CN114213701A - 一种聚合物海绵微球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物组织工程技术领域，且公开了一种聚合物海绵微球及其制备方法，该聚合物海绵微球及其制备方法包括以下步骤：S1、将乳化的聚合物液滴经冷冻液原位冻结；S2、随之与固定剂的溶液混合并进行物理交联；S3、恢复室温，乳化液解冻，得到聚合物海绵微球；本发明中制备方法高效、节能，得到的聚合物海绵微球具有大小和孔隙均一、形态记忆及可注射性能，采用物理交联使得制备过程中不引入细胞毒性的化学交联用交联剂，也省去了冷冻干燥的过程，得到具有三维纳米纤维网络的仿细胞外基质结构，且聚合物海绵微球的表面及内部具有较好孔隙率及孔隙交通，使得该聚合物海绵微球在体外细胞培养测试中表现出良好的粘附增殖特性和促进细胞增殖性能。
Description
技术领域
本发明涉及生物组织工程技术领域，具体为一种聚合物海绵微球及其制备方法。
背景技术
生物组织通过细胞外基质纳米纤维网络结构提供细胞的三维生长环境，并影响着细胞的粘附、增殖和分化。经典的组织工程技术(top-down方式)是将种子细胞接种在预制的多孔生物可降解多聚物支架材料上，这些材料为新生组织的发生发展提供空间支持，当用于较大骨组织修复重建时，常由于氧气、营养的供应不足及代谢废物的积聚，而影响细胞的生理过程容易发生细胞凋亡，从而影响了组织缺损的修复效果。最近提出的基于微细胞载体的bottom-up方式能够克服传统的top-down方式的局限性，微细胞载体不仅可以促进更高效的气-液氧转移以促进细胞增殖，而且能够通过细胞的粘附自动聚集成团，形成类组织工程复合体的结构，也可以将特异性细胞注射到组织缺陷中，无需手术切口，从而形成大型复杂的组织结构，克服了在传统三维支架材料上无法获得完全均一的细胞分布，大大的增强了生物支架材料在骨组织缺损修复领域的实际应用。
微流体制备技术作为当今材料领域最前沿的科技方法之一，与传统微球制备技术相比，凭借其低消耗、高通量、精确的粒径及结构可控性等技术优势，在工业合成和生命科学等领域都显示出了巨大的应用价值。目前，国内外利用微流体技术在微球材料可控制备领域取得了一系列卓越的研究成果和进展。这些技术制备得到的微球大多为实心或者是微孔结构，孔径太小且分布不均一和孔隙之间不相通，使得细胞不能进入微球内部生长。而多孔微球的孔隙率和尺寸分布的控制对其在组织工程中的成功应用具有重要意义。因此多孔微球的制备方法也被许多学者研究，例如挤压固化冷冻干燥法，乳化凝固冷冻干燥法、电子喷雾冷冻干燥法、电子喷雾结合冷冻解冻法和逆乳化结合热诱导相分离法等。这些技术在大规模制备多孔微球方面具有很大的优势。然而，其主要缺点是很难获得尺寸大小均一和孔隙率高的可控微球，且操作复杂、耗时。且交联过程为化学交联，使用的交联剂均为毒性较大的化学试剂，得到的聚合物海绵微球很难通过洗涤完全去除毒性试剂。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种聚合物海绵微球及其制备方法，解决了传统方式很难获得尺寸大小均一和孔隙率高的可控微球，且操作复杂、耗时，另外，交联过程为化学交联，使用的交联剂均为毒性较大的化学试剂，得到的聚合物海绵微球很难通过洗涤完全去除毒性的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种聚合物海绵微球及其制备方法，该聚合物海绵微球及其制备方法包括以下步骤：
S1、将乳化的聚合物液滴经冷冻液原位冻结；
S2、随之与固定剂的溶液混合并进行物理交联；
S3、恢复室温，乳化液解冻，得到聚合物海绵微球。
优选的，所述步骤S3中，聚合物海绵微球中的乳化液为体积比3％Span-80的环己烷溶液。
优选的，所述步骤S1中，聚合物液滴的尺寸为100～1000微米。
优选的，所述步骤S1中，聚合物为壳聚糖、蚕丝蛋白、胶原蛋白、海藻酸钠和明胶中的一种或几种。
优选的，所述步骤S1中，聚合物溶液的质量分数为0.20-5％。
优选的，所述步骤S2中，固定剂中含有氢氧化钠的醇溶液、氯化钙的醇溶液、氢氧化钾的醇溶液、硝酸钙的醇溶液时，溶液的浓度为0.1～2mol/L。
优选的，所述醇溶液中的醇为甲醇和乙醇中的一种或两种。
优选的，所述步骤S1中，原位冷冻的溶液为甲苯、二甲苯、氯仿等溶液中的一种或两种。
