专利名称：一种多层多孔支架及其制备方法
技术领域：
本发明属于生物材料和组织修复技术领域，具体涉及一种多层的多孔支架及其制 备方法。
背景技术：
多孔支架可以广泛应用于组织修复、细胞培养载体、伤口敷料、药物控释载体等领 域。尤其是具有高孔隙率的聚合物多孔三维支架，已经发展成为组织工程和原位组织再生 的重要组成部分。现有技术公开了组织工程的基本原理是从人体组织提取一定的正常细胞，培养 增殖后，在体外与可降解多孔支架构建细胞材料复合体，再将这种复合体植入组织缺损处， 随着材料降解和细胞外基质的不断分泌和组织的不断形成，重建新的与自身形态和功能相 适应的组织和器官，达到组织修复的目的。因此多孔支架在组织重建过程中具有相当重要 的地位。此外，直接植入多孔支架、利用体内的细胞自行修复组织的组织诱导技术(或称 原位组织再生)也依赖于合适的多孔支架材料。关于组织工程支架或组织诱导支架的制作和成型技术，目前已经有比较丰富的途 径和手段。例如，纤维纺织技术、粒子脱除技术、气体发泡技术、相分离技术、微球烧结技术 等。不同的生物材料和制备手段得到的组织工程支架，其孔形态、孔隙率、比表面积和降解 速率等重要指标都有差异。例如，静电纺丝获得的无纺布结构，适合于皮肤血管等薄层组织 的构建；粒子去除获得高孔隙率的三维支架，可应用于骨和软骨组织工程；利用微球烧结 的方法，可以得到高强度的支架，但空隙率不高，适合于骨组织的修复。而在组织重建过程 中，支架的结构特点能够影响到新生组织的结构和功能，因此针对不同组织的重建需要孔 结构与之相适应的多孔支架。人体器官比较复杂，并非由单一的组织构成，而临床上需要采用组织工程修复的 病灶，常包含有多层组织的严重缺损。不同组织的形态、结构、力学性能有很大差别，不同类 别的细胞生长增殖和组织重建速率也有差异。因此就需要根据这些缺损组织的特点，设计 不同孔隙率、孔结构和降解速率相结合的支架材料。另外，在组织工程实践过程中，即便对 单一组织的修复，也需要考虑其与周围组织之间的配合。譬如，在软骨修复的临床实例中， 除了要实现软骨组织的修复，重建的软骨和下层骨组织的连接成为关键的问题。否则，重建 软骨与骨基体间的界面连接将成为组织修复的薄弱环节。另外，在皮肤、长干骨等组织的修 复中，都需要构建多重形态的复杂仿生组织。而依靠之前所述单一的支架致孔成型工艺，一 般只能制备单种材料、单一孔结构的支架。在面对复杂组织的构建的临床需求时，具有与缺 损组织相似的多层结构、各层性能独立可调、且整体上仍然相互连通的支架的需求量更大。为了获得与复杂组织构建相适应的多层结构，从组织修复的角度考虑，多层的多 孔支架之间有时需要具有良好的连通性。若简单地将两个预先制备的多孔支架予以连接很 容易导致支架之间缺乏连通。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多层多孔支架及其制备方法。具体涉及一种由多层支 架粘合、且层与层之间具有良好连通孔结构的多层多孔支架。本发明提供了一种具备连通性的多层的多孔支架。本发明采用一种含致孔粒子的 粘合剂，制备一种层与层之间结构独立可调，且层与层之间的孔保持连通的支架材料。其核 心是选择适合的多孔材料，直接使用或者按要求剪裁后，通过可致孔的粘合剂粘合，固化后 除去致孔剂，制成具有相互连通多层结构和复杂外形的多孔支架。具体而言，本发明提供的多层多孔支架，其特征在于，具有多层结构，且构成支架 主体的各层间含有多孔的过渡层、使得上下层的孔之间相互连通。每一层可以是采用粒 子溶出、纤维纺织、相分离、气体发泡或微球烧结等中的任意一种或几种技术制备的多孔支 架。组成该支架的一层或多层的孔径为10-900 ym，孔隙率20% -99%，复合支架中每一层 的孔结构形貌和孔隙率独立可调，不同层的孔径和孔隙率可以相同、也可以不相同，支架各 层之间通过使用含致孔剂的粘合剂连接。