CN1238063C - 一种球形孔多孔支架及其模压制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属高分子材料和生物材料技术领域，具体为一种高分子多孔支架及其常温模压制备方法。以高分子材料作为基材，采用常温模压成型方法制备三维球形孔的多孔支架。该法简便实用，既可制备外形简单或外形规则的多孔支架，亦可制备外形复杂或外形不规则的多孔支架。制得的多孔支架可以较厚，内部有着规则的球形孔结构，且相互连通，孔隙率可高达90%以上，支架内部及表面的孔分布均匀，支架力学强度较高，适用于组织工程三维多孔细胞支架及其它应用领域。

Description

一种球形孔多孔支架及其模压制备方法

技术领域

本发明属高分子材料和生物材料技术领域，具体涉及一种高分子球形孔多孔支架及其常温模压制备方法。

技术背景

多孔支架或多孔泡沫可广泛用于组织工程支架、细胞培养载体、药物控制释放载体、伤口敷料、分离膜与过滤材料、色谱柱填料、包装与绝缘材料等许多领域。

由细胞与多孔支架结合来制备工程化组织与器官的组织工程学的诞生，是传统组织与器官移植的重大进步。在组织工程中，多孔支架在细胞的培养与扩增以及最终的组织或器官的形成等方面都有着极为重要的作用。而生物降解高分子材料相对易于加工、有良好的综合力学性质、随着组织或器官的形成而逐渐消逝最终不会在人体内留下任何外来异物，因而广泛用作多孔支架材料。

对于组织工程多孔支架，孔尺寸、孔隙率与比表面积通常被认为是起决定作用的几个主要参数。而其它一些拓扑结构参数诸如孔形状、孔的连通性、孔壁形态等也被认为对于细胞的种植与扩增、营养物质的运输以及新组织与器官的形成起着重要作用。

迄今为止，为了制备满足各种组织和器官需要的组织工程多孔支架，粒子致孔技术、无纺布技术、发泡成型技术、相分离技术以及三维打印技术等许多方法相继应用到了高分子多孔支架的制备中。而由上述方法制备的多孔支架在针对不同器官的组织工程化研究中都显示了一定的应用前景，但要真正应用到临床实际中还有许多问题值得进一步的研究。

其中，粒子致孔法简单实用、适用性广，孔隙率和孔尺寸易独立调节，是一个较通用的方法(Mikos and Langer，Polymer，1994，35(5)：1068--1077)，所制备的多孔支架通常较薄(＜2mm)，但可通过层叠的方法来得到有一定厚度的三维多孔支架(Mikos et al.，Biomaterials，1993，14(50)：323--330)。Nam与Park(J.Biomed.Mater.Res.，53：1--7)将高分子、溶剂、碳酸氢铵粒子的混合物经气体发泡、盐粒浸出法制得多孔支架。

上述方法仅报道了方形等简单形状孔的多孔支架的结果，可以应用于皮肤等不需要较厚尺寸的组织工程领域中。但未对多孔支架的孔结构作过于精细的考虑，且成型工艺复杂，不利于大规模制备与生产。

为了制备具有较厚尺寸且规则可控的多孔支架，三维打印技术在组织工程中得到了很好的应用(Cima et al.，J.Biomech.Eng.，1991，113：143-151；Park et al.，J.Biomater.Sci.Polym.Ed.，1998，9(2)：89-110)。三维打印法制备多孔支架时，打印喷头依次喷出聚合物粉末和粘合剂(通常为溶剂)，粘合剂将粉末粘合成一层，在计算机控制下，按预定程序逐层打印，即可形成三维多孔支架。三维打印在室温下进行，但所得支架的孔尺寸偏小，力学性能和成型精度尚有待于进一步提高(Cima et al.，J.Biomater.Sci.Polym.Ed.，1996，8(1)：63-75)。熔融堆积成型技术则不用溶剂，而是将热塑性聚合物加热至熔融后一层层地挤出，形成三维多孔支架(Hutmacher，Biomaterials，2000，21：2529-2543)。三维打印技术的优点在于成型时间短，比较适合于自动化大规模生产；且可根据个体的差异迅速制备出具有个体特征的三维多孔支架；还可制备各个部位具有不同孔结构的支架以适应复合组织的不同要求。但其不足之处在于支架孔隙率偏低，通常小于80％，目前外形成型精度也有待提高。

