生产多孔碳基模制体的方法及其作为细胞培养载体系统和培养系统的用途的制作方法

专利名称：生产多孔碳基模制体的方法及其作为细胞培养载体系统和培养系统的用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及生产碳基模制体的方法。具体而言，本发明涉及通过碳化混合有非聚合物填充物的有机聚合物材料并随后使填充物从碳化模制体中溶出而生产多孔碳基模制体的方法。在另一个实施方案中，本发明涉及通过碳化混合有碳化期间基本完全分解的非聚合物填充物的有机聚合物材料而生产多孔碳基模制体的方法。本发明还涉及通过碳化有机聚合物材料而生产多孔碳基模制体的方法，所述碳基模制体在碳化之后部分氧化以产生孔。另外，本发明涉及根据所述方法之一生产的多孔模制体及其用途，尤其是是作为细胞培养载体和/或培养系统的用途。
由于碳性质的可变性，碳在材料工程所有领域中是多功能材料。碳基材料被用于机械工程、运载工具结构及医学工程和工艺学(process engineering)中。在DE 3528 185中描述了不使用粘合剂而是由特定粉末化含碳原材料生产高强度、高密度碳材料的方法。
DE 198 23 507描述了通过碳化天然植物纤维或木制品的生物原材料来生产碳基成型体的方法。DE 100 11 013和EP 0 543 752描述了通过碳化或热解泡沫初始聚合物例如聚丙烯腈或聚氨酯来生产含碳材料的方法。由此获得的碳泡沫材料在炉装置或反应器结构中用作高温绝缘体，或在高温操作中用于消声。US 3,342,555也描述了通过碳化基于甲阶(resol)或酚醛清漆型(novolac型)酚醛树脂的泡沫聚合物来生产轻质多孔碳的方法。
所述生产多孔碳模制体的现有技术的缺点在于通过碳化泡沫聚合物获得的模制体常常表现出很低的机械稳定性，这使得几乎不可能在机械负载条件下利用它们。此外，不能够充分精确地调整这些模制体中的孔径和孔体积使得它们不能用于可用领域，例如生物技术应用，如整形外科植入物。
因此，存在对生产多孔含碳模制体的新改进方法的持续需求。
因此本发明的目的是提供可以在经济的条件下实施的生产多孔碳基模制体的方法。
本发明的另一个目的是提供生产多孔碳基模制体的方法，该方法允许以可重现的方式通过改变简单工艺参数来特定调节孔隙率，尤其是孔体积和孔直径。
本发明的另一个目的是提供生产多孔碳基模制体的方法，该方法可用于多种形状和尺寸的相应模制体的定制生产。
本发明的另一个目的是提供根据本发明的碳基模制体的用途和应用的领域。
通过上述方法和可由上述方法制备的模制体以及根据独立权利要求的用途来解决根据本发明的目的。在各从属权利要求中给出了优选实施方案。
大体上，本发明提供通过碳化有机聚合物材料的半成品模制部件来生产多孔碳基模制体的方法，在热解期间或热解后产生多孔模制体。
在本发明的第一实施方案中，提供生产多孔模制体的方法，该方法包括下列步骤-将可以被碳化成碳的有机聚合物材料与非聚合物填充物混合；-由所述混合物生产半成品模制部件；-在非氧化气氛中高温碳化所述半成品模制部件，其中获得碳基模制体；-利用适当的溶剂将填充物从碳化模制体中溶出。
根据本发明方法的该实施方案，在第一步中将可被碳化成碳的有机聚合物材料与非聚合物填充物混合或共混。原则上，这可以利用本领域技术人员已知的适当混合方法来实施，例如将聚合物小球与填充物粉末或颗粒干混合、将填充物混合到聚合物熔体中或将填充物与聚合物溶液或悬浮液混合。
那些在碳化条件下基本稳定并且碳化后可以利用适当溶剂从碳化模制体中除去的所有物质均适合作为非聚合物填充物。此外，在碳化条件下能够转化为溶剂可溶物质的非聚合物填充物也适合作为填充物。
优选的填充物选自无机金属盐，尤其是碱金属和/或碱土金属的碳酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、亚磷酸盐、卤化物、硫化物、氧化物及其混合物。此外适合的填充物选自有机金属盐，优选碱金属、碱土金属和/或过渡金属的有机金属盐，尤其是它们的甲酸盐、乙酸盐、丙酸盐、马来酸盐、苹果酸盐、草酸盐、酒石酸盐、柠檬酸盐、苯甲酸盐、水杨酸盐、邻苯二甲酸盐、硬脂酸盐、酚盐、磺酸盐、胺盐及其混合物。
用于将填充物从碳化模制体中溶出的合适溶剂是水，尤其是热水、稀释或浓缩的无机或有机酸、碱等。合适的无机酸是稀释或浓缩形式的盐酸、硫酸、磷酸、硝酸以及稀释的氢氟酸。
合适的碱例如是氢氧化钠溶液、氨溶液、碳酸盐溶液以及有机胺溶液。
合适的有机酸是甲酸、乙酸、三氯甲酸、三氟甲酸、柠檬酸、酒石酸、草酸及其混合物。
根据溶剂的类型和使用持续时间，填充物可以基本完全或部分从碳化模制体中溶出。优选基本完全溶解填充物。
可以根据预定应用和所期望的孔隙率或孔尺寸使用适当颗粒尺寸的填充物。具体优选平均粒径为3埃-2mm、特别优选1nm-500μm、尤其优选10nm-100μm的粉末或颗粒状填充物。
根据待碳化模制体的期望孔隙率和期望尺寸，本领域技术人员将选择适当粒径的非聚合物填充物。
另外，用于将填充物溶出的合适溶剂是有机溶剂，例如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丁氧基二甘醇、丁氧基乙醇、丁氧基异丙醇、丁氧基丙醇、正丁醇、叔丁醇、丁二醇、丁基辛醇、二甘醇、二甲氧基二甘醇、二甲醚、二丙二醇、乙氧基二甘醇、乙氧基乙醇、乙基己二醇、乙二醇、己二醇、1，2，6-己三醇、己醇、己二醇、异丁氧基丙醇、异戊二醇、3-甲氧基丁醇、甲氧基二甘醇、甲氧基乙醇、甲氧基异丙醇、甲氧基甲基丁醇、聚丙二醇、甲缩醛、甲基己基醚、甲基丙二醇、新戊基二醇、聚乙二醇、戊二醇、丙二醇(propanediol)、丙二醇(propylene glycol)、丙二醇丁基醚、丙二醇丙基醚、四氢呋喃、三甲基己醇、酚、苯、甲苯、二甲苯；和水，任选地与分散助剂混合，以及上述物质的混合物。
