CN114515355B - 一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的方法及其装置 - Google Patents

一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种原位成纤‑粒子沥滤法制备组织工程支架的方法，本发明的方法包括在进料室中控制熔融状态下聚合物B的注射流量以及熔融状态下的聚合物A与致孔剂混合物的注射流量，使聚合物B经注射管定量进入聚合物A与致孔剂混合物中，聚合物A与致孔剂混合物以及聚合物B组成的聚合物混合物在进料室向口模出口挤出、拉伸、成型、洗涤得到纤维构筑的组织工程支架。本发明还涉及原位成纤‑粒子沥滤法制备组织工程支架的装置，主要是进料室和拉伸部件及接收成型装置。

Description

一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的方法及其 装置
技术领域
本发明涉及组织工程支架领域，具体涉及一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的方法及其装置。
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：具有良好的生物相容性和适当的生物降解性，具有互相贯通的三维立体多孔结构和高的孔隙率，具有可塑性和较好的机械强度，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。
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。
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在结构和功能上与细胞外基质相似。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。
本发明将原位成纤技术用于组织工程支架的制备中。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。
目前的原位成纤技术主要采用挤出机和牵引机，将挤出的混合物拉伸使分散相形成纤维，然后造粒，再进行二次加工制备所需要的产品。剪切造粒后会使形成的纤维断裂，纤维不能构筑为一个整体，因而不适合纤维构筑的组织工程支架的制备。
为解决上述问题，本发明设计了一个装置，可以将拉伸成纤和成型同时完成，不需要造粒。
本发明所用的成纤相选择聚己内酯和聚对二氧环己酮，二者均为可用于人体的生物可降解聚合物，通过美国食品和药品管理局的批准，降解后的产物对人体无毒。具有优良的组织相容性、生物相容性和力学性能，在生物医学领域应用广泛。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。
本发明将聚己内酯和聚对二氧环己酮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，将氯化钠或蔗糖作为致孔剂，在本发明设计的装置中经拉伸、折叠、成型和冷却可制备一定形状的产品，经水浸泡除去基体相和致孔剂后，将形成由聚己内酯或聚对二氧环己酮纤维构筑的多孔组织工程支架。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备纤维构筑的组织工程支架的方法和装置。
本发明的技术方案：
一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的方法，包括以下步骤：
(1)将水溶性的聚合物A加热至熔融状态后与致孔剂混合，得到聚合物A与致孔剂混合物；聚合物B加热呈熔融状态；
(2)在口模中，通过控制熔融状态下聚合物B的注射流量以及熔融状态下的聚合物A与致孔剂混合物的注射流量，使聚合物B经注射管定量进入聚合物A与致孔剂混合物中，聚合物A与致孔剂混合物以及聚合物B组成的聚合物混合物在进料室内向口模出口挤出；
(3)将挤出后的聚合物混合物进行拉伸；
(4)拉伸后的聚合物混合物成型并冷却到室温后全部浸入去离子水中，除去聚合物A和致孔剂，即可得到聚合物B形成的纤维构筑的组织工程支架。
