CN1836742A - 一种纤维熔结法制备软骨组织工程支架材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纤维熔结法制备软骨组织工程支架材料的方法，包括如下步骤：熔点为130～180℃的聚(3－羟基丁酸酯－3－羟基戊酸酯)共聚物在130～180℃下进行熔融纺丝；将所得纤维干燥剪碎后，填充在阴阳模模具中，在130～180℃的温度下加热熔结，冷却成型，得到所需形状的组织工程支架。本发明的有益效果是：在制备过程中未使用任何有机溶剂，排除了常规方法如粒子溶出法，冷冻干燥法等所导致的残留有机化学物对细胞培养的不利影响。制备的支架结构真正实现了三维立体结构，成孔达到100％的贯通性，有利于细胞的生长与分化。
Description
技术领域
本发明涉及一种软骨组织工程支架材料的制备方法，特别是涉及一种采用纤维熔结的方法来制备软骨组织工程支架材料的方法。
背景技术
组织工程学(Tissue Engineering)在生物工程中是一个比较新的领域，得到了科学界和大众的广泛关注。广义的组织工程概念是由美国国家科学基金会于1987年正式确立的，将组织工程概念定义为应用细胞生物学和工程学的原理，研究和开发、修复和改善损伤组织和功能的生物替代物的一门科学。这一学科覆盖了生物材料学、细胞生物学、生物化学、生物和医学工程以及移植技术的众多学科(L.G.Cima，J.P.Vacanti，C.Vacanti，D.E.Ingber，D.Mooneyand R.Langer.Tissue engineering by cell transplantation usingdegradable polymer substrates[J].Journal of Biomechanical Engineering，1999，143-151)。
软骨是组织工程中第一种获得成功培养的组织，它给未来的组织和器官的移植带来了无限的发展前景。
Eric和Kyriacos在其关于关节软骨再生的生物机械性能方面的探讨中形象地描述了软骨组织工程的基本路线(Eric M.Darling，Kyriacos A.Athanasiou.Biomechanical Strategies for Articular Cartilage Regeneration[J].Annals of Biomedical Engineering，2003，31：1114-1124)。其中，组织工程支架材料是最核心也是最基础的部分之一。其必须具备良好的生物降解性，在细胞的生长过程中，支架材料可以在类似体内或体内的生理环境下，材料分子链可以自动断裂，并形成小分子逐渐被机体代谢或吸收。由此种子细胞通过在支架材料上的依附生长，经过体外培养扩增、再植入体内的病损位置，成为具有母体组织或器官形状及特性的新的组织或器官，最终达到修复重建组织或器官、恢复其功能的目的。
另外，支架材料必须具备较高的孔隙率和合适孔径大小。这主要取决于支架材料的制备方法，目前组织工程支架材料的制备方法主要有溶剂浇铸-粒子溶出、纤维粘接法、热诱导相分离(冷冻冻干)、超临界流体和乳液冻干等方法。但都各有优缺点，对于支架材料的制备方法一直是研究的热点之一。
有关于组织工程支架材料的制备工艺以及相关应用多有专利报道。仅美国专利就有近400个；国内有近40个。但是以PHBV为材料，通过纤维熔结的方法来制备组织工程支架材料的专利还未见有报道。在美国，公开号为US 6,656,496的发明专利“Porous tissue scaffolding materials and uses thereof”，利用加入体积百分数为10％到50％的10到500微米的聚合物粒子制孔，并添加了蛋白质，交联剂和改性剂。公开号为US 6,337,198的发明专利“Porous polymerscaffolds for tissue engineering”，利用在聚合物溶液中加入50-500微米的水溶性颗粒，通过冷冻干燥，粒子溶出，制得了拥有内部相连的开放式孔的双峰式分布聚合物连续相，包括50-500微米的大孔和在大孔间呈直线排列的小孔。以上两种方法都是基于制备多孔支架材料最常用的方法——粒子溶出法。虽然都有了一定的改进，但还是存在孔分布不均匀或孔隙率较低的不足。在国内，公开号为CN1260363A的发明专利“一种多孔丝素膜及其制备方法”中，公开了一种用冷冻干燥法制备多孔丝素膜的方法，此法制得的都为膜状，仅可用作创面覆盖及人工皮肤，难以构成组织工程用三维多孔支架；公开号为CN1596995的发明专利“骨组织工程支架材料及其制备方法”，公开了一种以磷酸二氢锶和磷酸二氢钙为材料，利用致孔剂经高温烧结制得骨组织工程支架材料。加入致孔剂、发泡剂等是制备多孔材料的常用方法，但这种方法存在孔与孔的贯通性不好的弊端。
聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)共聚物PHBV，是天然高分子聚酯聚羟基脂肪酸酯PHA的一类。其分子结构式为：
PHBV是完全生物相容和无细胞毒性的材料。Tatiana Volova等研究了PHBV纤维作为医用缝合线在生物医学方面的应用性能。体内实验中，PHBV纤维在生理学、生物化学上对被实验动物都没有任何不良影响(Tatiana Volova，Ekaterina Shishatskaya，Viktor Sevastianov，Sergei Efremov，OlgaMogilnaya.Results of biomedical investigations of PHB and PHB/PHVfibers[J].Biochemical Engineering Journal，2003，16：125-133)。这一点与其它可降解材料相比有着显著的优势。
目前，支架材料的制备工艺研究非常多，但方法都各有利弊。例如溶剂浇铸-粒子溶出法虽然可以对孔径进行有效的控制，但是孔的分布不均匀，贯通性也不够理想，比较适合薄膜的研究。
利用纤维熔结的方法，是利用聚合物具有熔程以及在熔程中所表现的一系列特性，这样在一定的温度范围内，填充在模具中的纤维不会由于降低界面能量而出现结构的塌陷，而是在交叉点处纤维变得像“焊接”(熔化)起来一样，从而形成了多孔的泡孔材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种纤维熔结法制备软骨组织工程支架材料的方法，以弥补现有技术的不足或缺陷，满足生产和生活的需要。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种纤维熔结法制备软骨组织工程支架材料的方法，包括如下步骤：
(1)熔点为130～180℃的聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)共聚物(PHBV)在130～180℃下进行熔融纺丝；
(2)将步骤(1)所得纤维干燥剪碎后，填充在阴阳模模具中，在130～180℃的温度下加热熔结，冷却成型，得到所需形状的组织工程支架。作为优选的技术方案：所述的聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)共聚物(PHBV)中的聚羟基戊酸酯(PHV)的含量为3％-30％，熔点为130～180℃。
纺丝在微型双螺杆共混仪中进行，温度为130～180℃，熔融时间为5～15min。
步骤(2)中，纤维的纤度为1～30dtex，剪碎长度为0.1cm～1cm，加热方式采用油浴加热，熔结温度为130～180℃，时间5～20min，自然冷却12h。
油浴采用甘油和邻苯二甲酸二丁酯的混合液，甘油分子式为C8H5(OH)8，邻苯二甲酸二丁酯分子式为C6H4(COOC4H9)2。
本发明是一种通过纤维熔结的方法来制备组织工程支架材料的技术，涉及一种新型的具有良好生物相容性和降解性的生物材料——PHBV基材。以生物可降解材料——PHBV(聚羟基丁酸酯和聚羟基戊酸酯的共聚物)为基材，可通过调节PHV的含量来改变PHBV的物理化学性能以及生物降解速率。对基材进行熔融纺丝，利用阴阳模模具，将一定质量、一定长度基材纤维填充在模具中，在一定温度下进行加热使纤维熔结，冷却成型，从而得到一定形状的组织工程支架材料。该支架材料适用于组织或器官的细胞培养与生长所用载体。
本发明的有益效果是：在制备过程中未使用任何有机溶剂，排除了常规方法如粒子溶出法，冷冻干燥法等所导致的残留有机化学物对细胞培养的不利影响。制备的支架结构真正实现了三维立体结构，成孔达到100％的贯通性，有利于细胞的生长与分化。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
实施例1