在本发明的某些实施方案中，还可使用有机溶剂与水和/或无机和/或有机酸的混合物将非聚合物填充物从碳化模制体中溶出。
在本发明的第二实施方案中，提供生产多孔碳基模制体的方法，包括下列步骤-将可以被碳化成碳的有机聚合物材料与聚合物填充物混合；
-由所述混合物生产半成品模制部件；-在非氧化气氛中高温碳化所述半成品模制部件，其中聚合物填充物基本完全被分解。
根据本发明的该实施方案，碳基模制体中的孔在碳化期间产生，这是由于聚合物填充物被引入到待碳化的有机聚合物材料中，而所述聚合填充物在碳化条件下基本分解。
不希望受特定理论的约束，已经表明，某些聚合物填充物特别是饱和脂肪烃在碳化条件即高温缺氧条件下可以通过类似于裂解产生例如甲烷、乙烷等挥发性烃的方法而基本完全分解，所述挥发性烃在热解或碳化期间可以从碳化模制体的多孔碳结构中逸出。
合适的聚合物填充物可以选自饱和、支化或非支化的脂肪烃，该脂肪烃可以是均聚或共聚物。在此优选的是聚烯烃例如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯、聚戊烯以及它们的共聚物和它们的混合物。
在第一步中，将聚合物填充物与可碳化聚合物材料混合。原则上，这可以利用本领域技术人员已知的适当混合方法来实施，例如将聚合物小球或颗粒混合、将聚合填充物混合到可碳化的有机聚合物材料熔体中或混合到这些聚合物材料的悬浮液或溶液中、将聚合填充物与可碳化的有机聚合物材料共挤出等。
通过适当选择聚合物填充物的分子量、链长度和/或支化度，碳化模制体中产生的孔可以形成合适的尺寸或者在宽范围内变化。也可以使用细纤维形式的聚合物填充物，这种填充物在碳化期间形成合适尺寸的孔道。通过选择纤维直径和纤维长度可以调节孔隙率，纤维直径和长度越大产生的孔隙率越大。在这种情况下，通过适当混合所用纤维或利用模制体的不对称的孔隙率分布和结构也可以实现所期望的中间效果(intermediate effects)。
根据本发明方法利用聚合物填充物作为成孔剂的这种实施方案尤其适合具有纳米到微米范围小孔径的多孔模制体，具体孔径为3埃-2mm，特别优选1nm-500μm，尤其优选10nm-100μm。
在该方法的优选实施方案中，在碳化之后用适当氧化剂和/或还原剂处理碳化模制体以进一步调节孔径。在随后例如通过CVD/CVI方法收缩或封闭所述孔的同时，还可以根据本发明方法利用合适的有机或无机前体的分离来定制具有期望特性的模制体。
根据本发明方法的第三实施方案，提供生产多孔碳基模制体的方法，包括下列步骤-由可碳化的有机聚合物材料生产半成品模制部件；-在非氧化气氛中高温碳化所述半成品模制部件，其中得到碳基模制体；-部分氧化己碳化的模制体以产生孔。
根据本发明方法的该实施方案，通过碳化适当聚合物材料形成模制体，并且在碳化之后利用适当氧化剂通过部分氧化碳而将孔“燃烧”进碳基模制体从而产生和/或扩大碳化模制体中的孔隙率。
优选在高温下在氧化气氛中进行碳化模制体的处理。在氧化气相中用于部分氧化的适当氧化剂是空气、氧、一氧化碳、二氧化碳、氧化氮以及类似的氧化剂。这些气体氧化剂可以用惰性气体例如稀有气体特别是氩气或氮气混合，并且可以精确地调节氧化剂的适当体积浓度。通过与这些氧化剂反应，洞或孔经过部分氧化被烧进多孔模制体中。
优选在高温下、具体在50℃-800℃下进行部分氧化。
在该实施方案的特别优选实施方案中，通过用任选流动的空气在室温或高于室温下处理模制体来进行部分氧化。
除了利用气体氧化剂部分氧化模制体外，也可以使用液体氧化剂，例如浓硝酸，其以适当方式施加到模制体上。在这种情况下，还优选使浓硝酸在高于室温的温度下与碳化模制体接触，以保证表面或更深孔的形成。
根据本发明，上述产生孔的方法还可以相互结合。因此，除可溶性填充物外，根据本发明另外还可使用在碳化条件下挥发或者分解产生挥发性物质的聚合物填充物。通过这种方法，由填充物产生的较粗糙孔可以与聚合物填充物的微米或纳米孔隙连接以产生各向异性的孔分布。而且，除利用填充物和/或聚合物固体形成孔外，也可以通过部分氧化来扩大、互连或调节现有孔。
另外，例如通过用液晶焦油沥青处理并任选地使孔经受恢复温度处理可以封闭孔。因此通过碳化可以实现高度有序的结晶区。例如通过组合根据本发明的方法可以获得不对称和对称的梯度材料(graded material)。
有机聚合物材料在根据本发明方法的所有三个所述实施方案中，用作可以碳化成碳的有机聚合物材料的材料是由无定形、部分结晶和/或结晶的对称或不对称材料在碳化条件下、即高温和基本无氧气氛条件下剩余碳材料的那些材料。
不希望受特定理论的约束，已经表明，不饱和、支化脂肪烃、支化或非支化、交联或非交联芳香或部分芳香烃及其取代衍生物特别适合该目的。不饱和烃、特别是芳香烃通常在形成碳化模制体基本结构的碳化条件下形成石墨状交联六环结构。
在根据本发明方法中，具有杂原子部分例如醚、氨酯、酰胺和胺等的饱和脂肪烃和/或芳香烃适合作为可碳化有机聚合物材料，或者与其它脂肪烃或芳香不饱和烃混合。