优选的，步骤(1)中聚合物A为：聚乙二醇，致孔剂为：氯化钠或蔗糖中的一种，聚合物B为：聚己内酯、聚对二氧环己酮中的一种，聚合物A和致孔剂的质量比为1:3，聚合物A和聚合物B的质量比为(0.5-1.7):1。
优选的，步骤(2)所述聚合物B持续注射，注射流量为0.3-1kg/h；聚合物A与致孔剂混合物的注射流量为2kg/h。
优选的，包括进料室，所述进料室上方设置有聚合物B进料口，所述进料室两侧分别设置有聚合物A和致孔剂混合物进料口，所述聚合物B进料口下方设置有隔离板，所述隔离板上设置有注射管，聚合物B从注射管注射加入，所述聚合物A和致孔剂混合物进料口位于隔离板下方，所述进料室底部设置有口模和牵引室，所述牵引室内设置有第一气动机械夹和第二气动机械夹。
优选的，步骤(3)气动机械夹按照程序设计对挤出的聚合物混合物进行拉伸：
聚合物混合物从口模出口处挤出，聚合物混合物的挤出速度为V，第一气动机械夹夹住从口模挤出的聚合物混合物，以速度V向下运动；当第一气动机械夹向下移动的距离为L1时，第二气动机械夹在口模处夹住挤出的混合物，并以V的速度向下移动，此时第一气动机械夹和第二气动机械夹之间的距离为L1；第一气动机械夹向下快速拉伸混合物至两个气动机械夹之间的距离为L2，使挤出混合物长度拉伸为原长度的n倍，即完成一次拉伸成纤过程；随后第一气动机械夹张开，释放聚合物混合物并返回口模处，对口模挤出的下一段混合物进行夹取，第一气动机械夹和第二气动机械夹对下一段混合物进行上述重复的拉伸操作；聚合物混合物的拉伸比为n＝L2/L1。
优选的，被拉伸的聚合物混合物使用模具进行收集；
模具固定在可以运动的托盘上，控制托盘的运动方向和速度，即可以控制接收的聚合物混合物的排列方向和位置、层数；
待接收模具收集一定量的拉伸聚合物后，用一个金属板对收集到的聚合物混合物进行55-90℃热压，热压时间为1s，排出空气。
优选的，进料室和牵引室外设置恒温罩，温度可控。
优选的，组织工程支架内纤维的构筑方式通过托盘的运动来控制，所述接收模具模腔为正方形，高度为2-3cm，模具温度设置为55-90℃，将其固定于托盘上，首先设置托盘的运动状态为在水平面上折返运动，折返的速度为2-5cm/s，拉伸后的挤出物垂直落入模腔内并沿模具运动方向进行填装，沿模腔初始运动方向铺满第一层后，改变托盘折返运动的方向与上一次的方向呈90度，使第二层的挤出物的落入方向与第一层垂直，如此往复铺满四层，用金属板热压使物料平整，将模具从托盘上取下浸入冰水冷却，取出样品。
本发明的有益效果：
成纤相聚合物B从注射管中挤出，分布于基体相聚合物A和致孔剂中，不使用复杂混合机械，仅需将聚合物熔融，通过流道挤出，聚合物B形成纤维的位置和数量通过注射管的位置和数量控制，纤维的直径可通过注射管中聚合物B的流量、注射管的直径和后续的拉伸速度进行控制。
聚合物B通过间歇拉伸的方式原位形成纤维，拉伸速度和拉伸比可通过气动机械夹的速度来控制。与现有制备原位成纤复合材料的装置中使用牵引辊来拉伸成纤的连续法不同。
模具通过托盘的运动定向收集拉伸后的混合物，使混合物成型。成型过程中可控制排列方向、位置和层数，使纤维形成不同的排列方式，从而构筑不同拓扑结构的组织工程支架。
整套装置为立式结构，避免了卧式结构中重力造成纤维形貌不均匀的影响。
压制成型后除去水溶性聚合物A和致孔剂，得到纤维构筑的组织工程支架。
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，支架内纤维的直径和构筑方式可通过不同的加工方法控制。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明拉伸成纤过程示意图；
图3为本发明模具接收拉伸后的聚合物混合物过程示意图。
附图中，1-进料室，11-聚合物B进料口，12-聚合物A和致孔剂混合物进料口，13-隔离板，14-注射管，2-口模，3-牵引室，4-聚合物混合物，5-模具，6-托盘，7-金属板。
具体实施方式
实施例1
如图1-3所示，将聚乙二醇投入混合机中，在65℃加热至熔融后加入氯化钠并与聚乙二醇混合均匀(氯化钠颗粒粒径为50-100微米，氯化钠与聚乙二醇的质量比为3:1)，备用。将聚己内酯由聚合物B进料口11加入进料室1，控制温度为65℃，加热至熔融。
