专利名称：在用于组织和骨的支架中获得梯度孔结构的方法以及具有梯度孔结构的用于组织和骨的支架的制作方法
技术领域：
本发明涉及在用于组织和骨的支架中获得梯度变化的孔结构的方法，还涉及具有梯度变化的孔结构的用于组织和骨的支架。特别地(但不是排除性地)，梯度变化的孔结构提供初始结构强度，并且允许在受控降解条件下的组织生长。
背景技术：
组织工程技术通常需要使用临时支架作为初始的细胞附着和随后的组织形成的三维模板。支架被身体代谢的能力允许其被新的细胞逐步替代，以形成功能性组织。
纤维联结、溶剂浇铸以及微粒沥滤(particulate leaching)等很多传统技术已被开发来设计和制造支架。使用计算机控制技术，快速成型(prototyping)技术也已能设计和制造支架。
对于支架材料而言，生物可降解聚合物是有吸引力的候选者，因为它们能随着新组织的形成而降解，最终不留下对身体外说是外源的物质。数种技术，例如，盐洗法、纤维性纤维加工、起泡法、乳化冻干、三维印制以及相分离已被开发来产生高度多孔状的聚合物支架，用于组织工程。但是，对工程师而言，临床可用于骨、组织和器官的支架仍是挑战。
人们期望支架具有下述特征，以用于组织工程(i)三维结构，其是多孔状的，具有相互连通的孔网络，用于细胞/组织生长以及营养物质和代谢废物的流动运输；(ii)应当是生物可降解的或生物可再吸收的，具有可受控制的降解和吸收速率，以匹配体外和/或体内的细胞/组织生长；(iii)表面化学性质应当是有利于细胞附着、增殖以及分化的；
(iv)足够的机械性质，以匹配植入位点处组织的机械性质；以及(v)应当易于加工，以形成多种形状和大小。
除上述性质之外，支架应当能进行受引导的组织再生。这需要三维网络上的功能性梯度性质。孔径、孔隙率和表面积(表面与体积之比)被广泛认为是针对用于组织工程的支架的重要参数。还有人提出，其它构建特征，例如，支架材料的孔形状、孔壁形态以及孔之间的相互连通性，对于细胞接种、移植、生长、物质转移、基因表达以及三维新组织形成来说也是重要的。
四种类型的生物材料已作为用于组织工程应用的支架材料被进行了实验和/或临床研究(i)合成有机材料，例如，脂肪族聚酯、聚乙二醇；(ii)合成无机材料，例如，羟磷灰石、磷酸三钙、Paris塑料、玻璃陶瓷；(iii)天然来源的有机材料，例如，胶原、纤维蛋白胶、透明质酸；以及(iv)天然来源的无机材料，例如，珊瑚羟磷灰石。
通常，支架应当从具有高度生物兼容性的材料制成，该材料在植入人体内时不会产生免疫拒绝。
现有技术在工艺和设备上的限制对获得具有理想的孔相互连通性的支架设计造成了严重的限制。工艺限制的简单例子是使用立体光刻。这需要可光固化的聚合物，以获得需要的结构，对于可获得的最大强度造成了限制。三维印制技术依赖于用于获得需要的结构的粘合剂配方。盐洗法和相分离等方法则在制造必要的孔相互连通性的方面遭到了限制。
目前用于组织工程的支架使用快速成型技术或起泡法/溶剂沥滤(leaching)方法以获得多孔状结构。
发明内容
根据一个优选的方面，本发明提供了用于组织再生或骨生长的支架，所述支架是由至少两种聚合物来制造的。所述聚合物具有不同的生物降解速率。所述至少两种聚合物中的第一种能被溶剂沥滤(或溶解除去)，所述至少两种聚合物中的所有其它聚合物对该溶剂是惰性的，或者在该溶剂中具有较低的溶解速率。支架可以具有梯度变化的孔隙率，支架表面孔隙率高，支架核心孔隙率低。
根据另一方面，本发明提供了用于组织再生或骨生长的支架，所述支架是由至少两种聚合物来制造的。所述至少两种聚合物中的第一种能被溶剂沥滤(或溶解除去)，所述至少两种聚合物中的所有其它聚合物对该溶剂是惰性的，或者在该溶剂中具有较低的溶解速率。