在根据本发明方法中，可碳化有机聚合物材料优选选自聚丁二烯；聚乙烯例如聚氯乙烯或聚乙烯醇、聚(甲基)丙烯酸、聚氰基丙烯酸丙烯酯(polyacrylcyanoacrylate)；聚丙烯腈、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯；聚合物例如胶原、白蛋白、明胶、透明质酸、淀粉、纤维素例如甲基纤维素、羟丙甲基纤维素、邻苯二甲酸羧甲基纤维素酯；酪蛋白、葡聚糖、多醣、血纤蛋白原、聚(D，L-丙交酯)、聚(D，L-丙交酯-co-乙交酯)、聚乙交酯、聚羟基丁酸酯(polyhydroxybutylate)、聚烷基碳酸酯、聚原酸酯、聚酯、聚羟基戊酸、聚二氧杂环己酮(polydioxanone)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苹果酸、聚酒石酸、聚酐、聚磷腈、聚氨基酸；聚乙烯醋酸乙烯酯(polyethylene vinyl acetate)、硅树脂、聚(酯氨酯)、聚(醚氨酯)、聚(酯脲)、聚醚例如聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、普流尼克(pluronics)、聚四氢呋喃；聚乙烯吡咯烷酮、聚(邻苯二甲酸醋酸乙烯酯)、醇酸树脂、氯化橡胶、环氧树脂、丙烯酸树脂、酚树脂、氨基树脂、三聚氰胺树脂、烷基酚树脂、环氧芳族树脂、焦油、焦油状材料、焦油沥青、液晶焦油沥青、沥青、淀粉、纤维素、虫胶、可再生原料的有机材料以及它们的共聚物、这些均聚或共聚物的混合物和组合物。
可碳化聚合物材料还可以包含常用添加剂例如填充物、软化剂、润滑剂、阻燃剂、玻璃、玻璃纤维、碳纤维、棉、织物、金属粉、金属化合物、金属氧化物、硅、氧化硅、沸石、氧化钛、氧化锆、氧化铝、铝硅酸盐、滑石、石墨、烟灰、粘土材料、页硅酸盐等。具体地，在本发明优选实施方案中，纤维素、棉、纺织物、玻璃纤维、碳纤维等纤维状物质适合作为聚合物添加剂以改善所产生的多孔模制体的机械性能。
根据本发明方法的半成品模制部件可以利用本领技术人员已知的聚合物材料常用成型方法来生产。合适的成型方法是浇铸法、挤出法、压制法、注射成型法、共挤出吹塑法，或其它常用成型方法，例如利用平坦原料的缠绕法或条带缠绕法(strandwinding method)。
碳化在根据本发明的方法中，在基本无氧或无氧化剂的气氛中进行碳化。例如适当的碳化气氛是保护性气体，优选氮气和/或氩气、惰性气体、SiF6和这些保护性气体的混合物。任选地，可以在负压或过压下使用这些保护性气体气氛。在根据本发明的方法中也可以有利地采用真空碳化。
此外，可以优选将反应性气体加入到惰性气氛中。用于该目的的优选反应性气体是非氧化气体，例如氢、氨、C1-C6饱和脂肪烃，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，及其混合物等。
碳化步骤的适当温度在200℃-4000℃或更高的温度范围内。根据在碳化步骤中选择的温度以及使用的聚合物材料类型，可以制得基材具有从无定形到有序结晶石墨状结构或两种材料混合物的含碳模制体。
本领域技术人员将根据所用聚合物材料或原料混合物的具体温度依赖性特征来选择适当温度、适当气氛和适当压力条件。
在根据本发明方法的碳化步骤中的气氛基本无氧，优选保持O2在10ppm以下，特别优选在1ppm以下。优选使用氢气或惰性气体气氛，例如氮气、惰性气体如氩气、氖气以及不与碳反应的任何其它惰性气体，或它们的气体化合物和混合物。特别优选氮气。
优选在合适的炉中以非连续方法进行碳化步骤，但是也可以连续炉工艺进行，该任选的连续炉工艺也是优选的。
在这种情况下，半成品模制部件供应到炉的一侧并且在炉的另一侧再出现。在优选实施方案中，可以将半成品模制部件置于炉中的多孔板或滤网等上，使得在热解或碳化期间可以施加负压通过聚合物膜。一方面这使得在碳化期间可以在炉中简单固定植入物，另一方面可以实现通过半成品部件的惰性气体的抽取和最优流动。
可以通过相应的惰性气体锁(locks)将炉分成各个段，在其中任选地在不同碳化条件下例如在不同温度阶段、不同惰性气体或真空下相继实施一个或多个碳化步骤。而且，在处理之后，可以任选地在炉的相应段中进行后处理、活化或中间处理步骤，例如部分氧化、还原或浸渍金属盐溶液等。
作为替代实施方案，可以在封闭炉中进行碳化，这在进行真空碳化时尤其优选。在本发明方法中的碳化步骤期间，根据所用的可碳化或有机聚合物材料或所用的填充物，材料重量减少约5％-95％，优选约40％-90％，特别优选50％-70％。
后处理在本发明优选实施方案中，碳化之后通过适当的后处理步骤进一步改进所生成的碳基模制体或孔的物理和化学性能，使之适应各种期望的预定应用。
适当的后处理例如是还原或氧化后处理步骤，其中利用适当还原剂和/或氧化剂来处理多孔模制体，所述还原剂和/或氧化剂例如氢、二氧化碳、氧化氮例如N2O、水蒸汽、氧、空气、硝酸等，或它们的任选混合物。
另外，表面可以具有涂覆在一面或两面上的涂层。例如，适当的涂层材料可以是上述有机聚合物材料，在涂覆之后任选地使这些材料经受进一步的碳化或热解步骤，以在模制体中产生不对称结构。根据本发明，也可以用无机物质、生物相容性聚合物和材料涂覆，以赋予模制体表面各种期望的性能。
可以任选地在高温但低于碳化温度下进行后处理步骤，例如15℃-1000℃，优选70℃-900℃，特别优选100℃-850℃，尤其优选200℃-800℃，尤其是约700℃。在特别优选的实施方案中，在室温下通过还原或氧化或利用其组合来改进根据本发明产生的多孔模制体。
