CN1191100C - 水溶性高分子为模具制备软骨组织工程多孔支架的方法 - Google Patents
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Abstract
一种以水溶性高分子为模具制备软骨组织工程多孔支架的方法，涉及生物医学工程领域。本发明采用聚乙二醇、聚酰胺类、聚丙烯酸类等高分子为模具材料，以聚羟基烷酸酯类材料为支架聚合物，以氯仿为溶剂，以水溶性晶体为成孔剂。先将模具材料加热所得熔融液倒入放置有具有目标软骨形状的软质硅胶阳模的容器中，翻制出水溶性高分子阴模；再将聚合物溶液—成孔剂粒子混合物填入阴模中，合模压实；烘干除去溶剂后，溶解模具及成孔剂粒子；干燥后即为本发明的多孔支架。该方法用模具的溶解来取代脱模，避免脱模时损坏支架，解决了用硬质模具难以制作具有内凹面的多孔支架(由于脱模困难)的问题。本发明适用于制造多种复杂形状的软骨组织工程用支架。
Description
技术领域
本发明涉及一种以水溶性高分子为模具制备软骨组织工程多孔支架的方法，属生物医学工程领域。
背景技术
每年都有大量器官病损的病例产生，通常的解决办法是器官移植。器官移植的主要问题是组织和器官的供体不足。由于器官短缺的缘故，患者中的大多数将无法得到有效治疗。器官移植还有其他的缺点。组织工程应用生命科学和工程学的原理与技术，设计和制造功能化的人造组织替代品，以修复或重建组织器官的功能。组织工程基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞吸附于一种生物相容性良好并被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞—生物材料复合物植入机体组织、器官病损部位，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的具有相应形态和功能的组织、器官，达到修复创伤和重建功能的目的。支架在组织工程研究中起着非常重要的作用，它和细胞构成的三维空间复合体是组织工程的核心，也是组织工程实现产业化的关键。
在已知的技术中，只能制造形状规整的聚羟基烷酸酯(PHA)类三维多孔支架，如薄片、圆柱、长方体等形状(如已公开专利“一种组织和器官修复用多孔支架的制备方法”(专利公开号CN1269247A)的附图所示)，而无法制造出许多形状复杂的支架，尤其是用硬质模具制作具有内凹面的支架时脱模困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以水溶性高分子为模具制备软骨组织工程多孔支架的方法，以水溶性高分子为模具，用模具的溶解来取代脱模步骤，避免脱模时损坏支架形状，可以制造具有内凹面的形状复杂的软骨支架。
为实现上述目的，本发明提出的一种以水溶性高分子为模具制备软骨组织工程多孔支架的方法，依次包括如下步骤：
(1)将具有水溶性、热塑性及生物相容性的高分子材料加热使其熔融为可流动液体；
(2)将高分子熔体倾倒入正面向上放置有具有目标软骨形状的软质硅胶阳模的容器中，使液面与阳模边缘平齐而不浸没阳模；
(3)静置冷却使高分子模具材料凝固后，取下软质阳模，便可得到与目标软骨背面形状吻合的高分子阴模底座；
(4)制做一个以目标软骨形状轮廓为空腔截面的空心筒，制成以阳模正面为底，空心筒为周边的开口桶状容器；
(5)将熔融的高分子模具材料浇注于上述桶状容器中，冷却凝固后将软质阳模剥离，便得到与阳模正面形状吻合的高分子阴模上盖；