根据另一方面，本发明提供了用于组织再生或骨生长的支架；支架具有梯度变化的孔隙率，支架表面孔隙率高，支架核心孔隙率低。所述支架是由至少两种生物降解速率不同的聚合物来制造的。此外或可替换地，所述支架是由至少两种聚合物来制造的，所述至少两种聚合物中的第一种能被溶剂沥滤(或溶解除去)，所述至少两种聚合物中的所有其它聚合物对该溶剂是惰性的，或者在该溶剂中具有较低的溶解速率。
在最后一方面，本发明提供了制造用于组织再生或骨生长的支架的方法；所述方法包括(a)混合至少两种聚合物，形成聚合物混合物；(b)由所述聚合物混合物形成支架；(c)使用溶剂对支架进行沥滤，以除去所述至少两种聚合物中的第一种，所述至少两种聚合物中的所有其它聚合物对该溶剂是惰性的，或者在该溶剂中具有较低的溶解速率。
聚合物在混合之前可被碾磨。至少两种聚合物的所有聚合物可以具有不同的生物降解速率。沥滤可仅针对支架的一部分。该部分可以在支架的表面或邻近表面，而非支架的核心。优选地，第一种聚合物具有更快的生物降解速率。
形成步骤可以通过至少一种选自下述方法的方法来进行模压成型(compression moulding)、注射成型、快速成型以及三维印制。模压成型可以在0至20Mpa范围内的压力以及25℃至80℃的温度下进行。沥滤可在溶剂的超声波浴中进行，所述溶剂优选在25℃至50℃范围内的温度下，频率优选在1KHz至40KHz的范围内，暴露时间优选在5分钟至120分钟的范围内。该至少两种聚合物可在低温碾磨机中被碾磨再被混合，或者可在低温碾磨机中被碾磨且混合，以形成20至500μm范围内的优选颗粒尺寸。
碾磨可循环进行，循环可以依赖于聚合物的理想颗粒尺寸以及聚合物的类型。碾磨可以以每一分钟15至30个循环的频率进行，撞击率可以为15次撞击/秒。
对于所有方面而言，所述至少两种聚合物可以是纯粹合成的聚合物，例如，聚乙交酯、聚L-丙交酯、聚DL-丙交酯、聚丙交酯共乙交酯、聚己内酯或聚羟基丁酸酯；或者合成和天然聚合物的混合物或天然聚合物。溶剂可以是丙酮、二氯甲烷、六氟异丙醇、氯仿或醇或类似的有机溶剂。
可以存在两种聚合物，它们的比例可以在60∶40至30∶70的范围内。
为使本发明易于理解以及说明实际效果，现在将通过非限制性地仅例举本发明的优选实施方式来进行描述，描述参考下述阐述性的附图图1是对支架的一种实施方式的示意图；图2是图1的支架的垂直截面图；图3是通过不同溶剂沥滤之后两份样品的共焦成像图；图4是沥滤之前以及用不同溶剂沥滤之后样品的光学图；图5显示了样品的孔隙率情况图；以及图6是对制造支架的一种实施方式的示意图。
具体实施例方式
详述参考图1、2和6，显示了用于组织再生和/或骨生长的支架10的一种为允许支架10很接近地模仿组织，以及提高植入物内组织再生/骨生长的质量，支架10具有梯度性质，包括梯度变化的孔隙率。这有助于获得不同组织和细胞的最佳生长，增加植入物抵挡植入物特定区域处变化的机械负荷的能力。孔12的梯度结构有助于以受控的方式来运送生长试剂。因此其将协助于具有受控并受引导的骨生成和血管形成。使用具有不同的降解速率的不同聚合物的聚合物混合物，所述速率优选对应于组织、骨和血管的形成。这给支架提供了足够的支持和强度，以协助再生过程。
孔12是有梯度的，使得随着生长在表面上初始化，支架10的核心14对组织生长提供必要的支持和延迟，从而允许血管形成在核心发生。
在一种优选的形式中，使用两种不同的聚合物，虽然任何需要数量的聚合物都可以使用，这取决于待构建的支架的所需性质。例如，可以使用三种或四种聚合物。