纺丝前将PHBV(3％PHV)粉末在干燥器中干燥24h。在微型双螺杆共混仪中进行纺丝前，称取5.0gPHBV粉末待用；预热仪器，温度升至温度为160℃，将PHBV粉末从加料口小心加入；熔融时间为5min，出料，并将其卷绕至卷绕机上，得到的纤维在室温下，干燥器中干燥24h；用普通医用剪刀将纤维剪碎至长度为0.1～0.5cm。称取4.5g剪碎后的纤维，将其填充在制备好模具中，在甘油和邻苯二甲酸二丁酯的混合液油浴中加热熔结，缓慢加热至155℃，恒温10min，取出后自然冷却12h，小心脱模。
采用液体替代法来测材料孔隙率。将重量为4.5g的支架材料置于体积为(V1)的酒精溶液(50％)中，循环抽真空至无气泡逸出，材料和溶液的总体积记为V2，视(V2-V1)为支架固体的体积。将含溶液的支架材料移出后，记所剩溶液体积为V3，以材料中所含溶液的体积(V1-V3)为材料孔隙所占的体积，则材料的总体积为：V＝(V2-V1)+(V1-V3)＝V2-V3。由此可将支架的密度表示为：d＝W/(V2-V3)。孔隙率可表示为：P＝(V1-V3)/(V2-V3)。
表1PHBV(HV：3％)纤维长度为0.1～0.5cm的孔隙率测定
| 酒精溶液(V1) | 材料和溶液(V2) | 支架固体(V2-V1) | 所剩溶液(V3) | 材料孔隙(V1-V3) | 支架的密度(d) | 孔隙率(p) |
| 50ml | 70ml | 20ml | 30ml | 20ml | 0.1125 | 50.0％ |
用上述纤维熔结法制得的细胞支架，经紫外杀毒后，放入细胞培养液中，植入细胞即可进行进一步的研究。
实施例2
纺丝前将PHBV(30％HV)粉末在干燥器中干燥24h。在微型双螺杆共混仪中进行纺丝前，称取5.0gPHBV粉末待用；预热仪器，温度升至温度为160℃，将PHBV粉末从加料口小心加入；熔融时间为15min，出料，并将其卷绕至卷绕机上，得到的纤维在室温下，干燥器中干燥24h；用普通医用剪刀将纤维剪碎至长度为0.5～1.0cm。称取4.5g剪碎后的纤维，将其填充在制备好模具中，在甘油和邻苯二甲酸二丁酯的混合液油浴中加热熔结，缓慢加热至155℃，恒温10min，取出后自然冷却12h，小心脱模。
采用液体替代法来测材料孔隙率。将重量为4.5g的支架材料置于体积为(V1)的酒精溶液(50％)中，循环抽真空至无气泡逸出，材料和溶液的总体积记为V2，视(V2-V1)为支架固体的体积。将含溶液的支架材料移出后，记所剩溶液体积为V3，以材料中所含溶液的体积(V1-V3)为材料孔隙所占的体积，则材料的总体积为：V＝(V2-V1)+(V1-V3)＝V2-V3。由此可将支架的密度表示为：d＝W/(V2-V3)。孔隙率可表示为：P＝(V1-V3)/(V2-V3)。
表2PHBV(HV：3％)纤维长度为0.5～1.0cm的孔隙率测定
| 酒精溶液(V1) | 材料和溶液(V2) | 支架固体(V2-V1) | 所剩溶液(V3) | 材料孔隙(V1-V3) | 支架的密度(d) | 孔隙率(p) |
| 50ml | 73ml | 23ml | 26ml | 24ml | 0.0957 | 51.06％ |
用上述纤维熔结法制得的细胞支架，经紫外杀毒后，放入细胞培养液中，植入细胞即可进行进一步的研究。
实施例3
纺丝前将PHBV(28％HV)粉末在干燥器中干燥24h。在微型双螺杆共混仪中进行纺丝前，称取5.0gPHBV粉末待用；预热仪器，温度升至温度为130℃，将PHBV粉末从加料口小心加入；熔融时间为10min，出料，并将其卷绕至卷绕机上，得到的纤维在室温下，干燥器中干燥24h；用普通医用剪刀将纤维剪碎至长度为0.5～1.0cm。称取4.5g剪碎后的纤维，将其填充在制备好模具中，在油浴中加热熔结，油的种类采用甘油和邻苯二甲酸二丁酯的混合液，缓慢加热至155℃，恒温10min，取出后自然冷却12h，小心脱模。
采用液体替代法来测材料孔隙率。将重量为4.5g的支架材料置于体积为(V1)的酒精溶液(50％)中，循环抽真空至无气泡逸出，材料和溶液的总体积记为V2，视(V2-V1)为支架固体的体积。将含溶液的支架材料移出后，记所剩溶液体积为V3，以材料中所含溶液的体积(V1-V3)为材料孔隙所占的体积，则材料的总体积为：V＝(V2-V1)+(V1-V3)＝V2-V3。由此可将支架的密度表示为：d＝W/(V2-V3)。孔隙率可表示为：P＝(V1-V3)/(V2-V3)。
表3PHBV(HV：28％)纤维长度为0.5～1.0cm的孔隙率测定
| 酒精溶液(V1) | 材料和溶液(V2) | 支架固体(V2-V1) | 所剩溶液(V3) | 材料孔隙(V1-V3) | 支架的密度(d) | 孔隙率(p) |
