CN1749319A

CN1749319A - 超临界co2技术制备组织工程用三维多孔支架材料的方法

Info

Publication number: CN1749319A
Application number: CN 200510028457
Authority: CN
Inventors: 任杰; 张鹏; 滕新荣
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2025-08-04
Also published as: CN100357352C

Abstract

本发明属高分子材料和生物医学工程技术领域，具体为一种可生物降解的组织工程用多孔支架材料的制备方法。本方法采用可生物降解的聚乳酸及其共聚物作为基材，加入加致孔剂，放入聚四氟乙烯模具热压成型，然后加入到超临界CO₂高压釜中，通入CO₂，在设定温度下保压一段时间，快速降压至与大气压同，最终得到孔隙率可达90％以上、孔与孔之间相互连通，孔分布均匀，孔径大小为100～300μm的三维多孔支架材料。本发明选材广泛，加工工艺简单、无环境污染，适用范围广。

Description

超临界CO2技术制备组织工程用三维多孔支架材料的方法

技术领域

本发明属高分子材料和生物医学工程技术领域，具体涉及一种高分子材料为基材的组织工程用多孔支架材料的制备方法，特别是涉及一种利用超临界CO₂技术制备以可生物降解聚合物为基材的三维多孔支架材料的方法。

技术背景

组织工程学是利用工程学和生命科学的原理和方法研究生物有机体的组织器官或其功能替代物的新型交叉学科。它集生物工程、生命科学、材料科学与工程及临床医学于一体，目的是修复和再生受损组织或器官，帮助病人恢复受损组织的功能，提高生活质量。1987年美国自然科学基金工程理事会在研讨生物工程前景时提出，组织工程学的定义为：“应用工程学原理和方法来了解正常的和病理的哺乳类组织的结构和功能的关系，并研制活的生物组织代用品，用于修复、维持和改善人体组织的功能”。组织工程的基本原理和方法是，将从患者的软硬组织中获取的造骨细胞、骨肿部位及间叶细胞的原细胞放在培养液中培植，将体外培养的高浓度组织细胞扩增后吸附于一种生物相容性良好，并可被人体逐步降解吸收的细胞外基质(ECM)材料上，形成细胞/生物材料复合物。该材料可为细胞提供生存的三维空间，有利于细胞获得足够的营养物质，进行新陈代谢，使细胞按预制形态的三维支架生长；然后将这种复合体植入基体所需部位。种植的细胞在生物支架降解吸收的过程中，继续增长繁殖，形成了新的具有原来特殊功能和形态的相应组织和器官，从而可达到修复组织外形和功能重建的目的。由此可见，组织工程支架是组织工程中的重要组成部分，其中包括支架材料的选取，三维多孔支架的制备及其各种性能的测试。

生物可降解高分子材料是一类很适合用来制备组织工程三维支架的材料，这类材料具有良好的生物相容性，适宜的生物降解性，良好的表面活性，一定的可塑性，并且能够形成三维多孔的连通结构。它不仅可以为组织细胞生长提供依附框架，使之形成特定的组织或器官形状，更重要的是生物高分子材料作为细胞外基质成分之一，起着介导细胞间信号传导和相互作用的媒介作用，并可作为组织细胞生长所必需的生物活性剂。上述因素往往取决于支架制备方法。目前国外已有人对组织工程用多孔支架的制备进行了广泛的研究，具体有以下几种：溶剂浇铸/粒子沥滤技术，纤维粘结技术，快速成型技术，气体发泡技术，热致相分离法等，但这些技术都存在一定的缺陷，且适用范围有限，而新兴超临界CO₂发泡技术是近年来新发展起来的一种绿色环保技术，不使用有机溶剂，常常可以结合并释放生理活性物质。

张润等采用超临界CO₂(Supercritical CO₂，SC-CO₂)发泡技术制备了生物相容性良好的PLA多孔材料。与传统的方法所制得的材料相比较，这种多孔材料不仅杂质少，孔径孔率分布均匀，孔洞表面粗糙。该结构提供了营养物质和新陈代谢的通道，且细胞和生长因子也能通过(张润，邓政兴，李立华等.用超临界CO₂法制备聚乳酸三维多孔支架材料.材料研究学报，2003，17(6)：665-672)。Lakhwant等使用DL-PLGA(85/15)作为基材，超临界CO2作为致孔剂的压力淬火法，所得泡沫材料孔隙率可达89％，具有较高的连通孔。孔洞的尺寸在30～100μm之间，制备出的产品可被广泛用于生物医疗领域。例如，导向性的组织再生等(Lakhwant S，Vipin K，Buddy D R.Generation of porous microcelluar 85/15poly(DL-lactide-glycolide)foams for biomedical applications[J].Biomaterials，2004，25：2611-2617)。

