变为异相成核，降低泡孔成核的自由能，从而减小泡孔尺寸，提高泡孔密度；发明人发现：纳米尺度的颗粒，更可以很大程度上提高聚合物熔体的粘度，使其发生拉伸硬化等有利于提高聚合物发泡性能的作用，从而可能对泡孔形貌以及聚合物发泡倍率产生积极影响；

5.本发明的制备方法简单易行，且非常环保，适合规模化生产。

附图说明

图1是本发明实施例1的压降曲线图。

图2是本发明实施例1中发泡后的产品内部截面SEM图。

图3是本发明实施例2的压降曲线图。

图4是本发明实施例2中发泡后的产品内部截面SEM图。

图5是本发明实施例3的压降曲线图。

图6是本发明实施例3中发泡后的产品内部截面SEM图。

图7是本发明实施例4的压降曲线图。

图8是本发明实施例4中发泡后的产品内部截面SEM图。

图9是本发明对比例2的压降曲线图。

图10是本发明对比例2中发泡后的产品内部截面SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

一种采用复合材料制备组织工程支架材料的方法，由如下步骤组成：

（1）使用的原料为结晶度为48%的聚乙交酯和CaCO3，且占整个原来的质量百分数为30%；将上述复合材料样品通过双螺杆挤出机混合然后压片得到片料，然后将其置于高温高压反应釜中；

（2）使用超临界二氧化碳(scCO2)置换高温高压反应釜内气体；

（3）将高温高压反应釜投入250℃的油浴锅中，再增压至30MPa，并饱和1小时；

（4）油浴迅速降温至220℃，并使反应釜中的片料饱和1小时；

（5）按设定压降曲线泄压，即可得到组织工程支架材料；泄压的压降曲线如图1所示。

发泡后的产品内部截面SEM图如图2所示。制备的发泡样品平均孔径为120微米，孔隙率为69%，连通率为68%。

实施例2

一种用于组织工程支架材料的复合材料的制备方法，由如下步骤组成：

（1）使用的原料为结晶度为50%的聚乙交酯和三聚磷酸钠，且占整个原来的质量百分数为1%；通过超声混合，然后用热压法制得片料，然后将其置于高温高压反应釜中；

（4）油浴迅速降温至210℃，并使反应釜中的片料饱和1小时；

（5）按设定压降曲线泄压，即可得到用于组织工程支架材料的复合材料；泄压的压降曲线如图3所示。

发泡后的产品内部截面SEM图如图4所示。制备的发泡样品平均孔径为40微米，孔隙率为65%，连通率为80%。

实施例3

（1）使用的原料为结晶度为67%的聚己内酯(PCL)粉末和β三磷酸钙，且占整个原来的质量百分数为30%；通过双螺杆挤出机混合，并用热压法制得片料，然后将其置于高温高压反应釜中；

（3）将高温高压反应釜投入90℃的水浴锅中，再增压至25MPa，并饱和1小时；

（4）油浴迅速降温至30℃，并使反应釜中的片料饱和1小时；

（5）按设定压降曲线泄压，即可得到用于组织工程支架材料的复合材料；泄压的压降曲线如图5所示。

发泡后的产品内部截面SEM图如图6所示。制备的发泡样品平均孔径为80微米，孔隙率为80%，连通率为97%。

实施例4

（1）使用的原料为结晶度为50%的聚丙交酯(PLA)粉末和生物玻璃，且占整个原来的质量百分数为30%；通过超声混合，并使用热压法制得片料，然后将其置于高温高压反应釜中；

（3）将高温高压反应釜投入200℃的水浴锅中，再增压至30MPa，并饱和1小时；

（4）油浴迅速降温至70℃，并使反应釜中的片料饱和1小时；

（5）按设定压降曲线泄压，即可得到用于组织工程支架材料的复合材料；泄压的压降曲线如图7所示。

发泡后的产品内部截面SEM图如图8所示。制备的发泡样品平均孔径为112微米，孔隙率为75%，连通率为93%。

对比例1

采用熔融纺丝的方法制备复合材料，其方法大致如下：（1）制备聚乙交酯纺丝熔体（将成纤高聚物切片熔融）与1%三聚磷酸钠的复合材料；（2）熔体通过螺杆剪切混合；（3）喷丝孔挤出形成熔体细流；（3）熔体细流冷却固化形成初生纤维；（4）初生纤维上油和卷绕。熔纺分直接纺丝法和切片纺丝法。

该方法制备的聚合物纤维在步骤（3）和（4）中经常断裂，无法实现聚乙交酯复合材料纺丝。

对比例2

一种用于组织工程支架材料的单一材料的制备方法，由如下步骤组成：

（1）使用的原料为结晶度为67%的聚己内酯(PCL)粉末，通过热压法制得片料，然后将其置于高温高压反应釜中；

（4）油浴迅速降温至30℃，并使反应釜中的片料饱和1小时；

（5）按设定压降曲线泄压，即可得到用于组织工程支架材料的复合材料；泄压的压降曲线如图9所示。

发泡后的产品内部截面SEM图如图10所示。制备的发泡样品平均孔径为70微米，孔隙率为60%，连通率为40%。

将上述实施例和对比例制得的的组织工程支架材料进行性能测试，结果如下表：

	平均孔径（微米）	孔隙率（%）	连通率（%）	压缩性能MPa	生物性能（%）
						实施例1	120	69	89	57	90
实施例2	40	65	80	95	92
						实施例3	80	80	97	13	75
实施例4	112	75	93	70	82
						对比例1	/	/	/	/	/
对比例2	60	55	40	6	63

从上表可以看出：（1）制备的泡沫具备较好的抗压缩性能；（2）螺杆剪切过程不是必需的步骤，发泡过程中无螺杆剪切，因此不会引起材料降解；（3）可以制备填料改性的低粘弹性聚合物产品；（4）发泡过程中无有机溶剂，完全无毒性；（5）复合材料生物性能可以得到显著提高；（6）复合无机填料后，发泡材料孔隙率和连通率得到显著提高。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种采用复合材料制备组织工程支架材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(2) 使用超临界流体置换所述高压容器内气体；

(4) 然后降温至发泡温度，并持续至少1分钟；

(5) 快速泄压，即可得到组织工程支架材料；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述复合材料样品为高分子聚合物材料和无机材料的混合物，且以质量计，无机材料占复合材料样品总量的比值小于等于50%。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：以质量计，无机材料占复合材料样品总量的比值小于30%。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的超临界流体选自CO2、N2、H2O、CH4、CH3Cl、CH2Cl2、CH3OH、C5H10、CH3CH2OH、CFC-11、HCFC-14LB、HCFC-1141B、HCFC-22、HFC-245FA、FC-365MFC、HFC-134A、HFC-152A、HFE中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，对所述高压容器进行加热和增压，使所述复合材料样品在高温高压的超临界流体氛围中发生饱和，饱和时间为0.5-40小时。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述发泡温度处于复合材料样品的结晶温度及其熔融温度的区间。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，所述快速泄压的泄压速率控制在10-1000 MPa/s。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述快速泄压的泄压速率控制在30-200MPa/s。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述组织工程支架材料为多孔支架结构，其孔隙率高于60%，连通率高于80%，孔径分布为1-800微米。

10.根据权利要求1至9中任一所述的方法制得的组织工程支架材料。