CN113476653A - 原位成纤-粒子沥滤法以制备纤维构筑的多孔组织工程支架的方法 - Google Patents

原位成纤-粒子沥滤法以制备纤维构筑的多孔组织工程支架的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用原位成纤‑粒子沥滤法来制备组织工程支架的方法，制备过程不需溶剂，原位生成纤维，经去除基体相和致孔剂后，将得到纤维构筑的多孔组织工程支架，制备过程简单。组织工程支架内纤维的构筑形态可通过不同的加工方式来控制。纤维结构与细胞外基质的结构相似，将有利于细胞黏附生长。本发明以氯化钠为致孔剂，聚乙二醇为基体相和致孔剂，聚己内酯为成纤相，用原位成纤‑粒子沥滤法制备了一系列不同纤维构筑形态和不同孔隙率的聚己内酯多孔组织工程支架，结果表明，制备的多孔支架的孔隙率最高可达68.32%，强度测试结果表明支架拉伸强度最高可达1.74MPa。

Description

原位成纤-粒子沥滤法以制备纤维构筑的多孔组织工程支架 的方法
技术领域
本发明涉及组织工程技术领域，具体涉及一种原位成纤-粒子沥滤法以制备纤维构筑的多孔组织工程支架的方法，制备过程简单，原位生成纤维，不需有机溶剂。组织工程支架由纤维构筑而成，与细胞外基质的结构相似，有利于细胞黏附生长。
背景技术
伴随医学科学的发展, 器官移植技术已应用于临床, 但存在的主要问题是供体不足。组织工程的诞生与发展为人类再造各种人体组织和器官、解决棘手的器官移植供体短缺问题带来了希望。
组织工程支架是细胞外基质的替代物，诱导细胞的增殖、分化以及新组织的生长，是组织工程的重要组成部分。理想的组织工程支架需要满足以下要求：1. 具有良好的生物相容性；2. 适当的生物降解性；3. 具有三维立体多孔结构和高的孔隙率，孔间贯通性良好；4. 具有可塑性和较好的机械强度；5. 材料表面微环境利于细胞黏附、增殖，能激活细胞特异基因表达。此外，孔隙的状态（包括尺寸、形状和表面性质）在细胞种植、吸附、生长和新组织的形成方面起着重要的作用。
目前，在组织工程研究中应用的生物材料主要是天然高分子材料和人工合成可降解高分子材料。其中人工合成可降解高分子的分子量、降解速率和其它性能可以精确控制，易于构建特定的微观结构，是目前组织工程研究中应用最多的生物材料。这类材料主要有聚乳酸、聚乙交酯、聚乙二醇、聚己内酯以及它们的共聚物等。
聚己内酯是一种经过美国食品和药品管理局批准可用于人体的生物可降解聚酯。结晶性好，降解速率较慢，降解后的最终产物为二氧化碳和水，对人体无毒，可以解决支架长期植入的问题。分子链柔顺性好，在室温下是橡胶态。具有优良的组织相容性、药物通过性、生物相容性和力学性能，在生物医学领域应用广泛。聚己内酯的熔点较低，容易进行机械加工。
聚乙二醇为人工合成的聚合物，具有很好的亲水性、溶解性，无毒、无免疫原性、无排异反应性，生物相容性和抗血拴形成的能力较好，己经得到美国食品和药物管理局批准用于人体。
目前，已有许多方法可以制备多孔组织工程支架，如快速成型法、静电纺丝法、溶剂挥发法、溶液浇铸/粒子沥滤法、冷冻干燥法、相分离法、气体发泡法等。每一种制备方法都有自己的优缺点，如冷冻干燥法制得的支架孔径较小；粒子沥滤法制得的支架的厚度较小，且支架表面较致密；气体发泡法制得的支架的贯通性较差；静电纺丝法、溶剂挥发法、溶液浇铸/粒子沥滤法均要使用大量有机溶剂来溶解聚合物，后处理过程繁杂，且残存的有机溶剂对细胞生长不利。因而，需要一种新的制备方法或将上述方法结合使用，以制备出综合性能更好的组织工程支架。