(6)通过标准筛筛选粒径在100微米～400微米范围内的成孔剂粒子，成孔剂为NaCl、KCl、Na2CO3、NH4HCO3、NaHCO3、蔗糖、尿素水溶性晶体；
(7)以氯仿为溶剂溶解聚合物制得均相溶液，聚合物为聚羟基烷酸酯类(PHA)生物相容材料，聚合物质量(克)、溶剂的体积(毫升)与成孔剂质量(克)的比例为1∶10∶30；
(8)将上述聚合物溶液倾入置有成孔剂的容器中，密闭静置使聚合物溶液浸润成孔剂粒子，再加以搅拌使之形成均匀的混合物；
(9)将聚合物溶液—成孔剂粒子混合物填入上述高分子阴模底座和阴模上盖的凹陷处，合模后压实，放置在通风橱内通风，使混合物中溶剂氯仿部分挥发，然后放入真空烘箱中烘干，除去氯仿溶剂；
(10)将上述内含有已除溶剂的干燥混合物的模具取出，浸泡于去离子水中，溶解高分子模具及溶化浸取成孔剂粒子，即得湿润的多孔支架；
(11)将上述湿润的多孔支架自然晾干后用真空烘箱干燥，即得多孔支架成品。
上述制备方法中步骤(1)中模具用水溶性高分子材料为聚乙二醇、聚酰胺类、聚丙烯酸类。所采用模具材料应对氯仿溶剂和成孔剂呈现惰性。
采用本发明的方法制备的多孔支架材料，外形逼真，可以较好地重塑真实软骨的形状，以进行个性化的修复工作；模具自行溶解，无需直接脱模；制造周期较短；以特定水溶性高分子为模具材料时，溶解脱成孔剂步骤中能直接以此高分子修饰支架材料的表面，可以促进细胞对支架材料表面的粘附；支架的孔隙率可达85％以上，且孔径可调。
附图说明
图1为本发明中用以制造人耳廓型多孔支架的软质硅胶阳模的实物图
图2为本发明的聚乙二醇(PEG)模具实物图
图3为本发明的实施例二制得的PHBV三维多孔支架实物图
具体实施方式
翻制水溶性高分子阴模所采用的模具材料应具备(1)水溶性：以使模具易于溶解；(2)热塑性：加热后可流动，冷却后又具有一定强度以保持模具的形状稳定性和塑形能力；(3)生物相容性：模具材料应无毒、无致畸致癌等作用，以避免在制造过程中给支架引入有害物质；(4)模具还应对氯仿溶剂和成孔剂呈现惰性，即不与氯仿溶剂和成孔剂发生化学反应，而且在氯仿溶剂中的溶解度和溶胀程度足够小，以至于不影响模压成型的形状准确度。符合上述条件的一般为聚乙二醇、聚酰胺类、聚丙烯酸类等高分子化合物。下面以聚乙二醇(平均分子量为5000至20000)为模具材料说明制造人耳廓型多孔支架的方法，软骨的阳模系依照病人完好一侧耳廓的CT扫描形状数据，做镜像变换后用快速成型的方法翻制而成的人耳廓形软质硅胶阳模。
一、翻制水溶性高分子阴模：加热使选定的水溶性高分子聚乙二醇熔融为可流动液体，熔融温度为70℃；将具有目标软骨形状的软质硅胶阳模(用CT扫描病人软骨形状数据，依此数据用快速成型的方法翻制而成)正面向上置于容器中，将高分子熔体倾倒入容器中，使液面与阳模边缘平齐而不浸没阳模。静置冷却使高分子凝固后，取下软质阳模，便得到与目标软骨背面形状吻合的高分子阴模底座。另做一个以目标软骨形状轮廓为空腔截面的空心筒，制成以阳模正面为底，空心筒为周边的开口桶状容器。之后将熔融的高分子浇注于桶状容器中，冷却凝固后将软质阳模剥离，得到与阳模正面形状吻合的高分子阴模上盖。
二、制备聚合物溶液—成孔剂混合体系：首先通过标准筛筛选粒径在100微米～400微米范围内的成孔剂粒子，成孔剂为NaCl、KCl、 Na2CO3、NH4HCO3、NaHCO3、蔗糖、尿素等水溶性晶体中的任何一种。然后用氯仿溶解聚合物制得均相溶液，聚合物为聚羟基烷酸酯类(PHA)等生物相容材料。聚合物质量(克)、溶剂的体积(毫升)与成孔剂质量(克)的比例为1∶10∶30。将聚合物溶液倾入置有成孔剂的容器中，密闭静置使聚合物溶液浸润成孔剂粒子，再加以搅拌使之形成均匀的混合物。