优选的，所述聚合物海绵微球具有尺寸大小均一和高孔隙率的三维贯通的多孔网络结构特点，且具有形态记忆特性及可注射性能。
(三)有益效果
本发明提供了一种聚合物海绵微球及其制备方法，具备以下有益效果：
(1)、本发明通过将乳化的聚合物液滴经冷冻液原位冻结，与固定剂的溶液混合，经物理交联后原位解冻，得到聚合物海绵微球，与现有技术相比，本发明中制备方法高效、节能，得到的聚合物海绵微球具有大小和孔隙均一、形态记忆及可注射性能，采用物理交联使得制备过程中不引入细胞毒性的化学交联用交联剂，也省去了冷冻干燥的过程，得到具有三维纳米纤维网络的仿细胞外基质结构，且聚合物海绵微球的表面及内部具有较好的孔隙率及孔隙交通，使得该聚合物海绵微球在体外细胞培养测试中表现出良好的粘附增殖特性和促进细胞增殖性能，在生物医学领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明聚合物海绵微球的制备流程示意图；
图2为本发明实施例1不同尺寸壳聚糖液滴的制造参数示意图；
图3为本发明图2制备的不同尺寸的壳聚糖海绵微球在显微镜下的照片结构图；
图4为本发明实施例1可注射功能与形状记忆性能的展示照片；
图5为本发明实施例1的扫描电镜照片及micro-CT照片；
图6为本发明实施例1中糖海绵微球复合大鼠骨髓间充质干细胞后的细胞粘附效率图；
图7为本发明实施例1海绵微球复合大鼠骨髓间充质干细胞体外培养的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
如图1-7所示，本发明提供一种技术方案：一种聚合物海绵微球及其制备方法，该聚合物海绵微球及其制备方法包括以下步骤：
S1、将乳化的聚合物液滴经冷冻液原位冻结，聚合物液滴的尺寸为100～1000微米，聚合物为壳聚糖、蚕丝蛋白、胶原蛋白、海藻酸钠和明胶中的一种或几种，聚合物溶液的质量分数为0.20-5％，以纯水重量计，优选为0.5％、1％和2％，实例性为1％，原位冷冻的溶液为甲苯、二甲苯、氯仿等溶液中的一种或两种；
S2、随之与固定剂的溶液混合并进行物理交联，固定剂中含有氢氧化钠的醇溶液、氯化钙的醇溶液、氢氧化钾的醇溶液、硝酸钙的醇溶液时，溶液的浓度为0.1～2mol/L，醇溶液中的醇为甲醇和乙醇中的一种或两种；
S3、恢复室温，乳化液解冻，得到聚合物海绵微球，聚合物海绵微球中的乳化液为体积比3％Span-80的环己烷溶液。
本方法通过将微流控乳剂与进一步冻结和原位解冻过程，得到的聚合物海绵尺寸均一，孔隙率高、且具有形态记忆特性及可注射性能，此方法采用物理交联，制备过程中不引入细胞毒性的化学交联剂，也省去了冷冻干燥的过程，直接得到具有三维贯通的多孔网络结构，使得该聚合物海绵微球在体外细胞培养测试中表现出良好的细胞粘附特性和促进细胞增殖性能，在生物医学领域具有重要的应用价值。
实施例1：多孔壳聚糖海绵微球的制备
称取1g壳聚糖溶液到100ml 1％的醋酸水溶液中，制备成质量分数为1％的壳聚糖溶液，利用10ml注射器抽取8ml配制的壳聚糖溶液。直接接入微流控装置上的内管(内径为60微米)，并设置挤出速度为0.008ml/min，利用50ml注射器抽取40ml的3％(V/V)Span-80的环己烷溶液作为挤出相，接入微流控装置上的外管(内径为310微米)，并设置挤出速度为0.4ml/min。挤出的液滴进入液氮预冷(-40℃～-20℃)的甲苯中被冻成固态微球，配制0.1mol/L的NaOH乙醇溶液作为含有固定剂的溶液，并将固定液预冷至-10℃，将得到的冷冻固态壳聚糖微球与固定液混合交联，得到交联的直径为140微米的壳聚糖海绵微球。
同理，通过分别将接入微流控装置的两个注射器的挤出速度和内外直径设置为：内管直经60微米，挤出速度为0.02ml/min，外管直经310微米，挤出速度为0.6ml/min，配制0.1mol/L的NaOH乙醇溶液作为含有固定剂的溶液收集挤出的液态微球，得到交联的直径140微米的壳聚糖海绵微球；
通过分别将接入微流控装置的两个注射器的挤出速度和内外直径设置为：内管直经90微米，挤出速度为0.05ml/min，外管直经410微米，挤出速度为1.5ml/min，配制0.1mol/L的NaOH乙醇溶液作为含有固定剂的溶液收集挤出的液态微球，得到交联的直径280微米的壳聚糖海绵微球；