如果使用两种聚合物，所用的两种聚合物的比例可以在60∶40至30∶70的范围内。并且，精确比例将取决于待构建的支架的所需性质。聚合物可以是天然的或合成的聚合物，其可以包括但不限于聚乙交酯、聚丙交酯(包括聚DL-丙交酯和聚L-丙交酯)、聚丙交酯共乙交酯、聚己内酯和聚羟基丁酸酯。
为制造支架10，选择聚合物，并且按照正确的比例，将其碾磨为粉末，混合起来形成聚合物的混合物。按照尺寸对混合得到的粉末过筛，混合物被用于制造支架。然后对支架进行二次加工。碾磨可在低温碾磨机中进行并且可以包括混合。
二次加工是对聚合物的混合物中聚合物之一进行受控沥滤。沥滤可以通过使用溶剂20(优选有机溶剂)来进行，以提高表面孔隙率，但是伴随支架10的核心14处的孔12的密度降低。通过使用仅与聚合物中第一种发生反应而不与其它聚合物反应或与其它聚合物仅有有限的或较慢的反应的溶剂，主要地，第一种聚合物通过沥滤被除去。这需要所有其它聚合物都对溶剂来说是惰性的，或者具有较低的反应速率，或者对该溶剂来说具有较低的溶解速率。可以通过使用加热器16和/或搅拌(例如使用超声波台18或在超声波发生器中进行超声搅拌)以控制沥滤溶剂的温度来加强沥滤。
通过在支架的不同区域具有不同比例的聚合物，沥滤将导致不同的孔隙率。可替换地或此外，沥滤过程可被控制，使得沥滤将在支架的表面以较高的程度进行，而在支架10的核心14处以较低的程度进行。或者，这可以通过对支架10浸入到溶剂浴的速率加以控制，对浸入时间加以控制来实现，从而溶剂将不会完全完成对更接近核心处的第一种聚合物的溶解；或者反之。因为沥滤将从支架10的表面开始、并且通过由沥滤制造的孔12朝向核心14推进，因此，通过控制溶剂浴的持续时间、温度和搅拌，可以仅对核心14进行部分的沥滤，或者在支架10的核心14处没有沥滤。通过这种方式，从支架10的表面22到支架10的核心14，孔12的数量、大小和连通性降低。
孔隙率较高的地方，生物降解速率较快，孔隙率较低的地方，生物降解速率较慢。通过使表面22处具有更高的孔隙率(此处组织/骨的再生/生长更早也是最快的)，支架10将随着再生/生长的发生进行生物降解。在核心14处具有较低的孔隙率，随着组织/骨的再生/生长支架将保留结构强度，从而组合的强度保持相对均一。
通过使用具有不同生物降解速率的至少两种不同聚合物，这种效应可被增强。此外，较快降解的聚合物将逐步朝向核心14降解，从而加强组织/骨的再生生长。优选地，被溶剂沥滤的聚合物具有更快/最快的生物降解速率。
在一种实施例中，以每分钟15至30个循环的频率，对聚乙交酯颗粒、聚L-丙交酯颗粒和聚丙交酯共乙交酯颗粒进行碾磨。所用的精确循环取决于下述因素中的一种或多种所用的聚合物、颗粒尺寸以及聚合物的玻璃化转变温度。范围在20-500μm之间的颗粒尺寸是优选的。撞击率使用15次撞击/秒。
所用的有机溶剂可以选自丙酮、二氯甲烷、六氟异丙醇、氯仿、醇或其它合适的用于选择性溶解聚合物之一的有机溶剂，对该溶剂而言，其它聚合物是惰性的或者它们具有较低的溶解速率。
对支架10的制造可以通过下述方法来进行，例如，模压成型、注射成型、快速成型(例如使用合适的粘合剂系统对支架进行三维印制)。例如，可以在0至20Mpa范围内的压力以及25℃至80℃的温度下使用模压成型。
支架可以放置于溶剂浴中。所述溶剂浴中溶剂温度在25℃至50℃范围内。所述的浴可以是使用1KHz至40KHz的范围内频的超声波浴。支架在所述浴中暴露时间可以在5分钟至120分钟的范围内。
