CN1332192A - 一种医用高分子多孔支架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属高分子材料技术领域,具体为一种医用高分子多孔支架及其制备方法。它采用溶剂浇铸－粒子溶出法,将具有双峰或多峰分布的致孔剂粒子与高分子溶液混合制备得多孔支架。所制备的多孔支架在具有很高孔隙率的同时保持了良好的力学性能和孔隙连通结构,适于组织细胞的生长及其代谢产物与营养物质的交换。

Description

一种医用高分子多孔支架及其制备方法

技术领域

本发明属高分子材料技术领域，尤其涉及一种医用高分子多孔支架及其制备方法。

技术背景

随着医学的发展，为了解决每年越来越多病人组织及器官移植和修复的需要，各种替代用品的研究工作随之展开。其中，尤以组织工程最为突出，它是应用细胞生物学和工程学的原理，研究开发能修复和改善损伤组织和功能的生物替代物的一门新兴科学。主要涉及细胞外基质替代物、种子细胞的离体培养以及组织工程化组织对各种病损组织的替代研究三方面的内容。

而生物降解高分子作为主要的细胞外基质替代物，其多孔支架可以为种子细胞的粘附与生长提供一个良好的生物模拟环境。组织工程支架材料依其降解与否可分为非降解型和可降解型两大类。可降解型生物材料最突出的特性就是在人体中会逐渐被肌体降解，无需通过二次手术取出；且由其制成的多孔支架还可为活体细胞提供可控的生长环境，有利于细胞进行正常的新陈代谢活动。

溶剂浇铸作为膜的常用制备方法，已应用于降解高分子的三维多孔支架的制备，在药物的控制释放以及细胞培养等方面有着广阔的应用前景。该方法一般首先是将高分子材料与致孔剂在一定溶剂中混合均匀，然后倾倒在特殊的基底上，待溶剂挥发后，再用另一种溶剂把致孔剂浸出，最后得到多孔支架结构。在高孔隙率的条件下，孔径之间基本是相互连通的。用溶剂浇铸法可制备生物相容性高分子的多孔支架。常用的高分子化合物主要为生物降解型的聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯、聚原酸酯、聚酸酐及其共聚物或共混物。而作为致孔剂的粒子通常也应为无毒的，且有着良好的生物相容性，其主要包括盐、多糖、蛋白质或一些特定的有机小分子化合物。

对于高分子多孔支架的制备，有人在这方面进行了一些尝试。Mikos等人(美国发明专利5514378及Biomaterials，1993，14(5)，323-330)曾采用溶剂浇铸-粒子溶出方法，制备了厚度最大可达2mm的多孔膜支架，然后按照一定的轮廓形状将多孔膜相互粘合起来形成具有特定形状的支架。该支架可适合于细胞的体外扩增，器官移植及重建。为了制备高孔隙率的支架，也有人采用近似立方形的粒子来制备(Biomaterials，2000，21，2443-2452)多孔支架，但此种方法严重影响支架的力学强度。对于组织工程材料，在国内有姚康德等人(中国发明专利CN1272384A)采用壳聚糖与明胶来制备了具有良好生物相容性且适合细胞附着及生长的网络支架；王身国等人(中国发明专利CN1271742A)则对生物降解材料及合成方法进行了一定的改进。

上述方法都只采用单一孔径分布的致孔剂来进行制备。组织工程材料等许多需要高孔隙率和良好孔径分布及力学性能的应用领域，往往要求多孔支架的孔隙率在90％以上。从理论上讲，如果采用单峰分布的球形粒子，其采取立方密堆积或六方密堆积时具有最大空间占有率，均为74％。而用近似于方形的粒子就可以突破74％的孔隙率极限，但会使得最终的孔径分布极不规则，孔径间的连接不牢固，支架的力学强度和高孔隙率之间有较大矛盾。我们设想如果采用双峰或多峰分布的球形粒子来堆积的话，则一部分较小的粒子会填充大粒子间隙，因而其空间占有率会明显大于采用单峰分布的球形粒子，且孔径间隙规整，有利于保持支架的整体力学强度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种既具有足够的力学强度，又有高孔隙率的医用高分子多孔支架及其制备方法。

本发明提出的医用高分子多孔支架，采用溶剂浇铸——粒子溶出法制备获得，它具有双峰或多峰的孔径分布，孔隙率为50％以上，一般可达90％以上，最高可达95％以上，且有着相互连通的孔隙结构。

上述医用高分子多孔支架的孔径分布具有大孔和小孔并存的结构形式，且其大孔的孔径范围为80-500μm，占总孔体积的50-99％，小孔的孔径范围为0.5-80μm，占总孔体积的50-1％(大孔和小孔的总孔体积为100％)。较佳的孔径范围为：大孔的孔径为200-450μm，小孔的孔径为20-60μm。多孔支架的厚度一般可为0.5-4mm。

上述医用高分子多孔支架采用与生物相容性的高分子，包括生物降解型的和非生物降解型的高分子材料。生物降解型的主要有聚羟基羧酸酯(包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯等或其共聚物)、聚原酸酯、聚酸酐或由它们所组成的共聚物、共混物等。非生物降解的主要包括聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇等。