根据本发明生产的多孔模制体中孔的尺寸和它们的特性可以通过氧化或还原处理或通过引入添加剂、填充物或功能性材料来具体影响或改变。例如，可以通过引入无机纳米颗粒或纳米复合材料例如层积硅酸盐使含碳材料的表面特性亲水或疏水。
另外，通过随后利用如聚合物溶液涂覆可以密封多孔模制体的一面或两面。例如，该涂层可以任选地再次碳化以改善稳定性。
随后也可以通过引入适当添加剂为根据本发明生产的多孔模制体提供生物相容性外表面和/或内表面。由此改性的模制体可以用作例如生物反应器、细胞培养载体系统或培养系统、植入物或作为药物载体或库(depots)，特别是作为可植入体内的系统。在后一种情况中，例如，药物或酶可以引入到材料中，在此它们可以通过所涂覆涂层的适当延迟和/或选择性渗透特性以受控的方式任选地释放。
多孔模制体还可以任选地进行所谓CVD工艺(化学气相沉积、化学气相分离)或CVI工艺(化学气相渗透)，以进一步改进表面或孔结构和它的特性，任选在表面上或完全封闭孔。为此，在高温下用适当的碳分离前体气体来处理碳化涂层。也可以以这种方法分离其它元素，例如硅、铝、钛，尤其是生成相应的碳化物。这种方法在现有技术中是已知的。通过例如利用不同长度和/或厚度的纤维材料来适当地预构建模制体，可以获得具有一定间隙或反应化合物浓度的梯度材料，例如不对称分布在整个模制体体积中的金属或非金属碳化物、氮化物或硼化物。由此可以获得具有对称或不对称、各向同性或各向异性、封闭孔、多孔或纤维状导向结构或其任意组合物的梯度材料。
在CVD条件下几乎所有具有足够挥发性的饱和与非饱和烃均可视为碳分离前体。这些前体的实例是甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、具有C1-C20碳原子数的线型和支链烷烃、烯烃和炔烃、芳香烃例如苯、萘等、以及单或多烷基-、烯基-和炔基-取代的芳香族化合物例如甲苯、二甲苯、甲酚、苯乙烯等。
对于陶瓷前体，可使用BCl3、NH3、硅烷例如SiH4、四乙氧基硅烷(TEOS)、二氯二甲基硅烷(DDS)、甲基三氯硅烷(MTS)、三氯甲硅烷基二氯硼烷(TDADB)、六二氯甲基甲硅烷基氧化物(HDMSO)、AlCl3、TiCl3或其混合物。
用于CVD方法中的这些前体主要以约0.5-15体积％低浓度使用，这些前体混合有惰性气体例如氮气、氩气等。还可将氢气加入到相应的分离气混合物中。在500-2000℃、优选500-1500℃、尤其优选700-1300℃的温度下，所述化合物分离烃片段或碳或陶瓷前级(preceding stages)基本均匀沉积并分布在多孔模制体孔系统中，在此改进孔结构并因而产生基本均匀的孔尺寸和孔分布。
可以利用CVD方法具体减少含碳多孔模制体中孔的尺寸直到完全封闭/密封孔。因此可以以定制的方式调节模制体的吸附性能以及力学性能。
可以通过例如以抗氧化方式利用与烃混合的硅烷或硅氧烷的CVD形成碳化物或碳氧化物来改性含碳多孔模制体。
在优选实施方案中，根据本发明的多孔模制体可以利用溅射额外涂覆或改性。为此，可以利用本身已知的方法来涂覆适当溅射目标物的碳、硅或金属或金属化合物。这些物质的实例是能够散布进多孔模制体中的Ti、Zr、Ta、W、Mo、Cr、Cu，通常伴随形成相应碳化物。
另外，多孔模制体的表面特性可以利用离子注入来改进。因此，通过注入氮可以形成具有所引入的过渡金属的氮化物、碳氮化物或氧氮化物相，这显著增加含碳多孔模制体的化学稳定性和机械稳定性。
涂覆例如液晶焦油沥青可以产生不对称材料特性，这取决于在随后交联、碳化或石墨化期间晶格结构的排列。这些特性是热膨胀、力学性能、导电性等。
在某些实施方案中，有利的是，用生物可降解或可再吸收的聚合物涂层来部分涂覆多孔模制体，所述聚合物例如是胶原、白蛋白、明胶、透明质酸、淀粉、纤维素例如甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙甲基纤维素、邻苯二甲酸羧甲基纤维素酯；酪蛋白、葡聚糖、多醣、血纤蛋白原、聚(D，L-丙交酯)、聚(D，L-丙交酯-co-乙交酯)、聚乙交酯、聚羟基丁酸酯、聚烷基碳酸酯、聚原酸酯、聚酯、聚羟基戊酸、聚二氧杂环己酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苹果酸、聚酒石酸、聚酐、聚磷腈、聚氨基酸以及它们的共聚物或非生物可降解或可再吸收的聚合物。具体优选的是阴离子、阳离子或两性涂层，例如藻酸盐、卡拉胶(carrageenan)、羧甲基纤维素、壳聚糖、聚-L-赖氨酸；和/或磷酸胆碱。
如果必要，在特定优选的实施方案中，在碳化之后和/或在任选进行后处理步骤之后，多孔模制体可以进行进一步化学或物理表面改性。也可以在此提供清洗步骤以去除任何残留物和杂质。上述所提及的酸特别是氧化性酸或溶剂可用于此目的，特别优选在酸或溶剂中煮沸。
通过适当选择起始物质和添加剂可以在宽范围内特定调节根据本发明的模制体在水环境中的pH值和缓冲能力。根据本发明生产的模制体在水中的pH值可以在pH0-pH 14的范围内，优选在pH 6-8的范围内，特别优选在pH 6.5-7.5的范围内。根据本发明生产的模制体的缓冲范围优选在中性至酸性范围，尤其优选在弱酸性范围，缓冲能力最高可为50mol/升，优选最高为10mol/升，并且在优选的应用中通常是0.5-5mol/升。