纤维在组织工程支架领域中有重要的地位。从仿生学角度看，人的组织和器官是以纳米纤维的形式和结构堆积的。因而，如果能制备一种以纤维为基本单元的组织工程支架，就可以模拟细胞外基质的结构和生物功能，从而为细胞提供一个种植、繁殖、生长的理想模板。另一方面，纤维的高比表面积有利于细胞黏附、增殖和分化，以及负载生长因子等。
目前，以纤维为基本单元的组织工程支架的制备方法有静电纺丝法和纤维编织法。
静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在高压静电场的作用下形成纤维。静电纺丝得到的纳米纤维尺寸小于细胞，在结构和功能上与细胞外基质相似，加工过程简单。但是静电纺丝法多用于制备二维的膜状组织工程支架，强度较低，如用其制备三维块状支架，则需要很长的时间。
纤维编织法需要预先加工出纤维，再将纤维有规律地编织成三维连通的编织网，或者将纤维无序放置构成组织工程支架。三维组织工程支架网孔大小不均匀，力学性能差，多用作软组织工程支架。成纤和制备组织工程支架分步进行，制备过程繁琐。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种新的以纤维为基本单元的多孔组织工程支架的制备方法，即原位成纤-粒子沥滤法。
本发明的技术方案：
将聚己内酯和聚乙二醇加热至熔融并混合均匀后加入氯化钠颗粒，加热混合均匀，得到颗粒混合物；颗粒混合物经牵引装置拉伸后折叠或卷绕至原始大小。然后放入模具模腔内，压平，用冰水冷却，取出产物，用去离子水浸泡，除去聚乙二醇和氯化钠，干燥后得到聚己内酯纤维构筑的多孔组织工程支架。
具体的技术方案为：
一种原位成纤-粒子沥滤法以制备纤维构筑的多孔组织工程支架的方法，包括以下步骤：（1）将聚己内酯和聚乙二醇投入混合机中，控制混合温度为50-70℃，加热至熔融，得到粘稠混合物；（2）将氯化钠颗粒添加到粘稠混合物中，加热混合均匀，加热温度为50-70℃，得到颗粒混合物；颗粒混合物在50-60℃经牵引装置拉伸2-10倍，横向折叠、纵向折叠至原始大小，再拉伸至2-10倍，再横向折叠、纵向折叠至原始大小。或者颗粒混合物经牵引装置拉伸2-10倍后，卷绕至原始大小。（3）将拉伸并折叠或卷绕后的颗粒混合物放入模具模腔内，压平，用冰水冷却，取出产物，用去离子水浸泡，除去聚乙二醇和氯化钠，然后在室温下吹干水分，最后真空干燥，得到聚己内酯纤维构筑的多孔组织工程支架。
优选的，步骤（1）中所述聚乙二醇和聚己内酯的质量比为(1-3):1，聚乙二醇的平均分子量为5500-6500，聚己内酯的平均分子量为7万-9万。。
优选的，步骤（1）中的加热温度为65-70℃，加热时间为5-7分钟，搅拌速率为200r/min。
优选的，步骤（2）中的加热温度为60-65℃，加热时间为3-4分钟，搅拌速率为200r/min。
优选的，步骤（2）中氯化钠颗粒的粒径为50-100微米，氯化钠颗粒与聚己内酯的质量比为(4-8):1。
优选的，步骤（2）中颗粒混合物在拉伸时的温度为55-60℃。
优选的，步骤（3）中冷却后的产物在去离子水中浸泡10天，去离子水每12小时换一次；室温下吹干水分的时间为24小时，真空干燥的温度为室温，真空干燥的真空度小于200Pa，所述室温为10-39℃。
本发明的有益效果：
本发明所用的聚己内酯熔点为58-60℃，所用的低分子量聚乙二醇熔点为53-58℃，混合及成纤过程温度较低。本发明选择聚己内酯为组织工程支架的主要原料，低分子量的聚乙二醇为基体相和致孔剂，氯化钠颗粒为致孔剂，不会影响组织工程支架的医用性能。低分子量的聚乙二醇可很好地溶解于水中，有利于后期除去聚乙二醇以形成孔洞。