本发明中，采用由聚合物、溶剂和致孔粒子组成的混合物作为粘合剂。在层与层之 间的粘结面上涂敷粘合剂后，将粘结面相合，施加压力。粘合剂中的溶剂通过扩散作用，将 支架表层孔壁部分溶解融合，待溶剂挥发后，粘合层固定，不同层的聚合物就通过中间的粘 合层连接起来。最后采用粒子去除的方法，将粘合层的粒子溶出，即得到层与层间相互连通 的多孔复合支架。本发明提出的多层多孔支架，其特征在于采用具有多孔结构的过渡层将相互独立 的多孔支架层与层连接成整体，且层与层之间的孔具有连通性。连接层厚度一般在o. 5mm
左右o组成各层支架的基质材料包括高分子材料、无机材料、生物衍生材料或者它们之 间的复合物，不同层之间的基质材料可以相同、也可以不相同。所述的基质材料是具有自粘接性、可溶解性、可塑性的天然或合成高分子材料，既 包括可降解的高分子，也包括不可降解的高分子材料。每一层支架的基质材料还包括高分 子材料之间的共聚物或共混物以及高分子材料与生物衍生材料、无机材料等之间的复合 物。本发明中，组成多孔支架主体的高分子材料包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟基丁酸 酯、聚己内酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚二氧六环、壳聚糖、海藻酸盐、透明质酸盐、胶 原、明胶、丝素蛋白等可降解聚合物，以及由它们之中的两种或两种以上组成的共聚物或共 混物的任何一种；也可以是聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、 尼龙、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚硅氧烷等不可降解聚合物，以及由它们 之中的两种或两种以上组成的共聚物或共混物的任何一种。本发明所述的粘合剂，其特征在于由聚合物、溶剂和致孔粒子组成。其中的聚合物 组分可以是可降解的聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟基丁酸酯、聚己内酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、 聚酸酐、聚二氧六环、壳聚糖、海藻酸盐、透明质酸盐、胶原、明胶、丝素蛋白以及它们之中两 种或两种以上组成的共聚物或共混物的任何一种；也可以是不可降解的聚苯乙烯、聚氯乙 烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、尼龙、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚硅氧烷，以及由它们之中的两种或两种以上组成的共聚物或共混物的任何一种。粘合剂中的溶剂组分(即溶剂A)，可以是丙酮、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-二甲基甲酰胺、甲酸、苯甲醇、环己烷 中的任何一种或几种的混合物。所述的溶剂A对粘合剂聚合物组分以及支架主体材料有良 好的溶解性，但不会改变其结构和性能；对致孔粒子不溶解且不改变其结构和性质；具有 合适的挥发性，在真空条件下可以完全脱除。本发明中，溶剂B对聚合物不溶或基本不溶，对致孔粒子有良好的溶解能力，且具 有合适的挥发性，在真空条件下可以被完全脱除，通常采用戊烷、己烷、庚烷、辛烷、环己烷 或水中的任何一种或几种的混合物。本发明中，粘合剂中的致孔粒子溶于溶剂B，但不溶于溶剂A。所述致孔粒子包括 无机盐、多糖、有机小分子化合物或者由它们组成的混合物，粒子可以是规则的球型也可以 是不规则的多面体，粒径在10-900 y m范围内。