通过分别将接入微流控装置的两个注射器的挤出速度和内外直径设置为：内管直经90微米，挤出速度为0.05ml/min，外管直经410微米，挤出速度为1ml/min，配制0.1mol/L的NaOH乙醇溶液作为含有固定剂的溶液收集挤出的液态微球，得到交联的直径360微米的壳聚糖海绵微球；
对所得壳聚糖海绵微球进行结构表征测试，结果参见图2～3；从图2～3可以看出，从左到右依次为本发明实施1制备的140微米、200微米、280微米和360微米的壳聚糖海绵微球；从图4可以看出，本发明得到的壳聚糖海绵微球具有良好的形状记忆功能和可注射性；图5可以看出本实施例制备的壳聚糖海绵微球表面及内部都具有良好的孔隙率，且孔隙之间是相互交通的；图6～7可以看出本实施例提供的壳聚糖微球具有良好的细胞粘附性能和增殖特性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种聚合物海绵微球及其制备方法，其特征在于，该聚合物海绵微球及其制备方法包括以下步骤：
S1、将乳化的聚合物液滴经冷冻液原位冻结；
S2、随之与固定剂的溶液混合并进行物理交联；
S3、恢复室温，乳化液解冻，得到聚合物海绵微球。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物海绵微球及其制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，聚合物海绵微球中的乳化液为体积比3％Span-80的环己烷溶液。
3.根据权利要求1所述的一种聚合物海绵微球及其制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，聚合物液滴的尺寸为100～1000微米。
4.根据权利要求1所述的一种聚合物海绵微球及其制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，聚合物为壳聚糖、蚕丝蛋白、胶原蛋白、海藻酸钠和明胶中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种聚合物海绵微球及其制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，聚合物溶液的质量分数为0.20-5％。
6.根据权利要求1所述的一种聚合物海绵微球及其制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，固定剂中含有氢氧化钠的醇溶液、氯化钙的醇溶液、氢氧化钾的醇溶液、硝酸钙的醇溶液时，溶液的浓度为0.1～2mol/L。
7.根据权利要求6所述的一种聚合物海绵微球及其制备方法，其特征在于，所述醇溶液中的醇为甲醇和乙醇中的一种或两种。
8.根据权利要求1所述的一种聚合物海绵微球及其制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，原位冷冻的溶液为甲苯、二甲苯、氯仿等溶液中的一种或两种。
9.根据权利要求1-8任意一项的聚合物海绵微球及其制备方法，其特征在于，所述聚合物海绵微球具有尺寸大小均一和高孔隙率的三维贯通的多孔网络结构特点，且具有形态记忆特性及可注射性能。
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| WO2015107544A2 (en) * | 2013-12-17 | 2015-07-23 | Zim Laboratories Limited | Pharmaceutical microemulsion immobilized in a thin polymer matrix and methods of making them |
| CN105085943A (zh) * | 2015-06-18 | 2015-11-25 | 中国科学技术大学 | 一种聚合物微球及其制备方法 |
| CN111518291A (zh) * | 2019-02-01 | 2020-08-11 | 武汉大学 | 一种壳聚糖微球材料的制备方法 |
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2021
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