原位成纤是指在熔融加工过程中一种分散相树脂在另一种基体树脂中原位形成纤维的过程。原位成纤的实质是使分散相液滴产生较大形变并保持下来形成稳定的微纤。原位成纤技术原本主要用于复合材料的增强中，分散相微纤分散在基体中，构成增强骨架。当聚合物材料受到外力时，应力通过界面层由基体相传递给分散相微纤。微纤直径较小，比表面积大，分散又比较均匀，能够将基体所受应力较好地分散和传递出去，提高了复合材料的机械性能。
本发明将原位成纤技术用于组织工程支架的制备中。将生物可降解聚己内酯作为分散相和成纤相，将水溶性的聚合物低分子量聚乙二醇作为基体相和致孔剂，将氯化钠作为致孔剂，经熔融共混、拉伸、折叠或卷绕、成型、冷却、浸泡除去聚乙二醇和氯化钠，形成由聚己内酯纤维构筑的多孔组织工程支架。制备过程简单，原位生成纤维，不需有机溶剂，避免了有机溶剂对支架的不利影响和后期除去溶剂的繁琐操作，将成纤和制备过程同时完成，支架内纤维的构筑方式可通过不同的加工方法控制。组织工程支架由纤维构筑而成，与细胞外基质的结构相似，将有利于细胞黏附生长。为制备组织工程支架提供了一种新的思路。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的组织工程支架表面的扫描电镜图。
图2为本发明实施例2所制备的组织工程支架表面的扫描电镜图。
图3为本发明实施例4所制备的组织工程支架表面的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进一步阐述本发明。显然，所述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,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
将聚己内酯和聚乙二醇投入混合机中，聚乙二醇与聚己内酯的质量比为1:1，控制混合温度为65℃，加热至熔融，加热混合时间为6分钟，得到粘稠混合物；将氯化钠颗粒（粒径为50-100微米）添加到粘稠混合物中，加热混合均匀，加热混合时间为4分钟，加热温度为65℃，得到颗粒混合物，氯化钠与聚己内酯的质量比为3:1；颗粒混合物在60℃经牵引装置拉伸10倍，横向折叠、纵向折叠至原始大小，再拉伸至10倍，再横向折叠、纵向折叠至原始大小，以使拉伸形成的纤维堆叠形成纵横交错的结构，重复拉伸可使纤维的直径更小。取1-2克拉伸并折叠后的颗粒混合物放入模具模腔内，模腔尺寸为50mm×10mm×2mm，压平，用冰水冷却，取出产物，用去离子水浸泡10天，每12小时换一次水，除去聚乙二醇和氯化钠，然后在室温（10-39℃）下24小时吹干水分，最后在真空度小于200Pa的真空干燥箱中室温真空干燥，得到聚己内酯纤维构筑的多孔组织工程支架。
用体积法测量支架的孔隙率，具体方法为：将支架浸入一定体积的乙醇溶液（V1）中，在溶液中反复挤压-放松支架，使支架的孔隙中充满乙醇，此时乙醇溶液及充满液体的支架的总体积计为V2，取出充满液体的支架，剩余乙醇液体的体积计为V3。用公式1计算出支架的孔隙率л为52.48%。
л= (V1-V3)/(V2-V3) （1）
用电子万能力学实验机测试支架的拉伸强度，拉伸速率为2.0mm/min，测试出支架的拉伸强度为0.61MPa。
对样品表面进行喷金处理后，用扫描电镜观察支架的表面形貌。
实施例2
将聚己内酯和聚乙二醇投入混合机中，聚乙二醇与聚己内酯的质量比为2:1，控制混合温度为65℃，加热至熔融，加热混合时间为6分钟，得到粘稠混合物；将氯化钠颗粒添加到粘稠混合物中，加热混合均匀，加热混合时间为4分钟，加热温度为65℃，得到颗粒混合物，氯化钠与聚己内酯的质量比为2:1；颗粒混合物经牵引装置拉伸10倍后，卷绕至原始大小，以使拉伸形成的纤维堆叠形成纵横交错的结构。将拉伸并卷绕后的颗粒混合物放入实施例1所述模具模腔内，压平，用冰水冷却，取出产物，用水除去聚乙二醇和氯化钠，干燥后得到聚己内酯纤维构筑的多孔组织工程支架。