模制体根据本发明方法生产的模制体可以制成任意的两或三维形状。为此，由任选混合有聚合或非聚合物填充物的有机聚合物材料来加工半成品模制部件，利用适当的成型方法来生产相应坯体，该坯体任选地对应于记住在碳化期间发生的尺寸收缩的多孔碳基模制体的最终形状。根据本发明的多孔模制体可以生产成管、圆棒、板、块、长方体、立方体、实心或空心的球、法兰、图章、箱等形式，或者它们还可以是细长的，例如环形柱状、多边形柱状并可能是三角形柱状或棒状；或平板状；或多边形状例如四面体状；金字塔状、八面体状，十二面体状、二十面体状、菱形、棱柱形；或球形、并可能是球状(ball-shaped)、球形(spherical)或柱面透镜状或环形、具有直或弯曲通道的蜂窝状，所述通道以不同通道直径和流向(平行、交叉或在通道之间具有任意角度)缠绕、折叠。
根据本发明的具体实施方案，利用根据本发明方法之一生产多孔碳基材料管。在这种情况下，优选如上所述将天然或合成橡胶或适当塑料的软管碳化成为含碳模制体，该含碳模制体可以被碳化以产生碳，任选地以纤维或织物插入物来增强。根据本发明方法之一，尤其优选利用被用作半成品模制部件的软管形式的浸渍有合成树脂的编织织物来生产多孔碳基材料管。
用于生产多孔管的软管可以具有多层结构，例如，包含泡沫塑料内层和非泡沫塑料的外层，或者相反。还可以根据本发明应用更多的层。
特别优选的是，利用共挤出吹塑成型将多层软管制成半成品模制部件，然后将其碳化形成管。
在本发明的另一个实施方案中，可以通过将浸渍或涂覆有聚合物材料的纸材料缠绕在诸如车床上形成管所述管随后在碳化条件下碳化以形成多孔含碳管，从而生产碳基材料管。
根据该生产方法，优选用有机聚合物浸渍和/或涂覆平坦纤维织物、通道结构或毛毡结构及其所有组合，并且利用适当的心轴缠绕。然后带心轴或不带心轴进行碳化，并随后任选地移除心轴。这样，可以生产简单而精密的多孔管，然后可以对它们进行后处理、后压缩或密封。
通过利用CVD或例如使用有机聚合物涂覆的适当后处理来完全或部分密封所生产的多孔管。
在生产碳管的连续方法中，还可以根据本发明使用半成品模制部件来生产管例如聚合物软管，特别是循环式软管。在此尤其优选使用纤维增强软管，其中纤维可以选自纺织物或织物纤维、玻璃纤维、碳纤维、石棉、聚合物纤维例如聚丙烯腈纤维、无纺材料、纤维无纺物(fibre nonwovens)、毛毡、纤维素、PET纤维以及这些材料的任意混合物。
利用多层半成品模制部件可以实现根据本发明生产的含碳模制体的不对称结构。例如，泡沫聚合物材料如聚氨酯泡沫、聚丙烯腈泡沫等可以与其它的致密聚合物材料层成型，然后将它们碳化，以形成具有局部不同孔隙率分布的模制体。
在中空体的情况下，可以将法兰层压在半成品模制部件中并且随后将它们基本完全碳化成具有封闭孔。当采用聚合物纤维和织物时，由此制得在纤维和基体之间具有优越粘附力的固体碳模块单元。
根据本发明方法生产的碳基模制体尤其是碳管可以在管式膜反应器、管束反应器和热交换器以及生物反应器中用作管膜。
根据本发明的模制体还可以用作多孔催化剂载体，尤其是在汽车领域或技术装置中的废气净化中，在此它们的热稳定性、它们的化学稳定性和体积稳定性是有利的。而且，根据本发明的模制体和材料几乎没有应力并且在热振荡下极度稳定，即毫无问题地耐受温度剧变。根据本发明，通过应用金属特别是贵金属和其它催化活性材料，可以生产长期稳定和高效的催化剂载体。
由平坦通道结构制成的板及其缠绕形成的管状结构特别适合作为绝缘材料，例如用于高温应用或用于屏蔽微波(微波吸收器)。在这种情况下可以调节电性能使得例如高频加热器可以通过这些绝缘材料将它们的能量耦合到炉区而基本没有损失。但是也可以调节高度取向材料使得它们被高频直接激发并因此直接被加热。这也是用于技术生产(碳化)或石墨化的简单方法。
根据本发明方法生产的模制体也可以用作医用植入物，例如整形外科、外科和/或非整形外科的植入物例如骨或人工关节、矫形板(orthopaedic plate)、螺钉、钉等。
由于它们的生物相容性和柔性表面特性例如吸附能力、吸收能力、生物材料的粘合力、可以在宽范围内特定调整的多孔性、孔尺寸和体积直至封闭孔模制体等，因此尤其优选使用根据本发明生产的模制体作为基质或载体用于微生物定殖和细胞培养。
尤其优选使用根据本发明生产的碳基、含碳模制体以及陶瓷材料和复合材料作为载体和/或培养系统(TAS)用于培养原代细胞培养物例如真核组织，如骨、软骨、肝脏、肾脏，还用于培养和固定异种、异源、同源或自体细胞和细胞类型，以及任选用于遗传修饰细胞系的培养和固定。
除了根据本发明方法生产的模制体外，原则上所有多孔或非多孔含碳材料均适合用作载体和培养系统(TAS)来培养原代细胞培养物。除了根据本发明方法生产的模制体外，还优选使用例如在WO 02/32558(“柔性、多孔膜和吸附剂…”)中描述的材料，其公开内容全部并入本文，具体是在24页11行到43页上描述的碳和陶瓷材料、膜和载体。对称或不对称织构(textured)的碳基或陶瓷基材料及其组合物也适合用作载体和培养系统。
所述材料和模制体可以具体用作神经组织的载体和培养系统。特别有利的是，具体通过简单调节模制体的传导性和施加脉冲电流，所述含碳材料尤其适应和适合用于神经组织的培养。
在根据本发明作为载体和培养系统的应用中，所述材料和模制体还可以用作体外或体内导向结构，即所谓的二维或三维组织生长支架；由于它们的特定形状，可由细胞培养物来培养器官部件或整个器官。在这种情况下，载体和培养系统在物理方面作为导向结构通过下列方式来支撑或调节细胞、组织或器官的生长适当调节孔隙率，流道设计和二维或三维成型，尤其是还在应用位置处营养液或介质的可调节供应、分布和补充，以及支撑或促使细胞和组织增殖和分化。