Ma等人(Tissue Engineering，2001，7(1)：23-33)曾报道用球形石蜡粒子来制备了高孔隙率的多孔支架；Thomson等人(J.Biomater.Sci.Polymer Ed.，1995，7(1)：23-38)亦尝试用明胶微球作致孔剂来制备组织工程有序多孔支架，为制备可控孔结构形态的组织工程多孔支架提供了一个很好的思路。但由于Ma等人的致孔方法对于成型并不十分有利，所获得的支架较薄，也不易得到力学性能较好的支架。

在组织工程中，除皮肤等少数部分组织与器官可以采用较薄的支架，更多的是与特定组织或器官相匹配的具有复杂外形的大尺寸三维多孔支架，因而如何结合新型的致孔剂粒子来制备出既具有规则的内部孔结构、又具有较大厚度或复杂形状的三维多孔支架的方法和技术是组织工程中迫切需要解决的关键问题。

本发明则将球形粒子的致孔技术和多孔支架的成型技术相结合，提出了制备具有规整孔结构的多孔支架的方法。对于粒子较为规整的球形或准球形致孔剂粒子，当高分子/致孔剂粒子/溶剂混合物中溶剂含量适中时，可以形成不流动的膏状复合物，在常温下即可进行模压成型，且脱模后也有着较好的形状保持能力。以该方法制备的多孔支架有着致孔剂特有的球形或准球形孔结构，可用于大尺寸的多孔支架的制备。

发明内容

本发明的目的在于提出一种外部可以较厚、内部有着特殊球形孔的高分子多孔支架及其常温模压制备方法。

本发明提出的高分子多孔支架，既可为外形简单或外形规则的多孔支架，亦可为外形复杂或外形不规则的多孔支架，包括与人或动物的缺损组织或器官的解剖外形相同或相似的多孔支架。这样的多孔支架有利于在组织工程应用中最终形成需要的组织或器官的外形。

本发明提出的高分子多孔支架，有较大的厚度，其最厚处的厚度达到3-100mm。

本发明提出的高分子多孔支架，孔为球形或准球形，孔径尺寸范围为10-900μm，一般为50-500μm。内部为相互连通且较为规整的大孔结构，孔隙率为50-90％，通常孔隙率为50％以上，一般可达85％以上，最高可达95％以上。高孔隙率支架具有相互连通的孔结构。支架内部孔分布均匀，支架表面亦为多孔结构，无致密的表面皮层形成。

本发明提出的高分子多孔支架，采用常温模压法来制备。具体步骤如下：

1、将高分子材料溶于溶剂A，形成高分子的浓溶液，然后将球形或准球形的致孔剂粒子加入高分子溶液中，搅拌混和均匀，待溶剂部分挥发后形成不流动的膏状高分子/致孔剂粒子混合物；

2、将所得膏状的高分子/致孔剂粒子混合物充入具有一定形状的模腔中，在室温下外加压力以使混合物定型；

3、脱模后得到具有所需外形的高分子/致孔剂粒子混合物制品，真空干燥除去残留溶剂A，得到高分子/致孔剂粒子复合制品；

4、将已除去溶剂A的高分子/致孔剂粒子复合制品放入溶剂B中以溶出致孔剂粒子，待致孔剂粒子完全溶出后，将多孔支架从溶剂B中取出，干燥脱除溶剂B后得到所需形状的多孔支架。

可见，其中的致孔剂粒子起到了大孔的负模板作用，对孔隙率起主要贡献。当然，所加入的溶剂也会导致部分小孔。

本发明所用的模具可由柔性或刚性材料制成。柔性材料为高分子弹性体材料，包括硅橡胶材料、聚硫橡胶材料、聚醚橡胶材料等，主要为硅橡胶材料。刚性材料为金属材料，包括碳钢、不锈钢、合金钢、模具钢等。具有足够的力学强度以承受成型时的压力。

本发明提出的高分子多孔支架，其基本材料采用具有自粘结性、可溶解性的合成或天然高分子材料，既包括可降解高分子材料，也包括不可降解的高分子材料。其分子量为1万～300万，一般为3～100万。也可以包括上述材料的共聚物或共混物以及含添加剂的混合物。

