CN102423272B - 一种具有网络通道的多孔支架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物材料和再生医学技术领域，具体为一种具有网络通道的多孔支架及其制备方法。本发明多孔支架的基体材料即可为陶瓷、玻璃、碳素等无机材料，也可为具有自粘结性、可溶解性、可塑性的高分子材料，还可是无机与高分子材料的复合材料。制备方法将基体材料和致孔剂与网络状物质混合均匀，当基体材料为无机材料时，通过高温烧结的方法除去致孔剂和网络形物质制备；当基体材料为高分子材料或高分子材料与无机材料的复合物时，采用常温模压/粒子浸出法制备得到具有网络通道的多孔支架。本发明的多孔支架在三维空间结构上构筑了网络通道结构，不仅增加了支架孔与孔之间的联通性，而且引入的通道为血管长入支架提供了的有利空间。

Description

一种具有网络通道的多孔支架及其制备方法

技术领域

本发明属于生物材料和再生医学技术领域，具体涉及一种具有网络通道的多孔支架及其制备方法。

背景技术

组织工程学是综合应用工程学和生命科学的基本原理、基本理论、基本技术和基本方法。组织工程的核心就是建立细胞与支架材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。而组织诱导则不引入外源种子细胞，直接植入多孔支架，在体内环境中，诱导细胞的进入、甚至分化。多孔支架在组织工程和组织诱导等再生医学研究中起关键作用，它不仅为特定的细胞提供结构支撑怍用，而且还起到模板作用，引导组织再生和控制组织结构。因此，筛选和制备出一种理想的支架材料对于再生医学的发展和应用至关重要。

研究者发现支架内部的种子细胞在植入体内后，会将养分和氧气迅速地消耗掉，因为细胞在血管周围150-200μm内才能通过弥散来维持存活，如果不能建立内在的血液循环，组织工程和组织诱导只能限于构建较薄的组织[JeroenRouwkema,etal.TrendsinBiotechnology,2008,26:434–441]。所以，构建有一定体积的三维组织的关键问题就是如何解决工程化组织的血管化问题[GriffithLG,etal.Science.2002,295:1009-1014.]。目前，这一观点已成为国内外众多组织工程和组织诱导学者的共识[WangL,etal.Biomaterials.2010,31:9452-9461]。

目前，对于支架材料促进血管化的研究已有报道。其中较多的是材料表面的研究，Kirkpatrick[UngerRE,etal.Biomaterials.2005,26:3461-3469.]等人观察到，在聚醚砜表面和丝素蛋白网上的细胞外基质，在生长因子和胶原的刺激下，可以形成血管样结构。还有国内学者[GuoR,etal.Biomaterials.2011,32:1019-1031.]将生长因子VEGF-165负载在胶原-壳聚糖的支架材料上面修复猪表皮深度切口，112天后，发现修复后的皮肤组织与正常组织有十分类似的结构，并具有正常组织80%的张力。而对于支架三维孔径的研究也逐渐活跃，如有研究者[DrueckeD.,etal.JournalofBiomedicalMaterialsResearchPartA.2004,68A:10-18.]构建了3种不同孔径大小(250-300、75-212、20-75μm)的支架，发现这些支架的血管化速度受孔径影响，其中最大孔径的支架血管化程度最好，孔径最大的支架术后8天和12天，在材料的边缘和中心具有更大的血管密度和红细胞速率，且在第20天血管化作用仍很活跃。还有研究者[KubokiY,etal.TheJournalofBoneandJointSurgery2001,83A(Suppl.1):S105–15.]发现，孔径为90-120μm的羟基磷灰石多孔支架材料先诱导软骨形成然后再骨化，而孔径大于350μm的羟基磷灰石可以直接诱导骨组织形成，其临界孔径是300-400μm。这也许是大孔径更有利于血管化，从而为局部组织带来更多的营养成分所造成的。还有的研究者认为，孔隙间的连通对支架材料体内血管化的影响更大，孔隙不相通使得新骨之间不能互相连接，而缺乏连续性和整合性，血管常常不能进入到这些孔的盲端。如有研究者[MastrogiacomoM,etal.Biomaterials.2006,27:3230–3237]制作了两种孔径、孔隙率和孔内连通径不同的多孔羟基磷灰石材料，复合骨髓基质干细胞后植入到大鼠皮下，术后组织学分析表明：两种结构材料血管化程度均较好，所有的孔隙内都含有血管，血管数量也较多，但有趣的是，具有较大孔间连通的材料内所形成的血管管径较大，也就是说，孔间连通是新生血管进出的瓶颈，决定着所形成血管的管腔大小。LuJX等[BaiF,etal.TissueEngineeringPartA.2010,16:3791-3803]对支架孔的连通径问题做了大量的研究，他们将具有精确孔径与连通径的β-磷酸三钙(β-TCP)多孔材料植入动物体内研究血管的形成，发现连通径比孔径对于血管形成更重要，但是当孔径大于400μm则两者的作用没有区别。综上所述，支架结构是工程化组织极为重要的形态学性质，支架材料适宜的表面与三维孔隙结构有利于营养物质、氧气以及代谢产物的运输和交换，并为新生血管的长入提供通道，因而有利于组织工程和组织诱导技术中新生组织的血管化。