聚乙二醇与氯化钠混合物从聚合物A和致孔剂混合物进料口12注射进进料室1，注射流量为2kg/h；聚己内酯从隔离板13上的注射管14注入，与隔离板13下方的聚乙二醇和氯化钠混合，控制聚己内酯的注射流量为0.5kg/h；
牵引室3温度设置为60℃，选择圆形口模2，口模2半径为0.5cm，则口模2中挤出物的流速为0.5cm/s，第一气动机械夹31夹住从口模挤出的聚合物混合物的速度为0.5cm/s向下运动；当第一气动机械夹31向下移动的距离为L1为5cm时，第二气动机械夹32在口模2处夹住挤出的聚合物混合物4，并以0.5cm/s的速度向下移动，此时第一气动机械夹31和第二气动机械夹32之间的距离L1为5cm；第一气动机械夹31向下快速拉伸聚合物混合物4至两个气动机械夹之间的距离L2为50cm，拉伸时间为12s，使挤出聚合物混合物4长度拉伸为原长度的10倍，即完成一次拉伸成纤过程，聚合物混合物4的拉伸比为n为10；随后第一气动机械夹31张开，释放聚合物混合物4并返回口模处，对口模2挤出的下一段混合物进行夹取，第一气动机械夹31和第二气动机械夹32对下一段混合物进行上述重复的拉伸操作。
接收模具5模腔为方形，尺寸为10cm×10cm×2cm，模具5温度设置为55℃，将其固定于托盘6上，设置托盘6的运动状态为在水平面上折返运动，折返的速度约为5cm/s，待拉伸后的聚合物混合物4垂直落入模腔内并沿模具5运动方向进行填装，沿模腔初始运动方向铺满第一层后，改变托盘6折返运动的方向与上一次的方向呈90度，使第二层的聚合物混合物4落入方向与第一层垂直，如此往复铺满四层，用金属板7(温度为55℃)热压使物料平整，热压时间为1s。
将模具5从托盘6上取下浸入冰水冷却，取出样品，室温下用去离子水浸泡20天，每12小时换一次水，除去聚乙二醇和氯化钠，然后在室温(10-35℃)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48小时，得到聚己内酯纤维构筑的多孔组织工程支架。
实施例2
如图1-3所示，将聚乙二醇投入混合机中，在65℃加热至熔融后加入氯化钠，并与聚乙二醇混合均匀(氯化钠颗粒粒径为50-100微米，氯化钠与聚乙二醇的质量比为3:1)，备用。将聚己内酯由聚合物B进料口11加入进料室1，控制温度为65℃，加热至熔融。
聚乙二醇与氯化钠混合物的注射流量为2kg/h；聚己内酯从隔离板13上的注射管14注入，与隔离板13下方的聚乙二醇和氯化钠混合，控制聚己内酯的注射流量为1kg/h；
牵引室3温度设置为60℃，选择圆形口模2，口模2半径为0.5cm，则口模2中挤出物的流速约为0.63cm/s，第一气动机械夹31夹住从口模挤出的聚合物混合物4的速度为0.63cm/s向下运动；当第一气动机械夹31向下移动的距离为L1为5cm时，第二气动机械夹32在口模处夹住挤出的聚合物混合物4，并以0.63cm/s的速度向下移动，此时第一气动机械夹31和第二气动机械夹32之间的距离L1为5cm；第一气动机械夹31向下快速拉伸混合物至两个气动机械夹之间的距离L2为50cm，拉伸时间为10s，使挤出混合物长度拉伸为原长度的10倍，即完成一次拉伸成纤过程，聚合物混合物的拉伸比n为10；随后第一气动机械夹张开，释放聚合物混合物并返回口模处，对口模2挤出的下一段混合物进行夹取，第一气动机械夹31和第二气动机械夹32对下一段混合物进行上述重复的拉伸操作。
接收模具5模腔为方形，尺寸为10cm×10cm×2cm，模具5温度设置为55℃，将其固定于托盘6上，设置托盘6的运动状态为在水平面上折返运动，折返的速度约为5cm/s，待拉伸后的聚合物混合物4垂直落入模腔内并沿模具5运动方向进行填装，沿模腔初始运动方向铺满第一层后，改变托盘6折返运动的方向与上一次的方向呈90度，使第二层的聚合物混合物4落入方向与第一层垂直，如此往复铺满四层，用金属板7(温度为55℃)热压使物料平整，热压时间为1s。将模具从托盘上取下浸入冰水冷却，取出样品，采用与实施例1相同的方法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。
实施例3