三、填充压模成型：将聚合物溶液—成孔剂粒子混合物填入高分子阴模底座和阴模上盖的凹陷处，合模后压实。
四、除去溶剂：在通风橱内通风放置，使混合物中溶剂氯仿部分挥发，然后放入真空烘箱中烘干(期间注意抽气保持低压)，除去氯仿溶剂。
五、溶化模具，浸取成孔剂：取出内含已除溶剂的干燥混合物的模具，浸泡于去离子水中(期间多次换水)，高分子模具溶解之后支架混合物产品中的成孔剂粒子也被溶化浸取出来。即得湿润的多孔支架。
六、烘干产品：将湿润的支架自然晾干后用真空烘箱干燥，即得支架成品。
采用本发明的方法制备的多孔支架材料，具有下述特点和优点：产品外形逼真，可以较好地重塑真实软骨的形状，以进行个性化的修复工作；模具自行溶解，无需直接脱模；制造周期较短，从制模到制成产品4天即可；以水溶性高分子聚乙二醇为模具材料时，溶解脱成孔剂时能直接以之修饰支架材料的表面，由于聚乙二醇(PEG)材料的亲水性，可以促进细胞对支架材料表面的粘附；支架的孔隙率可达85％以上，且孔径可调。
本发明适用于多种复杂形状的软骨组织工程用支架的制造，如人的耳廓软骨、鼻软骨、肋软骨和关节软骨等。
实施例一
1、翻制聚乙二醇(PEG)阴模：将PEG(平均分子量为5000)放入烧杯中加热至70℃，熔融后倾倒入放置有正面向上的硅胶阳模的培养皿中，使液面与阳模边缘平齐。静置凝固后，取下软质阳模，得到PEG阴模的底座。用光洁的覆膜纸沿阳模正面轮廓包折，制成以软质阳模为其底部，覆膜纸为其周边的开口桶状容器。将熔融的PEG浇注入此开口，静置凝固后将阳模剥离，得到与阳模正面形状吻合的PEG阴模上盖。
2、制备聚-2-羟基丁酸酯(PHB)氯仿溶液-NaCl粒子混合物：用滤过范围为75～300微米的系列标准筛筛选出粒径在150~200微米的NaCl粒子；称取1.0克PHB粉料，置于圆底烧瓶中，量取10.0ml氯仿倒入；60℃水浴条件下，用聚四氟乙烯磁子做搅拌，加热回流30分钟使聚合物充分均匀溶解。称取30克NaCl粒子置于广口瓶中，将聚合物溶液倾入，用聚四氟乙烯生胶带裹紧广口瓶塞，使之密闭，静置12小时，使溶液充分浸润NaCl粒子，再加以搅拌使之形成均匀的混合物。
3、填充压模成型：将PHB氯仿溶液-NaCl粒子混合物用不锈钢质药匙填入PEG阴模底座和上盖的凹陷处，合模，在上盖上放置重物以压实混合物。
4、除去溶剂：将压有料的模具在通风橱内通风放置8小时，使溶剂氯仿部分挥发，然后放入真空烘箱中，在50℃，压力＜0.01Mpa的条件下烘干8小时，除去溶剂氯仿。
5、溶化模具，浸取成孔剂：取出PEG模具(内含已脱溶剂的混合物)，置于盛有去离子水的烧杯中24小时(期间每8小时换水一次)。PEG模具溶解，之后支架混合物中的NaCl颗粒也被溶解浸取出来。
6、烘干产品：将此时的PHB支架自然晾干，然后于50℃、压力＜0.01Mpa的真空烘箱中干燥4小时，即得支架成品。
实施例二
1、翻制聚乙二醇(PEG)阴模：使用PEG(平均分子量为10000)制模，以下步骤同实施例一。
2、制备2-羟基丁酸与2-羟基戊酸的嵌段共聚物(PHBV)氯仿溶液-NaCl粒子混合物：用滤过范围为75～300微米的系列标准筛筛选出粒径在100~150微米的NaCl粒子；称取1.0克PHBV粉料，置于圆底烧瓶中，量取10.0ml氯仿倒入，60℃水浴条件下，用聚四氟乙烯磁子做搅拌，加热回流30分钟使聚合物充分均匀溶解。称取30克NaCl粒子置于广口瓶中，将聚合物溶液倾入，用聚四氟乙烯生胶带裹紧广口瓶塞，使之密闭，静置12小时，使溶液充分浸润NaCl粒子，再加以搅拌使之形成均匀的混合物。
3、以下步骤同实施例一。