如何通过支架材料的结构和形貌设计控制再生组织的结构、尺寸和形貌，作为连接细胞和组织的框架，引导组织生长成特定形态？本发明设想模拟血管网络形状，从自然界直接挑选一些天然网络型物质或可仿生制备血管网络形物质的物质，然后利用这些网络型物质作为将被取出的模板在支架材料中赋型制备带有如同血管网络形通道的多孔支架。它不仅有合适的孔径、孔隙率、弹力强度和降解时间；还有生物相容性，适于细胞粘附和基质沉积；而且，在支架内还具有一些网络通道适合细胞沿着通道方向攀附与迁移，引导细胞生长方向和迁移情况；同时由于通道本身的连通又可以增加支架孔间的连通性，更利于营养物质的转入和细胞代谢废物的排出，使细胞支架可以通过自身的构造维持其存活。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有网络通道的多孔支架及其制备方法。

本发明提出的具有网络通道的多孔支架，其特点是该支架中含有模拟血管网络形状的网络通道（孔），通道（孔）直径为1μm-5mm，支架的孔隙率为0.1-99%。较佳的孔隙率范围为40-95%。

本发明的多孔支架中，可以同时存在网络通道（孔）和非网络通道（孔），其中，非网络通道（孔）型孔的直径尺寸为5-2000μm。

本发明中，所述多孔支架的基体材料为陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料,包括氧化钛、氧化铝、氧化钙、氧化钠、氧化硅、磷酸钙系列（羟基磷灰石、磷酸三钙、磷酸四钙、焦磷酸钙、双相磷酸钙、聚磷酸钙）、硫酸钙、碳酸钙、低温各向同性碳以及以上材料的混合物或与添加剂的混合物。

本发明所述多孔支架的基体材料也可以为如下可降解的高分子材料中的任何一种：聚DL-丙交酯、聚L-丙交酯、聚乙交酯、聚乳酸-羟基乙酸的共聚物、聚3-羟基丁酸酯、聚羟基脂肪酸酯、聚ε-己内酯、聚ε-烷基取代己内酯、聚δ-戊内酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对二氧杂环己酮、聚二氧六环、聚醚酯，或者为上述各类聚酯的任何形式的共聚物或共混物中的任何一种；

本发明所述多孔支架的基体材料也可以为如下不可降解高分子材料中的任何一种：聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸醋、尼龙、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚硅氧烷，或者为由它们之中几种组成的共聚物或共混物中的任何一种。

本发明所述多孔支架的基体材料还可以是无机材料和高分子材料中的一种或几种的各种形式的复合物。

本发明的具有网络通道的多孔支架的制备方法，是将基质材料或其前体与具有网络结构的模板相混合，或者将基质材料或其前体与网络模板和非网络型致孔剂同时混合，然后除去网络模板与非网络型致孔剂后，使得前体变为基质材料，最终获得具有网络通道的多孔支架。