如图1-3所示，将聚乙二醇投入混合机中，在65℃加热至熔融后加入蔗糖，并与聚乙二醇混合均匀(蔗糖颗粒粒径为50-100微米，蔗糖与聚乙二醇的质量比为3:1)，备用。将聚己内酯由聚合物B进料口11加入进料室1，控制温度为65℃，加热至熔融。
聚乙二醇与蔗糖混合物的注射流量为2kg/h；聚己内酯从隔离板13上的注射管14注入，与隔离板13下方的聚乙二醇与蔗糖混合，控制聚己内酯的注射流量为0.3kg/h；
牵引室3温度设置为60℃，选择圆形口模2，口模2半径为0.5cm，则口模2中挤出物的流速约为0.5cm/s，第一气动机械夹31夹住从口模挤出的聚合物混合物4的速度为0.5cm/s向下运动；当第一气动机械夹31向下移动的距离为L1为4cm时，第二气动机械夹32在口模2处夹住挤出的聚合物混合物4，并以0.5cm/s的速度向下移动，此时第一气动机械夹31和第二气动机械夹32之间的距离L1为4cm；第一气动机械夹31向下快速拉伸混合物至两个气动机械夹之间的距离L2为20cm，拉伸时间为10s，使挤出混合物长度拉伸为原长度的5倍，即完成一次拉伸成纤过程，聚合物混合物4的拉伸比n为5；随后第一气动机械夹31张开，释放聚合物混合物4并返回口模处，对口模2挤出的下一段混合物进行夹取，第一气动机械夹31和第二气动机械夹32对下一段混合物进行上述重复的拉伸操作。
接收模具5模腔为方形，尺寸为10cm×10cm×2cm，模具5温度设置为55℃，将其固定于托盘6上，设置托盘6的运动状态为在水平面上折返运动，折返的速度均为2cm/s，待拉伸后的聚合物混合物4垂直落入模腔内并沿模具运动方向进行填装，沿模腔初始运动方向铺满第一层后，改变托盘6折返运动的方向与上一次的方向呈90度，使第二层的聚合物混合物4的落入方向与第一层垂直，如此往复铺满四层，用金属板7(温度为55℃)热压使物料平整，热压时间为1s。将模具5从托盘6上取下浸入冰水冷却，取出样品，采用与实施例1相同的方法除去聚乙二醇和蔗糖，干燥后得到聚己内酯纤维构筑的多孔组织工程支架。
实施例4
如图1-3所示，将聚乙二醇投入混合机中，在65℃加热至熔融后加入氯化钠并与聚乙二醇混合均匀(氯化钠颗粒粒径为50-100微米，氯化钠与聚乙二醇的质量比为3:1)，备用。将聚对二氧环己酮由聚合物B进料口11加入进料室1，控制温度为120℃，加热至熔融。
聚乙二醇与氯化钠混合物的注射流量为2kg/h；聚对二氧环己酮从隔离板13上的注射管14注入，与隔离板13下方的聚乙二醇与氯化钠混合，控制聚对二氧环己酮的注射流量为0.5kg/h；
牵引室3温度设置为100℃，选择圆形口模2，口模半径为0.5cm，则口模2中挤出物的流速为0.5cm/s，第一气动机械夹31夹住从口模2挤出的聚合物混合物4的速度为0.5cm/s向下运动；当第一气动机械夹31向下移动的距离为L1为5cm时，第二气动机械夹32在口模2处夹住挤出的聚合物混合物4，并以0.5cm/s的速度向下移动，此时第一气动机械夹31和第二气动机械夹32之间的距离L1为5cm；第一气动机械夹31向下快速拉伸混合物至两个气动机械夹之间的距离L2为50cm，拉伸时间为12s，使挤出混合物长度拉伸为原长度的10倍，即完成一次拉伸成纤过程，聚合物混合物4的拉伸比n为10；随后第一气动机械夹31张开，释放聚合物混合物4并返回口模2处，对口模2挤出的下一段混合物进行夹取，对下一段混合物进行上述重复的拉伸操作。
接收模具5模腔为方形，尺寸为10cm×10cm×2cm，模具5温度设置为90℃，将其固定于托盘6上，设置托盘6的运动状态为在水平面上折返运动，折返的速度约为5cm/s，待拉伸后的聚合物混合物4垂直落入模腔内并沿模具5运动方向进行填装，沿模腔初始运动方向铺满第一层后，改变托盘6折返运动的方向与上一次的方向呈90度，使第二层的聚合物混合物4的落入方向与第一层垂直，如此往复铺满四层，用金属板7(温度为90℃)热压使物料平整，热压时间为1s。将模具5从托盘6上取下浸入冰水冷却，取出样品，采用与实施例1相同的方法除去聚乙二醇和氯化钠，干燥后得到聚对二氧环己酮纤维构筑的多孔组织工程支架。

Claims (7)

1.一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将水溶性的聚合物A加热至熔融状态后与致孔剂混合，得到聚合物A与致孔剂混合物；聚合物B加热呈熔融状态；