对样品表面进行喷金处理后，用扫描电镜观察支架的表面形貌。
用实施例1所述的方法测量多孔支架的孔隙率和拉伸强度，结果表明孔隙率为47.21%，拉伸强度为0.72MPa。
实施例3
将聚己内酯和聚乙二醇投入混合机中，聚乙二醇与聚己内酯的质量比为3:1，控制混合温度为65℃，加热至熔融，加热混合时间为6分钟，得到粘稠混合物；将氯化钠颗粒添加到粘稠混合物中，加热混合均匀，加热混合时间为4分钟，加热温度为65℃，得到颗粒混合物，氯化钠与聚己内酯的质量比为2:1；颗粒混合物经牵引装置拉伸10倍后，卷绕至原始大小。将拉伸并卷绕后的颗粒混合物放入实施例1所述的模具模腔内，压平，用冰水冷却定型后用水除去聚乙二醇和氯化钠，干燥后得到聚己内酯纤维构筑的多孔组织工程支架。
用实施例1所述的方法测量多孔支架的孔隙率和拉伸强度，结果表明孔隙率为54.65%，拉伸强度为0.29MPa。
实施例4
将聚己内酯和聚乙二醇投入混合机中，聚乙二醇与聚己内酯的质量比为2:1，控制混合温度为65℃，加热至熔融，加热混合时间为6分钟，得到粘稠混合物；将氯化钠颗粒添加到粘稠混合物中，加热混合均匀，加热混合时间为4分钟，加热温度为65℃，得到颗粒混合物，氯化钠与聚己内酯的质量比为5:1；颗粒混合物在60℃经牵引装置拉伸10倍，横向折叠、纵向折叠至原始大小，再拉伸至10倍，再横向折叠、纵向折叠至原始大小。将拉伸并折叠后的颗粒混合物放入实施例1所述的模具模腔内，压平，用冰水冷却定型后用水除去聚乙二醇和氯化钠，干燥后得到聚己内酯纤维构筑的多孔组织工程支架。
对样品表面进行喷金处理后，用扫描电镜观察支架的表面形貌。
用实施例1所述的方法测量多孔支架的孔隙率和拉伸强度，结果表明孔隙率为60.42%，拉伸强度为0.11MPa。
实施例5
将聚己内酯和聚乙二醇投入混合机中，聚乙二醇与聚己内酯的质量比为1:1，控制混合温度为65℃，加热至熔融，加热混合时间为8分钟，得到粘稠混合物；将氯化钠颗粒添加到粘稠混合物中，加热混合均匀，加热混合时间为3分钟，加热温度为65℃，得到颗粒混合物，氯化钠与聚己内酯的质量比为1:1；颗粒混合物经牵引装置拉伸10倍后，卷绕至原始大小。将拉伸并卷绕后的颗粒混合物放入实施例1所述的模具模腔内，压平，用冰水冷却定型后用水除去聚乙二醇和氯化钠，干燥后得到聚己内酯纤维构筑的多孔组织工程支架。
用实施例1所述的方法测量多孔支架的孔隙率和拉伸强度，结果表明孔隙率为28.13%，拉伸强度为1.74MPa。
实施例6
将聚己内酯和聚乙二醇投入混合机中，聚乙二醇与聚己内酯的质量比为3:1，控制混合温度为65℃，加热至熔融，加热混合时间为6分钟，得到粘稠混合物；将氯化钠颗粒添加到粘稠混合物中，氯化钠与聚己内酯的质量比为8:1，加热混合均匀，加热温度为65℃，加热混合时间为5分钟，得到颗粒混合物；颗粒混合物经牵引装置拉伸10倍后，卷绕至原始大小。将拉伸并卷绕后的颗粒混合物放入实施例1所述的模具模腔内，压平，用冰水冷却定型后用水除去聚乙二醇和氯化钠，干燥后得到聚己内酯纤维构筑的多孔组织工程支架。
用实施例1所述的方法测量多孔支架的孔隙率和拉伸强度，结果表明孔隙率为68.32%，但是强度太低以致不能测出拉伸强度的数据。
实施例1的实验结果
本实施例所制备的组织工程支架的微观形貌采用扫描电子显微镜进行观察。对支架的表面进行喷金处理后观察其微观形貌，放大倍数为1500倍，结果见图1。从图中可以看出，支架表面及内部充满粗细不一的纤维，层叠的纤维搭建出立体结构，其间充满孔洞。大部分纤维方向一致，这是由加工过程中的拉伸行为造成的。纤维直径分布范围较大，约为几百纳米到几微米。表明本发明的技术方案可以在制备过程中原位形成纤维并由纤维构筑为多孔组织工程支架。