对于用作载体和培养系统，材料和模制体可以二维或三维成型。适当的宏观结构例如是管、特别是用于生产或培养天然脉管的管，立方体形式等，如上对于模制体所提到的那样。
具体地，由此认识到根据本发明的模制体和其它碳基材料可用作天然器官结构等的载体和培养系统，例如膝、髋、肩、指关节等的软骨关节表面的载体和培养系统，然后可以将其用于适当培养成型的软骨、骨膜等。然后这些可以和生长组织一起植入，或者通过现有技术的方法如机械或化学酶促分离来分离适当生长形式的培养组织，随后植入。
由于碳基材料和模制体还具有良好的力学性能，这些性能使得它们可用作植入物例如作为人工关节等，因此根据本发明，这些材料可用于组织培养中作为基质或载体，在生长充分的软骨层后，它们可用作患者体内高度相容性生物植入物。因此，根据本发明可使用涂敷有由患者本身细胞样品直接在植入物上生长的个体患者植入物。这可以减少或完全避免排斥现象和免疫防御反应。
根据本发明，模制体和材料可以用作用于在现有生物反应器系统中培养的载体和培养系统，该现有生物反应器系统例如是没有连续控制技术的被动系统，例如组织培养板、组织培养瓶、转瓶；但也可以是具有供气和参数(酸度、温度)自动调节的主动系统，这种主动系统在最广泛意义上而言是具有测控技术的反应器系统。
另外，通过提供适当装置例如用于灌注营养液和气体交换的连接，根据本发明的载体和培养系统可以作为反应器系统工作，特别是以模块方式在对应系列反应系统和组织培养物中应用。
根据本发明的载体和培养系统还可以用作离体(ex vivo)反应器系统例如体外辅助系统，或作为器官反应器例如所谓肝脏辅助系统或肝脏置换系统；或者在体内或体外包封胰岛细胞，例如作为人工胰腺、包封泌尿道上皮细胞，例如作为人工肾脏等，它们优选是可植入的。
另外，根据本发明的载体和培养系统可以用下列物质适当改性以促使器官发生，例如用蛋白聚糖、胶原、组织型(tissue-type)盐例如羟基磷灰石等，特别是用上述生物可降解或可再吸收的聚合物。
根据本发明的载体和培养系统优选通过浸渍和/或吸附生长因子、细胞因子、干扰素和/或粘附因子得以进一步改性。合适的生长因子实例是PDGF、EGF、TGF-α、FGF、NGF、红细胞生成素、TGF-β、IGF-I和IGF-II。合适的细胞因子包括例如IL-1-α和-β、IL-2、IL-3、IL-4、IL-5、IL-6、IL-7、IL-8、IL-9、IL-10、IL-11、IL-12、IL-13。合适的干扰素包括例如INF-α和-β、INF-γ。合适的粘附因子实例是纤连蛋白、层粘素、vibronectin、胎球蛋白、聚-D-溶素(lysin)等。
特别是当用作载体和培养系统时，根据本发明的模制体还可以用作微阵列系统用于药物发现、组织筛选、组织工程等。
实施例下列实施例用于说明根据本发明的原理，而并不是意图限制本发明。
实施例1为了通过缠绕法生产具有DN25芯、500mm长、300mm壁厚的管，将用酚树脂基GFK树脂涂覆/浸渍的30mm宽的E-CR-玻璃(化学稳定改性E玻璃)的玻璃纤维织物交叉放在适当钢心轴上并且移去心轴。热解前重量为3.6g/cm。在800℃下在氮气中进行热解48小时。热解后重量为3.0g/cm。利用泡点试验(ASTM E1294)测定膜特性，其中测出了500埃的孔尺寸。
实施例2通过如实施例1说明的缠绕方法，利用30mm宽、用乙烯酯树脂基GFK树脂涂覆/浸渍并交叉放在钢心轴上的C-玻璃(化学稳定C玻璃，非纺织物)的玻璃纤维非纺织物生产管。热解前重量为3.5g/cm。在800℃下在氮气中进行热解48小时。热解后重量为0.9g/cm。利用泡点试验(ASTM E1294)测定膜特性，测出了0.8微米的孔尺寸。
实施例3通过如实施例1说明的缠绕方法，利用30mm宽、用酚树脂基GFK树脂涂覆/浸渍并交叉放在钢心轴上的聚丙烯腈(PAN)非纺织物(Freudenberg)生产管。热解前重量为3.5g/cm。在800℃下在氮气中进行热解48小时。热解后重量为1.94g/cm。利用泡点试验(ASTM E1294)测量膜特性。在测量范围内没有测出(气体穿透)孔尺寸。随后，根据泡点试验在空气流中于400℃部分氧化产生1.2μm的平均孔尺寸。
实施例4通过如实施例1说明的缠绕方法，利用酚树脂基GFK树脂涂覆/浸渍的30mm宽的E-CR玻璃(化学稳定改性E玻璃)的玻璃纤维非纺织物和30mm宽的聚丙烯腈(PAN)非纺织物(Freudenberg)(比例1∶1)并交叉放置在钢心轴上生产管。热解前重量为3.6g/cm。在800℃下在氮气中进行热解48小时。热解后重量为2.0g/cm。
实施例5通过如实施例1说明的缠绕方法，利用酚树脂基GFK树脂涂覆/浸渍的30mm宽的E-CR玻璃(化学稳定改性E玻璃)的玻璃纤维非纺织物和30mm宽的聚丙烯腈(PAN)非纺织物(Freudenberg)(比例1∶1)并交叉放置在钢心轴上生产管，其中所述酚树脂基GFK树脂具有20％的AerosilR972。热解前重量为3.6g/cm。在800℃下在氮气中进行热解48小时。热解后重量为3.0g/cm。
然后利用30％的NaOH碱溶液洗涤Aerosil。利用泡点试验(ASTM E1294)测量膜特性，测出了0.6μm的孔尺寸。
实施例6生产含有无机填充物的天然纤维增强复合材料聚合物的碳基板，所述板具有100g/m2的单位面积重量和110微米的厚度。在将两个片相互叠置后，利用市售压花机为这种平坦复合材料提供通道结构，所述压花机产生3mm的通道直径。将这些片粘合以形成蜂窝状块并在800℃下在保护气体(氮气)中碳化48小时。在碳化期间通道方向上的压力损失仅为0.1bar/m，并且产生了66重量％的重量损失。