发明内容

本发明的目的在于提出一种利用超临界CO₂技术制备组织工程用三维支架材料的新方法。

本发明提出的组织工程用三维多孔支架材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)按90∶10-20∶80的重量比例称取聚合物和致孔剂，放在聚四氟乙烯模具中热压成型，控制温度在聚合物熔点温度以下，保压时间为40-80分钟，使致孔剂均匀分散在聚合物基体中；

(2)在室温下冷却成型，然后将其放在8.0～30.0MPa的高压CO₂气体中机械饱和，时间10-200分钟；将气压迅速降至大气压水平，降压时间不超过15s，使聚合物中的CO₂气体的溶解度迅速下降，产生大量的CO₂气腔，从而形成多孔发泡结构的材料；

(3)用一种聚合物材料不溶而致孔剂溶解的溶剂将致孔剂浸泡沥出，在室温以下真空干燥，即得到所需的材料。

本发明中所用到的聚合物是L-聚乳酸(PLLA)、聚羟基乙酸(PGA)或者两者的共聚物PLGA，或者是聚酐、聚尿烷、聚α-羟基酯、聚ε-羟基乙醇内酯等。此外，所用聚合物还可以采用不同分子量的聚醚与聚乳酸共聚得到的嵌段聚合物，其中，聚醚可采用聚乙二醇(PEG)、聚氧化乙烯(PEO)、聚四氢呋喃等亲水聚合物，相应的嵌段共聚物为PLA-PEG、PLA-PEO、聚乳酸-聚四氢呋喃等。

本发明所用的致孔剂可以是氯化钠、葡萄糖晶体或糊精晶体等。

本发明所用的溶剂可以是水。

为了增加多孔支加要的机械强度，在本发明的聚合物材料基体中可加入无机物，例如可添加羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙(TCP)、磷酸钾、磷酸钠或磷酸钙等，加入量为聚合物重量的1-10％。

实验结果如下：

1.在利用超临界CO₂技术进行发泡时，高分子聚合物材料基体中如果不加入致孔剂，则最终形成的多孔支架的孔大多是封闭的，相互之间连通性较差，孔隙率较低，为40～65％。

2.在利用超临界CO₂技术进行发泡时，高分子材料基体中如果加入致孔剂，则最终形成的多孔支架的孔是相互连通的，孔隙率有明显提高，可达85％以上，而且在大的孔洞上可以观察到大小为10～20μm之间的表面粗糙的微孔结构，大孔孔径为100～300μm。具体结果如附图1、2、3和4所示。

3.在利用超临界CO₂技术进行发泡时，高分子材料基体中如果加入HA、TCP等无机物，则最终形成的复合多孔支架机械强度有较大提高。

本发明采用超临界CO₂技术与粒子滤取相结合的方法，通过调节加入粒子(氯化钠、葡萄糖等)的尺寸和含量来控制孔径，可以获得孔洞形貌较好，孔分布均匀，连通性好，孔隙率高达90％以上的三维多孔支架材料，所得产品可以满足组织工程应用的需要。本发明选材广泛、加工工艺简单、无环境污染、适用范围广。

附图说明

图1为实施例1的扫描电镜图。

图2为实施例4的扫描电镜图。

图3为实施例6的扫描电镜图。

图4为实施例7的扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1：

按比例称取一定量的PLGA和氯化钠，其中氯化钠占总重的40％，放在聚四氟乙烯模具中热压成型，保证氯化钠均匀分散在聚合物基体中，控制温度在140℃左右；随后将在室温下冷却成型的样品放在超临界CO₂高压反应釜中，调节温度和压力至稳定状态(35℃，8MPa)，保压45min，然后迅速降至大气压水平(降压时间不超过15s)，聚合物中的CO₂气体的溶解度迅速下降，产生大量的CO₂气腔，形成了多孔发泡结构的材料；最后用去离子水浸泡发泡后的样品，沥去氯化钠，室温下连续真空干燥24小时以上，样品备用。经扫描电镜和比重瓶法分析结果表明，多孔支架的孔是开放的，孔与孔之间连通性较好，孔隙率为88.37％。如附图中图1所示。