本发明提出的具有网络通道的多孔支架，当基体材料为无机材料时，制备具体步骤如下：

将无机材料、粘结剂、致孔剂与网络状物质进行混合，形成分散均匀的无机材料、致孔剂与网络状物质的混合物；将此混合物灌入模具中进行模压成型，制成无机材料-致孔剂-网络状物质的混合物制品，然后在室温环境中使混合物干燥0-3d，再加热至高温800-1500℃，烧结除去粘结剂、致孔剂与网络状物质，就得到所需的无机多孔支架。

无机材料为基体材料，所用的致孔剂分为有无机和有机两类，无机致孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解的盐类，以及其它可分解化合物如Si₃N₄以及煤粉、碳粉等。有机致孔剂主要是天然纤维、高分子聚合物和有机酸，如锯末、萘、淀粉、及聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、硬脂酸、甲基丙烯酸甲脂、甲基纤维素、尿素等或由它们之中几种所组成的混合物；致孔剂粒径尺寸长为5-2000μm（较佳的范围为200-600μm），致孔剂用量为混合物的1-99wt%（较佳的范围为40-85wt%）。

所用网络状物质为叶脉、丝瓜络、蚕丝、糖丝网，或其中几种的混合；网络直径为1μm-5mm，网络状物质的用量为混合物的0.00001-99wt%（较佳的范围为0.001-20wt%）。

由于上述网络状物质本身也起着致孔剂的作用，因此，本发明中既包括单纯使用网络状物质得到多孔支架，也包括同时使用网络状物质和其它类的致孔剂得到的多孔支架。

所用的粘结剂为高分子、液态烃类物质和磷酸盐，或由它们之中几种所组成的混合物，粘结剂用量为混合物的0.1-99wt%。（较佳的范围为1-60wt%）

本发明提出的具有网络通道的多孔支架，当基体材料为高分子材料及其与无机材料的复合物时，制备具体步骤如下：

（1）将高分子材料或其与无机材料的复合物分散于溶剂A，形成混合溶液，将致孔剂分散于混合溶液中，边搅拌边使部分溶剂A挥发，形成分散均匀的混合溶液-致孔剂粒子混合物；然后灌入含有网络状物质的模具中，在模具中模压成型，形成混合溶液-致孔剂粒子-网络状物质混合物制品；然后，先在室温环境下使溶剂A部分挥发，再真空干燥，脱除残留溶剂A，待溶剂A完全脱除后，得到混合物的成型制品；所述真空干燥温度不超过支架材料的熔点或玻璃化温度；所用溶剂A为可溶解高分子材料但不溶解致孔剂和网络状物质的溶剂；

（2）将上述高分子材料或其与无机材料的复合物-致孔剂粒子-网络状物质的混合物成型制品放在溶剂B中，浸出致孔剂粒子和网络状物质；所用溶剂B为可溶解致孔剂与网络状物质但不溶解所用高分子材料或其与无机材料的复合物的溶剂；

（3）将上述己浸出致孔剂粒子和网络状物质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，即得到所需的多孔支架；所述真空干燥温度不超过支架材料的熔点或玻璃化温度。

同样的，由于上述网络状物质本身也起着致孔剂的作用，因此，本发明中既包括单纯使用网络状物质得到多孔支架，也包括同时使用网络状物质和其它类的致孔剂得到的多孔支架。

高分子材料或其与无机材料的复合物为基体材料，所用的致孔剂为无机盐粒子、多糖、蛋白质、合成高分子，或由它们之中几种所组成的混合物；致孔剂粒径尺寸为5-2000μm（较佳的范围为200-600μm），致孔剂用量为混合物的1-99wt%（较佳的范围为80-95wt%）。

所用网络状物质为可制成网络状并能从高分子材料基体中除去的物质如葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、石蜡、聚乙烯基吡咯烷酮，或其中几种的混合物；网络状物质直径为1μm-5mm，网络状物质的用量为混合物的0.00001-99wt%（较佳的范围为0.001-20wt%）。

所用高分子溶液浓度范围为l-99wt%。

所用溶剂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一二甲基甲酰胺、甲酸、苯甲醇、环己烷中的任何一种，或其中几种的混合物。