在8kHz高频加热装置中的耦合(coupling-in)试验中，调节由这种材料缠绕形成的10cm长、40mm直径以及6mm壁厚的管。与静态电流相比电流几乎没有表现出变化，并且5分钟之后没有明显加热材料。因此所得的材料可以精确而毫无问题地进行锯、钻孔、研磨等。
实施例7对于提供的作为细胞培养系统的载体材料，在800℃下在氮气气氛中将具有100g/m2的单位面积重量以及110μm厚度的含天然纤维的聚合物复合材料碳化48小时，其中向端面加入空气以改性孔。发生了50重量％的重量损失。所得材料在水中具有7.4的pH值和弱酸性的缓冲范围。在常规六孔组织培养板上为每一个尺寸为20×40mm、厚度为60μm的这种碳材料片加入4ml营养液以及1.5ml细胞悬液。细胞悬液含有杂交瘤FLT2细胞系，该细胞系产生抗志贺菌毒素的MAB，并已知非贴壁、非粘附性持久悬浮生长的。
在其它相同的条件和装料下使用没有碳材料的六孔组织培养板作为对照。
采用根据本发明载体的样品显示了细胞的自发定量固定，并且没有可检测到的悬液混浊。在7天的孵育期内，细胞密度增加七倍至1.8×107细胞/毫升。平均培养寿命的MAB生成从最初50μg/ml增加到350μg/ml，而没有任何蛋白水解性降解的迹象。十二个样品在25天后仍存活，之后中断孵育。这表明根据本发明的载体即使在较高的细胞密度下也阻断接触抑制。甚至在低温保存和解冻之后，在加入新鲜营养培养基后MAB生成同时恢复。
在对比实验中6个培养物中仅有一个生存到第11天。
权利要求
1.用于生产多孔碳基模制体的方法，其特征在于包括下列步骤-将可以被碳化成碳的有机聚合物材料与非聚合物填充物混合；-由所述混合物生产半成品模制部件；-在非氧化气氛中高温碳化所述半成品模制部件，其中获得碳基模制体；-利用适当溶剂将所述填充物从所述碳化模制体中溶出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充物选自无机金属盐，具体是碱金属和/或碱土金属的碳酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、亚磷酸盐、卤化物、硫化物、氧化物及其混合物。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述填充物选自有机金属盐，优选碱金属、碱土金属和/或过渡金属的有机金属盐，尤其是它们的甲酸盐、乙酸盐、丙酸盐、苹果酸盐、马来酸盐、草酸盐、酒石酸盐、柠檬酸盐、苯甲酸盐、水杨酸盐、邻苯二甲酸盐、硬脂酸盐、酚盐、磺酸盐、胺盐及其混合物。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，用水或者稀释或浓缩的无机或有机酸将所述填充物溶出。
5.根据前述权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于，用有机溶剂将所述填充物溶出。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，使用的所述填充物由所述碳化步骤过程中转化成可溶形式的物质组成。
7.用于生产多孔碳基模制体的方法，其特征在于包括下列步骤-将可以被碳化成碳的有机聚合物材料与聚合物填充物混合；-由所述混合物生产半成品模制部件；-在非氧化气氛中高温碳化所述半成品模制部件，其中所述聚合物填充物基本完全分解。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述聚合物填充物选自饱和、支化或非支化脂肪烃的均聚或共聚物，优选聚烯烃例如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯、聚戊烯及其混合物。
9.根据前述权利要求7或8中任意一项所述的方法，其特征在于，碳化之后用氧化剂或还原剂处理所述模制体。
10.用于生产多孔碳基模制体的方法，其特征在于包括下列步骤-由可碳化的有机聚合物材料生产半成品模制部件；-在非氧化气氛中高温碳化所述半成品模制部件，其中获得碳基模制体；-部分氧化所述碳化模制体以产生孔。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在氧化气体气氛中利用热处理进行所述的部分氧化。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，利用空气、氧、一氧化碳、二氧化碳、氧化氮在50℃-800℃的温度下进行所述的部分氧化。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，利用氧化性酸进行所述的部分氧化。
14.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述可碳化的有机聚合物材料包含不饱和、支化脂肪烃、支化或非支化、交联或非交联的芳香烃或部分芳香烃，及其取代衍生物。