本发明所用的天然高分子材料主要为藻酸盐、胶原、明胶、壳聚糖、透明质酸、脱细胞基质，及由它们之中几种组成的共聚物或共混物中的任何一种。

本发明所用的可降解的高分子材料还包括聚内酯和聚羟基羧酸酯等脂肪族聚酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚二氧六环、聚羟基丁酸酯，或由它们之中几种组成的共聚物或共混物的任何一种。以上脂肪族聚酯包括聚(D，L-乳酸)(PDLLA)，聚(L-乳酸)(PLLA)，聚羟基乙酸(PGA)、聚己内酯(PCL)等均聚物和乳酸—羟基乙酸共聚物(PLGA)、己内酯共聚物或其它共聚物。以上可降解高分子的降解速率可根据需要，通过改变高分子结构或组成来加以调整，降解时间范围为1周至2年，一般为1个月至6个月。

本发明所用的不可降解的高分子材料包括聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、尼龙、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚硅氧烷，以及其中之几种组成的共聚物和共混物的任何一种。

本发明所用的溶剂包括溶剂A和溶剂B。要求溶剂A可溶解多孔支架材料，但不会改变其结构和性能；对致孔剂粒子不溶解，且不改变致孔剂粒子的性质；具有合适的挥发性，在真空条件下可完全脱除。溶剂A包括丙酮、丁酮、三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃、苯、甲苯、二甲苯、乙二醇、环己酮、二氧六环、N，N-二甲基甲酰胺、甲酸、苯甲醇、环己烷中的任何一种或其混合物。要求溶剂B可溶解致孔剂粒子，但不溶解支架材料，亦不会改变它们的结构和性能。溶剂B具有合适的挥发性，在真空条件下可完全脱除。一般为戊烷、己烷、庚烷、辛烷、环己烷、水中的任何一种或其混合物。

本发明所用的致孔剂粒子为具有球形或准球形的外形，致孔剂粒子溶于溶剂B但不溶于溶剂A。致孔剂粒子不与所用的高分子发生化学反应，亦不溶于溶剂A。致孔剂粒子均匀地分散于高分子溶液中并保持其形状和尺寸，当其被溶剂B溶解后，致孔剂粒子所占据的体积就变为孔隙，形成多孔支架。多孔支架的孔结构和尺寸由致孔剂粒子形状、尺寸和用量所决定。所用致孔剂粒子包括石蜡、蜂蜡、明胶、萘或由它们所组成的混合物。粒子用标准筛筛分成不同级分，粒径尺寸范围为10-900μm，一般尺寸范围为50-500μm。多孔支架的孔隙率取决于致孔剂粒子用量(基于高分子和致孔剂粒子总重量计算)，溶剂A含量的影响较小。致孔剂粒子用量范围为50wt％-99wt％，更佳的用量范围为70wt％-95wt％；相应的高分子用量范围为50wt％-1wt％，更佳的用量范围为30wt％-5wt％。

本发明所用高分子溶液浓度范围为1wt％-50wt％(重量百分比，基于高分子溶液总重量计算)，更佳的浓度范围为5wt-30wt％，为高分子浓溶液。高分子溶液的浓度根据所用高分子的分子量不同而不同，高分子量聚合物的溶液浓度可低一些。

本发明中，将致孔剂粒子分散于高分子溶液中，边搅拌边使部分溶剂挥发，形成分散均匀的高分子浓溶液—致孔剂粒子混合物。该混合物呈膏状，不具有流动性，在常温低压下可在合适的模具中通过模压成型获得具有所需外形的制品；脱模后得到的制品有很好的形状保持能力。

本发明中进行常温模压成型时，可采用小型模压机，也可采用任何自行设计的具有模压能力的设备。

本发明中，将常温模压得到的高分子溶液—致孔剂粒子混合物制品先在室温环境下使溶剂A部分挥发，然后在真空条件下脱除残留溶剂A，待溶剂A完全脱除后得到高分子—致孔剂粒子混合物的成型制品。真空干燥温度不超过支架材料的熔点或玻璃化温度，一般不高于50℃，通常为室温。

本发明中，上述高分子—致孔剂粒子混合物成型制品在溶剂B中浸出致孔剂粒子。将高分子—致孔剂粒子混合物成型制品放入容器中，加入溶剂B，溶剂B用量大大过量，其重量一般为高分子—致孔剂粒子混合物支架重量的10-1000倍，更好的选择为20-500倍，至致孔剂粒子完全浸出。

本发明中，将上述已完全浸出致孔剂粒子的支架从容器中取出，待大部分溶剂B挥发后放入真空烘箱中真空干燥，完全脱除溶剂B后得到所需高分子多孔支架。真空干燥温度不超过支架材料的熔点或玻璃化温度，一般不高于50℃，干燥时间为8-96小时，依赖于干燥条件和支架内残留的溶剂B的含量。