所用溶剂B为水、醇、胺、烃及卤代烃当中任意一种，或其中几种的混合物。

溶剂B用量为混合物总重量的10-1000倍。

本发明为了模拟血管网络形状，从自然界直接选择一些天然网络型物质或可仿生制备血管网络形的物质，然后利用这些网络型物质作为将被取出的模板，在支架材料中赋型制备带有如同血管网络形通道的多孔支架。它不仅有合适的孔径、孔隙率、弹力强度和降解时间，还有生物相容性，适于细胞粘附和基质沉积；而且，在支架内还具有一些网络通道适合细胞沿着通道方向攀附与迁移，引导细胞生长方向和迁移情况；同时由于通道本身的连通又可以增加支架孔间的连通性，更利于营养物质的转入和细胞代谢废物的排出，使细胞支架可以通过自身的构造维持其存活。

附图说明

图1丝瓜络的光学显微照片图(×100)。

图2利用丝瓜络作为模板所得到的带有网络通道的β-TCP三维多孔支架的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进一步加以说明。

实施例1将1.8gβ-TCP加入1.1g5%的聚乙烯醇（PVA）水溶液，搅拌，研磨，然后加入0.45g380-550μm直径石蜡球搅拌均匀，然后灌入放置有0.054g丝瓜络（直径300μm）的模具中模压成型，取出支架，室温放置24h，放入马弗炉中加热到1050℃烧结，就得到带有网络通道的多孔支架。得到孔径约450μm，孔隙率约为50%的带有通道（直径300μm）的三维多孔支架。

实施例2将1.8g羟基磷灰石加入1.1g5%的PVA水溶液，搅拌，研磨，然后加入0.45g380-550μm直径石蜡球搅拌均匀，然后灌入放置0.054g丝瓜络（直径300μm）的模具中模压成型，取出支架，室温放置48h，放入马弗炉中加热到1100℃烧结，得到孔径约450μm，孔隙率约为50%的带有通道（直径300μm）的三维多孔支架。

实施例3将1.8gβ-TCP加入0.54g10%的PVA水溶液，搅拌，研磨，然后加入0.45g270-380μm直径石蜡球搅拌均匀，然后灌入放置0.054g丝瓜络（直径300μm）的模具中模压成型，取出支架，室温放置24h，放入马弗炉中加热到1050℃烧结，得到孔径约300μm，孔隙率约为50%的带有通道（直径300μm）的三维多孔支架。

实施例4将1.8g羟基磷灰石加入0.54g10%的PVA水溶液，搅拌，研磨，然后加入0.35g270-380μm直径石蜡球搅拌均匀，然后灌入放置0.05g丝瓜络（直径300μm）的模具中模压成型，取出支架，室温放置24h，放入马弗炉中高温烧结除掉丝瓜络加热到1100℃烧结，就得到孔隙率为50%的带有网络通道的多孔支架。得到孔径约300μm，孔隙率为45%的带有通道（直径300μm）的三维多孔支架。

实施例5将2gPLGA(85/15)溶于11g二氯甲烷中，氯化钠（粒径尺寸180μm-280μm）30g均匀分散在PLGA的二氯甲烷溶液中，然后倒入载有1g糖纤维（市售拉丝机拉丝获得，直径10μm）的模具中，常温模压，24h后解压，用200ml去离子水洗支架，每隔0.5h换水一次，直到用0.1mol/L硝酸银的水溶液，滴加到浸出液中，不出现白色沉淀，然后进行真空干燥，干燥温度20°C，干燥时间为48h，得到孔径约200μm，孔隙率为90%的带有通道（直径10μm）的三维多孔支架。

实施例6将2gPLA溶于11g二氯甲烷中，然后倒入载有20μg糖纤维（直径10μm）的模具中，常温模压，24h后解压，用200ml去离子水洗支架，每隔0.5h换水一次，直到用0.1mol/L硝酸银的水溶液，滴加到浸出液中，不出现白色沉淀，然后进行真空干燥，干燥温度20℃，干燥时间为48h，得到孔径10μm，孔隙率为0.1%的带有通道（直径10μm）的三维多孔支架。