如图3清楚所示，在各孔之间具有良好的相互连通性，以及存在良好的孔三维网络。所用的聚合物是(a)在二氯甲烷中沥滤的、比例为50∶50的聚乙交酯和聚丙交酯共乙交酯；以及(b)在丙酮中沥滤的、比例为50∶50的聚乙交酯和聚羟基丁酸酯。
图4显示了下述时间的上述样品(a)(a)在[(a)]之前；以及在于下述物质中沥滤之后(b)二氯甲烷；以及(c)丙酮；并显示了表面孔的均匀分布以及它们之间的相互连通性。
图4(d)显示了具有10μm或更小孔径的微孔的核心中的孔隙率分布。
图5显示了在经历二次加工之后聚L-丙交酯/聚乙交酯样品中获得的两种孔隙率情况。通过使用孔径分辨率大于10μm的分布曲线仪(profilometer)来进行孔隙率测量。
虽然在前述描述中说明了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员将理解，在设计、构造或操作细节上的很多变化或改良可以进行，而不会背离本发明。
权利要求
1.一种支架，用于组织再生和骨生长中至少一种，所述支架是由至少两种聚合物来制造的，所述聚合物具有不同的生物降解速率。
2.一种支架，用于组织再生和骨生长中至少一种，所述支架是由至少两种聚合物来制造的；所述至少两种聚合物中的第一种能被溶剂沥滤，所述至少两种聚合物中的所有其它聚合物选自如下物质构成的组所述物质对该溶剂呈惰性或在该溶剂中具有较低的溶解速率。
3.一种支架，用于组织再生和骨生长中至少一种，所述支架具有梯度变化的孔隙率，其中，所述支架表面孔隙率高，所述支架核心孔隙率低。
4.如权利要求3所述的支架，其中，所述支架是由至少两种具有不同生物降解速率的聚合物来制造的。
5.如权利要求3所述的支架，其中，所述支架是由至少两种聚合物来制造的；所述至少两种聚合物中的第一种能被溶剂沥滤，所述至少两种聚合物中的所有其它聚合物选自如下物质构成的组所述物质对该溶剂呈惰性或在该溶剂中具有较低的溶解速率。
6.如权利要求4所述的支架，其中，所述至少两种聚合物中的第一种能被溶剂沥滤，所述至少两种聚合物中的所有其它聚合物选自如下物质构成的组所述物质对该溶剂呈惰性或在该溶剂中具有较低的溶解速率。
7.如权利要求1所述的支架，其中，所述至少两种聚合物中的第一种能被溶剂沥滤，所述至少两种聚合物中的所有其它聚合物选自如下物质构成的组所述物质对该溶剂呈惰性或在该溶剂中具有较低的溶解速率。
8.如权利要求1或7所述的支架，其中，所述支架具有梯度变化的孔隙率，其中，所述支架表面孔隙率高，所述支架核心孔隙率低。
9.如权利要求1、2或4至8中任意一项所述的支架，其中，所述至少两种聚合物选自由如下物质构成的组天然聚合物、天然聚合物和合成聚合物的混合物、合成聚合物、聚乙交酯、聚丙交酯、聚L-丙交酯、聚DL-丙交酯、聚丙交酯共乙交酯、聚ε-己内酯和聚羟基丁酸酯。
10.如权利要求2、5、6或7中任意一项所述的支架，其中，所述溶剂选自由如下物质构成的组有机溶剂和无机溶剂。
11.如权利要求10所述的支架，其中，所述有机溶剂选自由如下物质构成的组丙酮、二氯甲烷、六氟异丙醇、氯仿和醇。
12.如权利要求1、2或4至9中任意一项所述的支架，其中，存在两种聚合物，它们的比例在60∶40至30∶70的范围内。
13.制造一种支架的方法，所述支架用于组织再生和骨生长中至少一种；所述方法包括(a)混合至少两种聚合物，形成聚合物混合物；(b)由所述聚合物混合物形成支架；(c)使用溶剂对所述支架沥滤，以除去所述至少两种聚合物中的第一种，所述至少两种聚合物中的所有其它聚合物对该溶剂来说是惰性的。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述至少两种聚合物中的所有聚合物都具有不同的生物降解速率。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中，存在两种聚合物，它们的比例在60∶40至30∶70的范围内。