粘合剂中溶剂A的所占体积分数通常为 20% -70%，较佳的范围是30% -50% ；致孔粒子的用量范围为混合物的20wt% -99wt%, 较佳的范围是70wt% -95wt%。本发明采用粘合剂粘结的方法制备所述的多层多孔支架，通过下述步骤，1、将聚合物原料、聚合物的溶剂(溶剂A)和致孔粒子搅拌混合后，获得多层支架 的粘合剂；2、将预先制作好的多孔支架的各组成部分直接使用或者依照组织缺损形态进行 适当剪裁以获得整齐洁净的粘结面；3、将支架粘合剂涂覆到各层支架的粘结面上，形成连接层，然后将待粘接的另一 层支架放置在上面，并施加压力，待溶剂挥发后定型；4、经过一段时间定型完成后，除去压力，根据需要添加新的支架层，可重复上一步 操作；5、对相互连接的多层支架实施粒子脱除工艺，用溶剂B将连接层的粒子溶出；干 燥去除残余溶剂后，制得具有相互连通孔结构的多层复合多孔支架。本发明中，获得粘合剂时可以先将聚合物材料溶于溶剂A中，形成聚合物溶液，然 后将致孔粒子加入到高分子溶液中，搅拌混合均勻。本发明中，每一层支架的成型工艺可采用粒子致孔、无纺布编织、发泡成型、相分 离、三维打印以及粒子烧结技术中的任意一种或几种。本发明支架粘合时，需要给予一定的压力和时间使粘合层固化。可以在小型模压 设备上实施，前提是不能破坏各层支架的结构，固化时间一般为几分钟到数小时不等，由所 使用溶剂A的挥发能力来决定。本发明得到粘合后的多层支架后，需要使溶剂A脱除，可以先在室温空气环境下 使溶剂A部分挥发，然后在真空条件室温下完全脱除，一般在12-48小时。溶剂B应该大大 过量，一般为粘合剂使用量的50-1000倍。本发明中，将上述已脱除粒子的复合支架取出，室温下空气中使大部分溶剂挥发， 然后转入真空条件下脱除剩余溶剂B。该过程一般持续12-48小时，真空烘箱不超过聚合物 的玻璃化转变温度，一般室温状态即可。本发明所制备的多层多孔支架适用于作为皮肤、骨/软骨、血管、食道、气管等组织工程修复所使用的细胞支架，用于皮肤、骨/软骨、血管、食道、气管等组织的人工构建。本发明与现有的复合支架制备技术相比，具有以下的优点和特点1、所制得的多层多孔支架层与层之间通过粘合层过渡连接，与普通的化学粘合剂 不同，本发明最终得到的粘合层也具有多孔结构，且与支架各层之间实现相互连通，适合于 组织重建过程中不同细胞的过渡和组织间的融合，避免了重建组织层与层之间的弱化分 罔。2、所制备的支架，不同层可以是不同材料、不同的致孔工艺，也可以是同一成型工 艺不同孔隙率支架，以及以上任意的组合，这种灵活多变的体系，在结构和功能仿生两大方 向上均具有实际意义。3、本发明使用的粘合剂的聚合物组分是具有良好的生物相容性的材料，可以选择 与支架主体相同的材料，也可以选择其它适合组织工程材料，4、本发明还可以通过粘结技术，通过各部分拼接组合的方法，制造外形复杂的大 型多孔支架。5、本发明所涉及的制备方法中能最大限度避免有害物质的残留，适合医用植入器 件的制造。为了便于理解，以下将通过具体的附图和实施例对本发明的进行详细地描述。需 要特别指出的是，具体实例和附图仅是为了说明，显然本领域的普通技术人员可以根据本 文说明，在本发明的范围内对本发明做出各种各样的修正和改变，这些修正和改变也纳入 本发明的范围内。
图1是多层支架在组织工程上的应用原理(以骨/软骨修复为例)示意图，其中 1、3是两层不同降解周期的聚乳酸(PLA)多孔支架，2为多孔粘结层部分。图2是通过采用石蜡球作为致孔粒子得到的孔径350-455 u m、孔隙率90%的聚乳 酸和聚羟基乙酸的共聚物(PLGA)多孔支架扫描电镜图片。图3是采用粘合方法将两块球形孔结构的PLGA多孔支架粘合后形成复合支架的 粘合界面扫描电镜照片，粘合剂由PLGA/盐粒子/ 二氯甲烷组成，中间宽400 u m左右的不 规则多孔区域为粘合层。孔径350-455 u m,孔隙率90%。图4是粘合前后孔隙率达90%的PLGA支架的外观照片，a是粘合前的两块独立支 架，b是粘合后形成的双层复合支架。