实施例2的实验结果
本实施例所制备的组织工程支架的微观形貌见图2，放大倍数为1500倍。从图中可以看出，支架表面及内部充满粗细不一的纤维，层叠的纤维搭建出立体结构，其间充满孔洞。但是表面仍存在未成纤维的块状物质，这些物质可能是没有被完全除去的聚乙二醇。这是由于本实施例中聚乙二醇用量较大，与聚己内酯质量比为2:1，而且加工方式为拉伸后卷绕，两方面原因均导致聚乙二醇较难被完全除去。
实施例4的实验结果
本实施例所制备的组织工程支架的微观形貌见图3，放大倍数为1000倍。图3的微观形貌与图1类似，在支架表面及内部均可见直径不同的纤维，纤维构建出立体多孔的构造。表明本发明的技术方案可以在制备过程中原位形成纤维并由纤维构筑为多孔组织工程支架。
本发明以氯化钠为致孔剂，聚乙二醇为基体相和致孔剂，聚己内酯为成纤相，用原位成纤-粒子沥滤法制备了一系列不同纤维构筑形态和不同孔隙率的聚己内酯多孔组织工程支架，结果表明，制备的多孔支架的孔隙率最高可达68.32%，强度测试结果表明支架拉伸强度最高可达1.74MPa。扫描电镜结果表明所制备的支架由加工过程中原位形成的纤维构筑而成。致孔剂氯化钠用量提高可有效提高多孔支架的孔隙率，但是会导致强度下降。基体相聚乙二醇对成纤有利，但是用量太高会导致其无法被完全去除，影响多孔支架的纤维构筑形态。

Claims (7)

1.一种原位成纤-粒子沥滤法以制备纤维构筑的多孔组织工程支架的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将聚己内酯和聚乙二醇投入混合机中，控制混合温度为50-70℃，加热至熔融，得到粘稠混合物；
（2）将氯化钠颗粒添加到粘稠混合物中，加热混合均匀，加热温度为50-70℃，得到颗粒混合物，颗粒混合物进行拉伸和还原处理；
（3）将拉伸和还原处理后的颗粒混合物放入模具模腔内，压平，用冰水冷却，取出产物，用去离子水浸泡，除去聚乙二醇和氯化钠，然后在室温下吹干水分，最后真空干燥，得到聚己内酯纤维构筑的多孔组织工程支架。
2.根据权利要求1所述的原位成纤-粒子沥滤法以制备纤维构筑的多孔组织工程支架的方法，其特征在于，拉伸和还原处理过程为：颗粒混合物在50-60℃经牵引装置拉伸2-10倍，横向折叠、纵向折叠至原始大小，再拉伸至2-10倍，再横向折叠、纵向折叠至原始大小；或者颗粒混合物经牵引装置拉伸2-10倍后，卷绕至原始大小。
3.根据权利要求1所述的原位成纤-粒子沥滤法以制备纤维构筑的多孔组织工程支架的方法，其特征在于，步骤（1）中所述聚乙二醇和聚己内酯的质量比为(1-5):1，聚乙二醇的平均分子量为5500-6500，聚己内酯的平均分子量为7万-9万。
4.根据权利要求1所述的原位成纤-粒子沥滤法以制备纤维构筑的多孔组织工程支架的方法，其特征在于，步骤（1）中加热时间为2-10分钟，搅拌速率为200r/min。
5.根据权利要求1所述的原位成纤-粒子沥滤法以制备纤维构筑的多孔组织工程支架的方法，其特征在于，步骤（2）中加热时间为2-5分钟，搅拌速率为200r/min。
6.根据权利要求1所述的原位成纤-粒子沥滤法以制备纤维构筑的多孔组织工程支架的方法，其特征在于，步骤（2）中氯化钠颗粒的粒径为50-100微米，氯化钠颗粒与聚己内酯的质量比为(1-9):1。
7.根据权利要求1所述的原位成纤-粒子沥滤法以制备纤维构筑的多孔组织工程支架的方法，其特征在于，冷却后的产物在去离子水中浸泡10天，去离子水每12小时换一次；室温下吹干水分的时间为24小时，真空干燥的温度为室温，真空干燥的真空度小于200Pa，所述室温为10-39℃。
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