实施例三
1、翻制聚乙二醇(PEG)阴模：使用PEG(平均分子量为20000)制模，以下步骤同实施例一。
2、制备2-羟基丁酸与2-羟基己酸的嵌段共聚物(PHBH)氯仿溶液—蔗糖粒子混合物：用滤过范围为75～300微米的系列标准筛筛选出粒径在200~250微米的蔗糖粒子；称取1.0克PHBH粉料，置于圆底烧瓶中，量取10.0ml氯仿倒入，60℃水浴条件下，用聚四氟乙烯磁子做搅拌，加热回流30分钟使聚合物充分均匀溶解。称取30克蔗糖粒子置于广口瓶中，将聚合物溶液倾入，用聚四氟乙烯生胶带裹紧广口瓶塞，使之密闭，静置12小时，使溶液充分浸润蔗糖粒子，再加以搅拌使之形成均匀的混合物。
3、以下步骤同实施例一。
实施例四
1、翻制聚乙二醇(PEG)阴模：将PEG(平均分子量为10000)放入烧杯中加热至70℃，熔融后倾倒入放置有正面向上的硅胶阳模的培养皿中，使液面与阳模边缘平齐。静置凝固后，取下软质阳模，得到PEG阴模的底座。用光洁的锡箔沿阳模正面轮廓包折，制成以软质阳模为其底部，锡箔为其周边的开口桶状容器。将熔融的PEG浇注入此开口，静置凝固后将阳模剥离，得到与阳模正面形状吻合的PEG阴模上盖。
2、制备PHBV氯仿溶液-KCl粒子混合物：用滤过范围为75～300微米的系列标准筛筛选出粒径在150~200微米之间的KCl粒子；称取1.0克PHBV粉料，置于圆底烧瓶中，量取10.0ml氯仿倒入，60℃水浴条件下，用聚四氟乙烯磁子做搅拌，加热回流30分钟使聚合物充分均匀溶解。称取30克KCl粒子置于广口瓶中，将聚合物溶液倾入，用聚四氟乙烯生胶带裹紧广口瓶塞，使之密闭，静置12小时，使溶液充分浸润KCl粒子，再加以搅拌使之形成均匀的混合物。
3、以下步骤同实施例一。
Claims (1)
1、一种以水溶性高分子为模具制备软骨组织工程多孔支架的方法，该方法依次包括如下步骤：
(1)将具有水溶性、热塑性及生物相容性的高分子材料加热使其熔融为可流动液体，所述高分子材料为聚乙二醇、聚酰胺类或聚丙烯酸类；
(2)将高分子熔体倾倒入正面向上放置有具有目标软骨形状的软质硅胶阳模的容器中，使液面与阳模边缘平齐而不浸没阳模；
(3)静置冷却使高分子材料凝固后，取下软质阳模，便可得到与目标软骨背面形状吻合的高分子阴模底座；
(4)制做一个以目标软骨形状轮廓为空腔截面的空心筒，制成以阳模正面为底，空心筒为周边的开口桶状容器；
(5)将熔融的高分子材料浇注于上述桶状容器中，冷却凝固后将软质阳模剥离，便得到与阳模正面凹陷形状吻合的高分子阴模上盖；
(6)通过标准筛筛选粒径在100微米～400微米范围内的成孔剂粒子，成孔剂为NaCl、KCl、Na2CO3、NH4HCO3、NaHCO3、蔗糖或尿素水溶性晶体；
(7)以氯仿为溶剂溶解聚合物制得均相溶液，聚合物为聚羟基烷酸酯类的生物相容材料，聚合物质量克、溶剂的体积毫升与成孔剂质量克的比例为1∶10∶30；
(8)将上述聚合物溶液倾入置有成孔剂的容器中，密闭静置使聚合物溶液浸润成孔剂粒子，再加以搅拌使之形成均匀的混合物；
(9)将聚合物溶液—成孔剂粒子混合物填入上述高分子阴模底座和阴模上盖的凹陷处，合模后压实，放置在通风橱内通风，使混合物中溶剂氯仿部分挥发，然后放入真空烘箱中烘干，除去氯仿溶剂；
(10)将内含有上述已除溶剂的干燥混合物的模具取出，浸泡于去离子水中，溶解高分子模具及溶化浸取成孔剂粒子，即得湿润的多孔支架；
(11)将上述湿润的多孔支架自然晾干后用真空烘箱干燥，即得多孔支架成品。
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