15.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述可碳化的有机聚合物材料选自聚丁二烯；聚乙烯例如聚氯乙烯或聚乙烯醇、聚(甲基)丙烯酸、聚氰基丙烯酸丙烯酯；聚丙烯腈、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯；聚合物例如胶原、白蛋白、明胶、透明质酸、淀粉、纤维素例如甲基纤维素、羟丙甲基纤维素、邻苯二甲酸羧甲基纤维素酯；酪蛋白、葡聚糖、多醣、血纤蛋白原、聚(D，L-丙交酯)、聚(D，L-丙交酯-co-乙交酯)、聚乙交酯、聚羟基丁酸酯、聚烷基碳酸酯、聚原酸酯、聚酯、聚羟基戊酸、聚二氧杂环己酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苹果酸、聚酒石酸、聚酐、聚磷腈、聚氨基酸；聚乙烯醋酸乙烯酯、硅树脂；聚(酯氨酯)、聚(醚氨酯)、聚(酯脲)、聚醚例如聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、普流尼克、聚四氢呋喃、聚乙烯吡咯烷酮、聚(邻苯二甲酸醋酸乙烯酯)、醇酸树脂、氯化橡胶、环氧树脂、丙烯酸树脂、酚树脂、氨基树脂、三聚氰胺树脂、烷基酚树脂、环氧芳族树脂、焦油、焦油状材料、焦油沥青、液晶焦油沥青、沥青、淀粉、纤维素、虫胶、聚丙烯腈纤维、纤维素或酚醛清漆、可再生原料的有机材料以及它们的共聚物、这些均聚或共聚物的混合物和组合物。
16.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述聚合物材料含有常用添加剂例如填充物、软化剂、润滑剂、阻燃剂、玻璃、玻璃纤维、碳纤维、棉、织物、金属粉、金属化合物、金属氧化物、硅、氧化硅、沸石、TiO2、氧化铝、铝硅酸盐、氧化锆、滑石、石墨、烟灰、粘土材料、页硅酸盐。
17.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，利用浇铸法、挤出法、压制法、注射成型法或其它常用成型方法来生产所述半成品部件。
18.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述碳化在200℃-4000℃温度下在保护性气体下进行，所述保护性气体优选氮气或氩气，任选地在负压或真空中进行，任选地加入反应性气体例如氢气。
19.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，还包括在所述模制体表面上和/或其孔中利用化学或物理气相沉积(CVD或PVD)、溅射、离子注入或化学气相渗透(CVI)来分离碳、氮、硅和/或金属。
20.根据前述权利要求19所述的方法，其特征在于，所述模制体的孔被完全或部分密封。
21.多孔模制体，可以利用根据前述权利要求中任意一项所述的方法来生产。
22.根据前述权利要求21所述的模制体，为管、圆棒、板、块、长方体、立方体、注模、蜂窝结构、具有通道结构的压印、折叠、缠绕、卷起的二维或三维结构、实心或空心的球、法兰、图章、箱等形式。
23.管，可利用根据权利要求1-20中任意一项所述的方法来制造，所述管包含天然或合成橡胶、纤维素、环氧树脂化合物或塑料的软管，任选地用纤维或织物插入物增强。
24.根据权利要求23所述的管，其特征在于，将合成树脂浸渍的纺织品用作软管。
25.根据权利要求23所述的管，其特征在于，多层软管被碳化。
26.根据权利要求25所述的管，其特征在于，所述多层软管含有泡沫塑料的内层和非泡沫塑料的外层。
27.根据权利要求25或26中任意一项所述的管，其特征在于，利用共挤出吹塑成型获得所述多层软管。
28.催化剂载体，可根据权利要求1-22中任意一项来制造。
29.绝缘材料，可根据权利要求1-22中任意一项来制造。
30.根据权利要求23-27中任意一项所述管的用途，在管束反应器、热交换器中作为管膜，用于在适合该目的的装置中进行蒸馏、全蒸发、回收和/或循环反应产物和/或提取。
31.根据权利要求21或22所述模制体的用途，作为载体和/或培养系统用于原代细胞培养物的培养。
32.根据权利要求31的用途，其中所述细胞培养物选自真核组织例如骨、软骨、肝脏、肾脏、胰、神经等，以及异种、异源、同源或自体细胞和细胞类型以及遗传修饰细胞系。
33.根据权利要求31或32的用途，其中所述模制体被用作二维或三维组织生长的导向结构支架，尤其是用于器官或器官部件的培养。
34.根据权利要求31-33中任意一项所述的用途，其特征在于，所述载体和/或培养系统用作离体反应器系统。
35.根据权利要求31-33中任意一项所述的用途，其特征在于，所述载体和/或培养系统用作体内植入物。
36.根据权利要求31-35中任意一项所述的用途，其特征在于，用蛋白聚糖、胶原、组织型盐或生物可降解或可吸收的聚合物来改进所述载体和/或培养系统。
全文摘要
本发明涉及生产碳基模制体的方法，具体涉及通过碳化混合有聚合物填充物的有机聚合物材料然后使所述填充物与所述碳化模制体分离来生产多孔碳基模制体的方法。在替代实施方案中，本发明涉及通过碳化包含在碳化期间基本完全分解的聚合物填充物的有机聚合物材料来生产多孔碳基模制体的方法。本发明还公开了通过碳化有机聚合物材料来生产多孔碳基模制体的方法，在碳化之后部分氧化所述碳基模制体以产生孔。本发明最后涉及根据所述方法之一生产的多孔模制体及其用途，尤其是用作细胞培养载体系统和/或培养系统的用途。
文档编号C07K16/00GK1829667SQ200480021562
公开日2006年9月6日 申请日期2004年1月8日 优先权日2003年7月31日
发明者约尔格·拉特诺, 苏海尔·阿斯加里, 于尔根·孔斯特曼 申请人:布卢薄膜有限责任公司