实施例2：

按比例称取一定量的PLGA和氯化钠，其中氯化钠占总重的20％，放在聚四氟乙烯模具中热压成型，保证氯化钠均匀分散在聚合物基体中，控制温度在140℃左右；随后将在室温下冷却成型的样品放在超临界CO₂高压反应釜中，调节温度和压力至稳定状态(35℃，10MPa)，保压60min，然后迅速降至大气压水平(降压时间不超过15s)，聚合物中的CO₂气体的溶解度迅速下降，产生大量的CO₂气腔，形成了多孔发泡结构的材料；最后用去离子水浸泡发泡后的样品，沥去氯化钠，室温下连续真空干燥24小时以上，样品备用。经扫描电镜和比重瓶法分析结果表明，多孔支架的孔大多是闭合的，孔隙率为73.52％。

实施例3：

氯化钠变为葡萄糖晶体，其他条件同实施例1，所得多孔支架的孔是开放的，孔与孔之间连通性较好，孔隙率为83.38％。

实施例4：

氯化钠变为糊精晶体，其他条件同实施例1，所得多孔支架的孔是开放的，孔与孔之间连通性较好，孔隙率为85.64％。如附图中图2所示。

实施例5：

PLGA变为PGA，其他条件同实施例1，所得多孔支架的孔是开放的，孔与孔之间连通性较好，孔隙率为83.38％。

实施例6：

PLGA变为PLA-PEG，其他条件同实施例1，所得多孔支架的孔是开放的，孔与孔之间连通性较好，孔隙率为90.23％。如附图中图3所示。

实施例7：

按比例称取含有HA的HA/PLGA复合物和氯化钠，其中氯化钠占总重的50％，HA为PLGA重量的2％，放在聚四氟乙烯模具中热压成型，保证氯化钠均匀分散在聚合物基体中，控制温度在140℃左右；随后将在室温下冷却成型的样品放在超临界CO₂高压反应釜中，调节温度和压力至稳定状态(35℃，8MPa)，保压60min，然后迅速降至大气压水平(降压时间不超过15s)，聚合物中的CO₂气体的溶解度迅速下降，产生大量的CO₂气腔，形成了多孔发泡结构的材料；最后用去离子水浸泡发泡后的样品，沥去氯化钠，室温下连续真空干燥24小时以上，样品备用。经扫描电镜和比重瓶法分析结果表明，多孔支架的孔是开放的，孔与孔之间连通性较好，孔隙率为87.17％。将已测好边长的长方体样品，采用压机(NXU-5000)做抗压力学性能测试。实验条件跨距30％，抗压加载速度1mm/min。材料按泡沫材料进行计算，抗压强度为1.015MPa，而同样条件下的PLGA抗压强度为0.503MPa，机械性能有较大提高。如附图中图4所示。

实施例8：

将含有2％HA的HA/PLGA复合物变为含有10％HA的HA/PLGA复合物，其他条件同实施例7，所得多孔支架的孔大多是开放的，孔与孔之间连通性一般，孔隙率为73.53％。抗压强度为1.867MPa，机械性能有较大提高。

实施例9：

将含有2％HA的HA/PLGA复合物变为含3％TCP的TCP/PLGA复合物，其他条件同实施例7，所得多孔支架的孔是开放的，孔与孔之间连通性较好，孔隙率为87.37％。抗压强度为1.145MPa，机械性能有较大提高。

实施例10：

将含有2％HA的HA/PLGA复合物变为含有3％HA的HA/聚四氢呋喃复合物，其他条件同实施例7，所得多孔支架的孔是开放的，孔与孔之间连通性较好，孔隙率为89.35％。抗压强度为1.445MPa，机械性能有较大提高。

Claims

1、一种组织工程用三维支架材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(3)用一种聚合物材料不溶而致孔剂溶解的溶剂将致孔剂浸泡沥出，在室温下真空干燥，即得到所需的材料。

2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述聚合物是L-聚乳酸、聚羟基乙酸或者两者的共聚物，或者是聚酐、聚尿烷、聚α-羟基酯、聚ε-羟基乙醇内酯，或者是不同分子量的聚醚与聚乳酸共聚得到的嵌段聚合物，其中，聚醚采用聚乙二醇、聚氧化乙烯或聚四氢呋喃。

3、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述致孔剂为氯化钠、葡萄糖晶体或糊精晶体。

4、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述聚合物中还添加羟基磷灰石、磷酸三钙、磷酸钾、磷酸钠或磷酸钙，加入量为聚合物重量的1-10％。