上述制备和成型的过程可以是一个连续过程，也可以分步进行。

本发明具有如下特点：

1、本发明以高分子/致孔剂混合物为加工对象，支架制备时成型对象为膏状的高分子/致孔剂/溶剂复合物，该复合物溶剂含量少，具有良好的可塑性和变形性，同时具有很好的形状保持能力，在常温下可在合适的模具中通过模压成型获得所需的制品外形，且脱模后得到的制品有很好的形状保持能力。

2、鉴于这样的成型过程的特点，可以很容易地控制所制支架的厚度，一般在1mm～100mm；其中最厚之处＞3mm。具有复杂形状的球形孔多孔支架的制备尤其体现了本发明方法的特色。

3、所得支架力学性能较好。

4、本发明中进行模压成型时，可在常温和低压下进行，可采用小型模压机，也可采用任何自行设计的具有模压能力的设备。

5、本发明提出的常温模压法既可制备外形简单或外形规则的多孔支架，亦可为外形复杂或外形不规则的多孔支架，包括与人或动物的缺损组织或器官相同或相似解剖外形的多孔支架。

6、本发明提出的多孔支架制备方法避免了高温，有利于热敏感的生物活性物质的引入。

7、本发明提出的高分子多孔支架常温模压制备方法简单实用、重现性好，有利于大规模生产。

8、本发明提出的高分子多孔支架常温模压制备方法适应性强，适用于各种可溶性高分子及其复合物，是一个通用的多孔支架制备方法，可用于组织工程以及其它多种应用领域。

9、本发明制备的高分子多孔支架有着规则的球形或准球形孔结构，便于精确设计与调节多孔支架的机械物理等性能。

10、本发明制备的高分子多孔支架孔隙率可高达90％以上，孔隙相互连通，孔分布均匀，支架表面亦为多孔结构，无致密皮层。

11、本发明提出的多孔支架用于生物医用领域时，采用已获广泛认可的生物相容性良好的可生物降解高分子制备，植入体内后有望避免或消除炎症等毒副作用的发生，以更好地符合生物医学的要求。

12、本发明提出的可生物降解高分子多孔支架的孔结构形态有利于细胞的粘附、增殖和分化，植入体内后有利于植入部位周围组织细胞的生长，故，所得到的支架适于多孔泡沫的多个应用领域，尤其可用于组织工程领域。

附图说明

图1为球形石蜡致孔粒子光学显微照片图，图1(A)中粒径为355-450μm；图1(B)中粒径为810-900μm。

图2为孔径为355-450μm、孔隙率为95％的PLGA85/15圆柱形多孔支架照片。

图3为孔径为355-450μm、孔隙率为95％的PLGA85/15多孔支架扫描电子显微镜照片。

图4为孔径为810-900μm、孔隙率为95％的PLGA85/15圆柱型多孔支架切片的光学显微照片。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明的实施方式，但不限于这些实施例。

实施例1，首先制备球形石蜡粒子。把1g明胶、20g石蜡加到400mL的去离子水中，升温至80℃在400rpm机械搅拌下搅拌均匀中，然后加入300mL冰水淬冷以使微球能保持球形。过滤，去离子水洗涤几次，干燥后然后用不同的标准筛筛分成不同级份的石蜡粒子(见图1)，干燥保存备用。

将0.5g分子量为30万的PLGA85/15溶于8mL丙酮中，取9.5g粒径为355-450μm球形石蜡粒子加入溶液中，搅拌均匀，使溶剂部分挥发，使高分子溶液——致孔剂粒子混合物成为膏状；将该混合物压入预先设计好的硅橡胶模具中(直径1cm，高度1cm)，外加适当压力并保持30分钟；脱模后得到具有外耳形状的高分子溶液——致孔剂粒子混合物的复合支架，在室温下使部分溶剂挥发，然后在室温、真空度为＞755mmHg条件下脱除剩余溶剂，得到高分子——致孔剂粒子混合物的复合支架；将已不含溶剂的高分子——致孔剂粒子混合物的复合支架放入在索氏抽提器中以正戊烷作溶剂抽提48小时；然后取出多孔支架，在室温下待溶剂挥发8小时后，再在室温、真空度为＞755mmHg条件下脱除残留溶剂，最终得到圆柱状的多孔支架(见图2)，孔结构相连通(见图3)，孔隙率96.2％，压缩强度110kPa。