(2)在进料室中，通过控制熔融状态下聚合物B的注射流量以及熔融状态下的聚合物A与致孔剂混合物的注射流量，使聚合物B经注射管定量进入聚合物A与致孔剂混合物中，聚合物A与致孔剂混合物以及聚合物B组成的聚合物混合物在进料室内向口模出口挤出；
(3)将挤出后的聚合物混合物进行拉伸；
(4)拉伸后的聚合物混合物成型并冷却到室温后全部浸入去离子水中，除去聚合物A和致孔剂，即可得到聚合物B形成的纤维构筑的组织工程支架；
一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的装置，包括进料室，所述进料室上方设置有聚合物B进料口，所述进料室两侧分别设置有聚合物A和致孔剂混合物进料口，所述聚合物B进料口下方设置有隔离板，所述隔离板上设置有注射管，所述聚合物A和致孔剂混合物进料口位于隔离板下方，所述进料室底部设置有口模和牵引室，所述牵引室内设置有第一气动机械夹和第二气动机械夹；
聚合物B形成纤维的位置和数量通过注射管的位置和数量控制，纤维的直径通过注射管中聚合物B的流量、注射管的直径和后续的拉伸速度进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的方法，其特征在于，步骤(2)所述聚合物B持续注射，注射流量为0.3-1kg/h；
聚合物A与致孔剂混合物的注射流量为2kg/h。
3.根据权利要求1所述的一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的方法，其特征在于，步骤(1)中聚合物A为：聚乙二醇，致孔剂为：氯化钠或蔗糖中的一种，聚合物B为：聚己内酯、聚对二氧环己酮中的一种，聚合物A和致孔剂的质量比为1:3，聚合物A和聚合物B的质量比为(0.5-1.7):1。
4.根据权利要求1所述的一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的方法，其特征在于，权利要求1步骤(3)气动机械夹按照程序设计对挤出的聚合物混合物进行拉伸：
聚合物混合物从口模出口处挤出，聚合物混合物的挤出速度为V，第一气动机械夹夹住从口模挤出的聚合物混合物，以速度V向下运动；当第一气动机械夹向下移动的距离为L1时，第二气动机械夹在口模处夹住挤出的混合物，并以V的速度向下移动，此时第一气动机械夹和第二气动机械夹之间的距离为L1；第一气动机械夹向下快速拉伸混合物至两个气动机械夹之间的距离为L2，使挤出混合物长度拉伸为原长度的n倍，即完成一次拉伸成纤过程；随后第一气动机械夹张开，释放聚合物混合物并返回口模处，对口模挤出的下一段混合物进行夹取，第一气动机械夹和第二气动机械夹对下一段混合物进行上述重复的拉伸操作；聚合物混合物的拉伸比为n＝L2/L1。
5.根据权利要求4所述的一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的方法，其特征在于，被拉伸的聚合物混合物使用模具进行收集；
模具固定在可以运动的托盘上，控制托盘的运动方向和速度，即可以控制接收聚合物混合物的排列方向和位置、层数；
待接收模具收集一定量的拉伸聚合物后，用一个金属板对收集到的聚合物混合物进行热压，排出空气，热压温度为55-90℃，热压时间为1s。
6.根据权利要求1所述的一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的方法，其特征在于，进料室和牵引室外设置可以控温的恒温罩。
7.根据权利要求5所述的一种原位成纤-粒子沥滤法制备组织工程支架的方法，其特征在于，组织工程支架内纤维的构筑方式通过托盘的运动来控制，所述接收模具模腔为正方形，高度为2-3cm，模具温度设置为55-90℃，将其固定于运动速度和方向可控的托盘上，首先设置托盘的运动状态为在水平面上折返运动，折返的速度为2-5cm/s，拉伸后的挤出物垂直落入模腔内并沿模具运动方向进行填装，沿模腔初始运动方向铺满第一层后，改变托盘折返运动的方向与上一次的方向呈90度，使第二层的挤出物的落入方向与第一层垂直，如此往复铺满四层，用金属板热压使物料平整，将模具从托盘上取下浸入冰水冷却，取出样品。
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