16.如权利要求13至15中任意一项所述的方法，其中，所述至少两种聚合物选自由如下物质构成的组天然聚合物、天然聚合物和合成聚合物的混合物、合成聚合物、聚乙交酯、聚丙交酯、聚L-丙交酯、聚DL-丙交酯、聚丙交酯共乙交酯、聚ε-己内酯和聚羟基丁酸酯。
17.如权利要求13至16中任意一项所述的方法，其中，所述溶剂选自由如下物质构成的组丙酮、二氯甲烷、六氟异丙醇、氯仿和醇。
18.如权利要求13至17中任意一项所述的方法，其中，所述形成步骤是通过选自由下述方法所构成的组的至少一种方法来进行的模压成型、注射成型、快速成型以及三维印制。
19.如权利要求18所述的方法，其中，模压成型在0至20Mpa范围内的压力以及25℃至80℃的温度下进行。
20.如权利要求13至19中任意一项所述的方法，其中，沥滤被控制，使得沥滤在所述支架表面最大化，而在所述支架核心最小化。
21.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一种聚合物具有更快的生物降解速率。
22.如权利要求13至21中任意一项所述的方法，其中，沥滤是在所述溶剂的超声波浴中进行的。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述溶剂处于下述条件下在25℃至50℃范围内的温度下，频率在1KHz至40KHz的范围内，暴露时间在5分钟至120分钟的范围内
24.如权利要求13至23中任意一项所述的方法，其中，至少两种聚合物可在被混合之前被碾磨，碾磨和混合在低温碾磨机中进行，以形成20至500μm范围内的颗粒尺寸。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述碾磨以取决于如下条件中至少一种的循环来进行所述至少两种聚合物的类型，以及所述至少两种聚合物的理想颗粒尺寸。
26.如权利要求24或25所述的方法，其中，碾磨以每一分钟15至30个循环范围内的频率进行。
27.如权利要求24至26中任意一项所述的方法，其中，碾磨期间，撞击率为15次撞击/秒。
28.如权利要求13至27中任意一项所述的方法，其中，所述支架具有梯度变化的孔隙率，其中，所述支架表面孔隙率高，所述支架核心孔隙率低。
29.如权利要求13至28中任意一项所述的方法，其中，所述沥滤包括除去和溶解。
30.通过权利要求13至29中任意一项所述的方法制造的支架。
31.如权利要求2、权利要求5至12中任意一项或权利要求30所述的支架，其中，所述沥滤包括除去和溶解。
全文摘要
本发明提供了一种支架，用于组织再生和骨生长的至少一种，所述支架是由至少两种聚合物制造的，所述聚合物具有不同的生物降解速率。所述至少两种聚合物中的第一种能被溶剂沥滤，所述至少两种聚合物中的所有其它聚合物对该溶剂呈惰性或在该溶剂中具有较低的溶解速率。该支架具有梯度变化的孔隙率，支架表面孔隙率高，支架核心孔隙率低。
文档编号A61L27/58GK1956743SQ200580016422
公开日2007年5月2日 申请日期2005年3月18日 优先权日2004年3月22日
发明者查卓瑟卡兰·马格姆, 张苏霞, 郑美燕 申请人:新加坡科技研究局, 捷科有限公司