实施例2，将0.45g分子量为30万的PLGA85/15溶于8mL丙酮中，石蜡球形粒子2.55g，粒径为810-900μm，其它同实施例1，制得多孔支架的孔相互连通(见图4)，孔隙率为89.8％，压缩强度7.1MPa。

实施例3，将0.6g分子量为30万的PLGA85/15溶于10mL丙酮中，石蜡球形粒子1.4g，粒径为355-450μm，其它同实施例1，制得多孔支架的孔隙率为78.4％，压缩强度15.4MPa。

实施例4，将0.3g分子量为6万的PDLLA溶于10mL丙酮中，石蜡球形粒子2.7g，粒径为280-355μm，用正己烷抽提致孔剂，其它同实施例1，制得多孔支架的孔隙率为94.1％，压缩强度2.4MPa。

实施例5，将0.3g分子量为5万的PCL溶于10mL丙酮中，石蜡球形粒子2.7g，粒径为280-450μm，其它同实施例1，制得多孔支架的孔隙率为93.7％，压缩强度2.0MPa。

实施例6，将0.3g分子量为6万的PDLLA溶于10mL丙酮中，石蜡球形粒子2.7g，粒径为45-90μm，其它同实施例1，制得多孔支架的孔隙率为92.9％，压缩强度2.5MPa。

Claims (10)

1、一种高分子多孔支架，其特征在于其外形与人或动物的缺损组织或器官的解剖外形相同或相似，最厚处为3-100mm；内部为相互连通且较为规整的大孔结构，孔呈球形或准球形，孔径尺寸为10-900μm；孔隙率为50-99％。

2、根据权利要求1所述的多孔支架，其特征在于支架的基本材料为具有自粘结性、可溶解性、可塑性的天然或合成高分子材料，既包括可降解高分子，也包括不可降解的高分子，以及上述材料的共聚物、混合物或与添加剂的混合物。

3、根据权利要求2所述的多孔支架，其特征在于天然高分子材料为藻酸盐、胶原、明胶、壳聚糖、透明质酸、脱细胞基质，以及由它们之中几种组成的共聚物或共混物中的任何一种。

4、根据权利要求2所述的多孔支架，其特征在于可降解的高分子材料为聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟基丁酸酯、聚己内酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚二氧六环，以及由它们之中几种组成的共聚物或共混物中的任何一种。

5、根据权利要求2所述的多孔支架，其特征在于不可降解高分子材料为聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、尼龙、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚硅氧烷，以及由它们之中几种组成的共聚物或共混物中的任何一种。

6、一种如权利要求1-5之一所述的高分子多孔支架的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)将高分子材料溶于溶剂A，形成高分子溶液，然后将球形或准球形的致孔剂粒子加入高分子溶液中，搅拌混和均匀，待部分溶剂挥发后形成不流动的膏状高分子溶液/致孔剂粒子混合物；

(2)将所得膏状的高分子溶液/致孔剂粒子混合物充入具有一定形状的模腔中，在室温下外加压力以使混合物定型；

(3)脱模后得到具有所需外形的高分子溶液/致孔剂粒子混合物制品，真空干燥除去残余溶剂，得到高分子/致孔剂粒子复合制品；

(4)将已除去溶剂的高分子/致孔剂粒子复合制品放入溶剂B中以溶出致孔剂粒子，待致孔剂粒子完全溶出后，将多孔支架从溶剂B中取出，干燥脱除溶剂B后得到所需形状的多孔支架；

其中，溶剂A可溶解多孔支架材料，但不溶解致孔剂粒子；溶剂B可溶解致孔剂粒子，但不溶解多孔支架材料。

7、根据权利要求6所述的多孔支架的制备方法，其特征在于所用致孔剂粒子为球形或准球形，粒径范围为10-900μm，致孔剂粒子用量范围为混合物的50wt％-99wt％。

8、根据权利要求6所述的多孔支架的制备方法，其特征在于致孔剂只溶于溶剂B但不溶于溶剂A，具体为石蜡、蜂蜡、明胶、萘的任何一种或其混合物。

9、根据权利要求6所述的多孔支架的制备方法，其特征在于溶剂A为丙酮、丁酮、三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃、苯、甲苯、二甲苯、乙二醇、环己酮、二氧六环、N，N-二甲基甲酰胺、甲酸、苯甲醇、环己烷中的任何一种或其中几种的混合物。

10、根据权利要求6所述的多孔支架的制备方法，其特征在于溶剂B为戊烷、己烷、庚烷、辛烷、环己烷、水中的任何一种或其中几种混合物。

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