| 50ml | 67ml | 17ml | 13ml | 37ml | 0.0833 | 68.5％ |
用上述纤维熔结法制得的细胞支架，经紫外杀毒后，放入细胞培养液中，植入细胞即可进行进一步的研究。
实施例4
纺丝前将PHBV(28％HV)粉末在干燥器中干燥24h。在微型双螺杆共混仪中进行纺丝前，称取5.0gPHBV粉末待用；预热仪器，温度升至温度为180℃，将PHBV粉末从加料口小心加入；熔融时间为5min，出料，并将其卷绕至卷绕机上，得到的纤维在室温下，干燥器中干燥24h；用普通医用剪刀将纤维剪碎至长度为0.1～0.5cm。称取4.5g剪碎后的纤维，将其填充在制备好模具中，在油浴中加热熔结，油的种类采用甘油和邻苯二甲酸二丁酯的混合液，缓慢加热至155℃，恒温10min，取出后自然冷却12h，小心脱模。
采用液体替代法来测材料孔隙率。将重量为4.5g的支架材料置于体积为(V1)的酒精溶液(50％)中，循环抽真空至无气泡逸出，材料和溶液的总体积记为V2，视(V2-V1)为支架固体的体积。将含溶液的支架材料移出后，记所剩溶液体积为V3，以材料中所含溶液的体积(V1-V3)为材料孔隙所占的体积，则材料的总体积为：V＝(V2-V1)+(V1-V3)＝V2-V3。由此可将支架的密度表示为：d＝W/(V2-V3)。孔隙率可表示为：P＝(V1-V3)/(V2-V3)。
表4PHBV(HV：28％)纤维长度为0.1～0.5cm的孔隙率测定
| 酒精溶液(V1) | 材料和溶液(V2) | 支架固体(V2-V1) | 所剩溶液(V3) | 材料孔隙(V1-V3) | 支架的密度(d) | 孔隙率(p) |
| 50ml | 62ml | 12ml | 15ml | 35ml | 0.0957 | 74.5％ |
用上述纤维熔结法制得的细胞支架，经紫外杀毒后，放入细胞培养液中，植入细胞即可进行进一步的研究。
Claims (5)
1、一种纤维熔结法制备软骨组织工程支架材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)熔点为130～180℃的聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)共聚物在130～180℃下进行熔融纺丝；
(2)将步骤(1)所得纤维干燥剪碎后，填充在阴阳模模具中，在130～180℃的温度下加热熔结，冷却成型，得到所需形状的组织工程支架。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)共聚物中的聚羟基戊酸酯的含量为3％～30％，熔点为130～180℃。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：纺丝在微型双螺杆共混仪中进行，温度为130～180℃，熔融时间为5～15min。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，纤维的纤度为1～30dtex，剪碎长度为0.1cm～1cm，采用油浴加热，熔结温度为130～180℃，时间5～20min，自然冷却12h。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：油浴采用甘油和邻苯二甲酸二丁酯的混合液，甘油分子式为C8H5(OH)8，邻苯二甲酸二丁酯分子式为C6H4(COOC4H9)2。
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| CN 200610026004 CN1836742A (zh) | 2006-04-25 | 2006-04-25 | 一种纤维熔结法制备软骨组织工程支架材料的方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN108744049A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-11-06 | 江西理工大学 | 一种利用多巴胺修饰氧化石墨烯制备go-pda/phbv复合骨支架的方法 |
| CN113198051A (zh) * | 2021-04-28 | 2021-08-03 | 四川轻化工大学 | 一种三维复合多孔支架的制备方法及其三维复合多孔支架 |
-
2006
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