实施例7将2g聚乳酸溶于11g二氯甲烷中，氯化钠（粒径尺寸50μm-150μm）75g均匀分散在聚乳酸的二氯甲烷溶液中，然后倒入载有5g糖纤维（直径10μm）的模具中，常温模压，24h后解压，用200ml去离子水洗支架，每隔0.5h换水一次，直到用0.1mol/L硝酸银的水溶液，滴加到浸出液中，不出现白色沉淀，然后进行真空干燥，干燥温度20℃，干燥时间为48h，得到孔径约100μm，孔隙率为99%的带有通道（直径10μm）的三维多孔支架。

实施例8将2gPLGA和100mgβ-TCP分散于11g二氯甲烷中，氯化钠（粒径尺寸50μm-150μm）26g均匀分散在PLGA和β-TCP的二氯甲烷溶液中，然后倒入载有4.5g糖纤维（直径10μm）的模具中，常温模压，24h后解压，用200ml去离子水洗支架，每隔0.5h换水一次，直到用0.1mol/L硝酸银的水溶液，滴加到浸出液中，不出现白色沉淀，然后进行真空干燥，干燥温度20℃，干燥时间为48h，得到孔径约100μm，孔隙率为90%的带有通道（直径10μm）的三维多孔支架。

实施例9将2g聚苯乙烯溶于11g氯仿中，氯化钠（粒径尺寸50μm-150μm）17g均匀分散在聚苯乙烯的氯仿溶液中，然后倒入载有1g糖纤维（直径10μm）的模具中，常温模压，24h后解压，用200ml去离子水洗支架，每隔0.5h换水一次，直到用0.1mol/L硝酸银的水溶液，滴加到浸出液中，不出现白色沉淀，然后进行真空干燥，干燥温度20℃，干燥时间为48h，得到孔径约100μm，孔隙率为90%的带有通道（直径10μm）的三维多孔支架。

Claims (6)

1.一种具有网络通道的多孔支架，其特征在于所述多孔支架中含有网络通道，该网络通道直径为1μm-5mm，支架的孔隙率为0.1-99%；支架中同时存在网络通道孔和非网络通道孔，非网络通道型孔的直径尺寸为5-2000μm；形成网络通道的网络状物质为叶脉、丝瓜络或两者的混合。

2.根据权利要求1所述的多孔支架，其特征在于其基体材料为氧化钛、氧化铝、氧化钙、氧化钠、氧化硅、磷酸钙系列、硫酸钙、碳酸钙、低温各向同性碳中的一种或几种的混合物。

3.一种如权利要求1或2所述的具有网络通道的多孔支架的制备方法，其特征在于，将基质材料或其前体与具有网络结构的模板相混合，或者将基质材料或其前体与网络模板和非网络型致孔剂同时混合；然后除去网络模板与非网络型致孔剂，并使得前体变为基质材料，最终获得具有网络通道的多孔支架。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对于基体材料为无机材料时，具体步骤如下：

将无机材料、粘结剂、致孔剂进行混合，形成分散均匀的无机材料、粘结剂、致孔剂混合物；将此混合物灌入装有网络状物质的模具中进行模压成型，制成无机材料-致孔剂-网络状物质的混合物制品，然后在室温环境中使混合物干燥0-3d，再加热至高温800-1500℃，烧结除去粘结剂、致孔剂与网络状物质，就得到所需的无机多孔支架。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所用的致孔剂分为有无机和有机两类，其中，无机致孔剂为碳酸铵、碳酸氢铵或氯化铵，或者为Si₃N₄、煤粉或碳粉；有机致孔剂为锯末、萘、淀粉、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、硬脂酸、甲基丙烯酸甲脂、甲基纤维素、尿素之一种，或由它们之中几种所组成的混合物；致孔剂粒径尺寸为5-2000μm，致孔剂用量为混合物的1-99wt%；

网络状物质直径为1μm-5mm，网络状物质的用量为混合物的0.00001-99wt%。

6.根据权利要5所述的制备方法，其特征在于所用的粘结剂为液态烃类物质或磷酸盐，或由它们之中几种所组成的混合物。