本发明提出上述医用高分子多孔支架的制备方法采用溶剂浇铸——粒子溶出法，具体步骤如下：

1、把与生物相容性的高分子溶于一定的有机溶剂1中，配成浓度为1-30％(重量百分比)的高分子溶液，然后把两种或两种以上的粒径不同的致孔剂分散在高分子溶液中，搅拌均匀，形成混合体系。这里溶剂对致孔剂是不溶的。致孔剂的用量为高分子重量的1-49倍，具体视孔隙率的要求而定。致孔剂中大粒子致孔剂占总量的50-99wt％，小粒子致孔剂占50-1wt％，致孔剂粒子为结晶或非晶固体。

2、将混合体系浇铸于基板上，在常温下让溶剂挥发，烘干，成复合膜。

3、把复合膜浸入溶剂2中，以除去致孔剂，而该溶剂2对高分子是不溶的。

4、然后置于真空烘箱中干燥，除去残留水份，即得所需医用高分子多孔支架。

由上述方法制备的高分子多孔支架其厚度一般为0.5-4mm，且有着大孔和小孔并存的相互连通的孔隙结构，由生物相容性高分子构成，其孔隙率为50％以上，般可达90％以上，最高可达95％以上。

本发明所用的高分子主要是生物降解型的，不过也可用非降解型的高分子材料。生物降解型的主要有聚羟基羧酸酯(包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己乙酯等或其共聚物)、聚原酸酯、聚酸酐、或由它们组成的共聚物、共混物等。聚羟基羧酸酯等已被证明可应用于人类的临床中，现在己成功用于手术缝合线以及药物控制释放体系，以及其它一些医用或药用产品。它们通常都是生物相容性的，其降解产物主要为低分子的化合物，如乳酸、羟基乙酸等，并且都可以通过正常的代谢途径消化掉或排出体外。它们的降解速率则可通过乳酸与羟基乙酸等在共聚物中的不同比例来加以调控，由几天到十几个月不等。更好的选择是采用聚乳酸类高分子化合物，如聚乳酸(PLA)、乳酸—羟基乙酸共聚物(PLGA)等。该共聚物分子中两种单体的数量比(丙交酯∶乙交酯)可为100∶0至50∶50之间，而最佳比例为85∶15(PLGA85∶15)至50∶50(PLGA50∶50)之间。此外也可采用PLA与PLGA的共混物，或PLGA不同系列的共混物。其它代表性的高分子化合物还包括聚己内酯、聚原酸酯和聚酸酐。所使用的降解型高分子材料最好是最终可以被水降解的。常用的非降解型的高分子主要包括聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇等具有一定生物相容性的材料。

本发明所用的致孔剂为粒径小于500μm的结晶或非晶粒子。首先该粒子不会和所使用的高分子发生化学反应且便于除去，而它所残留在高分子支架中的微量部分应对生物体无毒副作用。主要包括无机盐、多糖、蛋白质或一些特定的有机小分子化合物或由它们组成的混合物中的任何一种，更佳的是采用钠盐粒子，如氯化钠、柠檬酸钠、酒石酸钠以及其它水溶性的化合物(如蔗糖等)；其中最佳的选择是氯化钠。粒子可用标准筛筛分成不同级分，其中大粒子的尺寸为80～500μm，小粒子为0.5～80μm；而大粒子的最佳尺寸范围为200～450μm，小粒子的最佳尺寸范围为20～60μm 。

本发明所用高分子溶液的浓度为1～30％(重量百分比)。致孔剂的初始比重为50～98％(重量百分比)，相应高分子的比重则为2～50％(重量百分比)。在所用的致孔剂粒子中，大粒子的重量百分比为50～99％，小粒子的重量百分比为1～50％。

本发明所用高分子的溶剂(溶剂1)应不改变高分子和致孔剂的性质，且对致孔剂不溶解，通常采用挥发性的有机溶剂。一般为氯仿、二氯甲烷、丙酮等。最佳溶剂为氯仿。

本发明所用致孔剂的溶剂(溶剂2)首先应对所用高分子不溶解，且不会改变高分子和致孔剂的性质。在一定长的时间内，可将致孔剂完全溶出。所使用的溶剂一般为水，最好为蒸馏过的去离子水，且最好每隔6～8小时换一次水。待致孔剂粒子溶解析出后，原先由其占据的空间大多会相互贯连起来，形成相互连通的多孔结构。制备的多孔支架孔隙率基本上由所加入的致孔剂的比例所决定。

本发明主要采用生物相容性高分子作支架材料，从而可以减少或避免毒副反应的发生，能更好地符合医学应用的要求。

本发明采用大粒子与小粒子混合使用的方法，其中小粒子的使用可以填充大粒子间难以填充的空间，因此用该方法制备的多孔支架会较使用单峰分布的致孔剂有较高的孔隙率和更好的孔隙间隙，且可以保持高分子支架的力学强度。

本发明采用对人体无毒副作用的致孔剂，如氯化钠是人体所需的成分，蔗糖亦为人体能量主要的供给来源，因而不会在人体内产生严重的毒副作用。且原料来源广泛，价格便宜。

本发明采用工艺流程简单，重复性较好的溶剂浇铸—粒子溶出方法，有利于大规模的生产。

本发明制备的多孔支架可适用于组织细胞的生长及其代谢产物与营养物质的交换。

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，聚乳酸(PLA)通过开环聚合合成，催化剂为异辛酸亚锡。氯化钠、蔗糖磨碎后用标准筛筛分。

将分子量为5万的PDLLA(D，L消旋型的聚乳酸)计1克(10％wt)溶于10ml的氯仿，然后加入9克氯化钠，其中，0.9克的粒径为30～45μm，8.1克的粒径为280～450μm，搅拌均匀后浇铸于直径为5cm的玻璃培养皿中。待溶剂挥发后，于50℃的真空干燥箱中干燥48小时，然后浸于250ml蒸馏过的去离子水中，每隔8小时换一次水，待水中的氯离子用硝酸银检测至不在存在时，取出晾干后再于50℃的真空干燥中干燥48小时干燥。所制备的多孔膜孔隙率为88％，断裂拉伸强度为65MPa。

实施例2，取分子量为5万的PDLLA计0.8克(8％wt)溶于10ml氯仿，然后加入9.2克蔗糖，其中，0.5克的粒径为20-60μm，8.7克的粒径为300～500μm，搅拌均匀后浇铸于直径为5cm的玻璃培养皿中。待溶剂挥发后，于50℃的真空干燥箱中干燥48小时，再浸于250ml去离子水中，每隔8小时换一次水，72小时后取出干燥。所制备的多孔膜孔隙率为91％，断裂拉伸强度为61MPa。

实施例3，取分子量为11万的PLLA(L型聚乳酸)计1克(10％wt)溶于10ml的丙酮，然后加入9克氯化钠，其中，0.9克的粒径为30～45μm，8.1克的粒径为280～450μm，搅拌均匀后浇铸于直径为5cm的玻璃培养皿中。待溶剂挥发后，于50℃的真空干燥箱中干燥48小时。浸于250ml蒸馏过的去离子水中，每隔8小时换一次水，待水中的氯离子用硝酸银检测至不在存在时，取出晾干后再于50℃的真空干燥中干燥48小时干燥。所制备的多孔膜孔隙率为89％。

实施例4，将分子量为5万的PDLLA计0.1克(2％wt)溶于4ml的氯仿，然后加入4.4克氯化钠，其中，0.3克的粒径为30～45μm，4.1克的粒径为280～450μm，搅拌均匀后浇铸于聚四氟乙烯板上。待溶剂挥发后，于50℃的真空干燥箱中干燥48小时，然后浸于250ml蒸馏过的去离子水中，每隔8小时换一次水，待水中的氯离子用硝酸银检测至不在存在时，取出晾干后再于50℃的真空干燥中干燥48小时干燥。所制备的多孔膜孔隙率为96％。

Claims (10)

1、一种医用高分子多孔支架，采用溶剂浇铸——粒子溶出法制备获得，其特征在于它具有双峰或多峰的孔径分布，孔隙率为50％以上，最高可达95％以上，且有着相互连通的孔隙结构。

2、根据权利要求1所述的多孔支架，其特征在于所述的孔径分布为具有大孔和小并存的结构，且大孔的孔径范围为80～500μm，占总孔体积的50～99％，小孔的孔径范围为0.5～80μm，占总孔体积的1～50％。

3、根据权利要求2所述的多孔支架，其特征在于大孔的孔径为200-450μm，小孔的孔径为20-60μm。

4、根据权利要求1所述的多孔支架，其特征在于所述的支架厚度为0.5～4mm。

5、根据权利要求1所述的多孔支架，其特征在于所述的高分子成分为聚羟基羧酸酯、聚原酸酯、聚酸酐、或由它们所组成的共聚物、共混物中的任一种。

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

(1)把具有生物相容性的高分子溶于一定的有机溶剂1中，配成重量百分比浓度为1-30％的高分子溶液，然后把两种或两种以上的粒径不同的致孔剂分散在高分子溶液中，搅拌均匀，形成混合体系，致孔剂的用量为高分子重量的1-49倍，致孔剂中大粒子致孔剂占总量的50-99wt％，小粒子致孔剂占50-1wt％；

(2)将混合体系浇铸于基板上，在常温下让溶剂挥发，烘干，成复合膜；

(3)把复合膜浸入溶剂2中，以除去致孔剂；

(4)然后置于真空烘箱中干燥，除去残留水份，即得所需医用高分子多孔支架。

7、根据权利要求6所述的多孔支架的制备方法，其特征在于所用的致孔剂为无机盐、多糖、有机小分子化合物或由它们所组成的混合物中的任一种。

8、根据权利要求7所述的多孔支架的制备方法，其特征在于所用的致孔剂为氯化钠、柠檬酸钠、酒石酸以及其它水溶性化合物。

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1为氯仿、二氯甲烷、丙酮之一种。

10、根据权利要求6所述的多孔支架的制备方法，其特征在于所用的溶剂2为水。