具体实施例方式实施例1首先制备盐粒和球形石蜡致孔粒子。盐粒使用机械打碎后通过标准筛筛分，收集 不同粒径范围的粒子。石蜡微球使用l.Og明胶、20. 0g石蜡，加入到400ml去离子水中， 400rpm机械搅拌下加热到80°C，然后加入300ml冰水淬冷，使蜡球固化。过滤，用去离子水 冲洗两次，干燥后用标准晒筛分，收集不同粒径范围的粒子。接着准备粘合剂。将0.58分子量为30万的？11^85/15溶解于8.01111二氯甲烷中， 将9. 5g粒径350-455 u m的氯化钠盐粒子加入到高分子溶液中，混合搅拌均勻。
取两块用石蜡微球致孔的柱状PLGA85/15多孔支架(高5mm，直径10mm，孔隙率 90 %，孔径350-455 u m)，将端部修平整。将粘合剂均勻地涂覆在其中一块支架的粘接面上， 然后将另一块支架的粘接面扣在涂覆了粘合剂的支架表面上。置模压器具中，施加40N的 压力，保持6小时。解除压力将支架取出，在空气中继续挥发溶剂12小时后，转入室温下真 空度大于755mmHg的真空烘箱干燥24小时；将复合支架放入含有500ml去离子水的烧杯中 浸出粘合层中的致孔粒子，每4小时换一次水，48小时后用硝酸银溶液检测，浸出液不出现 白色沉淀，说明粒子已经除干净。将复合支架从水中取出，滤纸吸水，空气中室温干燥24小 时后，转入真空度大于755mmHg的真空烘箱干燥。制得有两块PLGA多孔支架组成，彼此连 通的复合多孔支架。孔隙率90%，孔径350-455 u m。实施例2支架采用两块不同孔隙率得石蜡微球致孔的柱状PLGA85/15多孔支架，其中一块 孔隙率95%，另一块85% (高5mm，直径10mm，孔径350-455 u m)，其余的条件与实施例1相 同，制得一块由不同孔隙率材料组成的双层多孔支架。实施例3支架采用两块不同致孔工艺得到的柱状PLGA85/15多孔支架(高5mm，直径10mm， 孔隙率90 %，孔径350-455 u m)，其中一块由氯化钠盐粒致孔，一块由石蜡微球致孔，其余 条件与实施例1相同，制得一层规则球形孔，另一层不规则孔的复合多孔支架。实施例4准备三块用石蜡微球致孔的柱状PLGA85/15多孔支架(高5mm，直径10mm，孔隙率 90 %，孔径350-455 u m)，在第一块和第二块粘结后，再在第二块上表面涂覆粘合剂，将第三 块粘合上去，其余方法与实施例1相同，制得三层复合多孔支架。实施例5粘合剂粒子换作350-455 u m的石蜡微球，将两块石蜡微球致孔的柱状PLGA85/15 多孔支架(高5mm，直径10mm，孔隙率90%，孔径350-455 u m)按实施例1方式粘合后，置于 索氏提取器内，用正戊烷为溶剂抽提48小时，取出支架室温空气干燥8小时，真空烘箱真空 度大于755mmHg室温干燥48小时。得到粘合层为球形孔的双层复合多孔支架。实施例6使用0.3g分子量为5万的聚己 内酯(PCL)，溶解在10ml丙酮中，350-455 iim粒 径的盐粒子2. 7g，混合均勻制成粘合剂，其余方法与实施例1相同，制得由PCL连接的 PLGA85/15复合多孔支架。 8
权利要求
一种多层多孔支架，其特征在于，所述支架具有多层结构，支架各层间含有多孔的过渡层，支架上下层的孔之间相互连通；所述的过渡层通过下述方法制得采用由聚合物、溶剂和致孔粒子组成的混合物作为粘合剂，固化后除去粒子，形成相互连通的过渡层结构。
2.根据权利要求1所述的多层多孔支架，其特征在于，所述的多层多孔支架中的一层 或多层包含有孔径10-900 ym、孔隙率20% -99%的多孔结构，不同层的孔径和孔隙率相同 或不相同。
3.根据权利要求1所述的多层多孔支架，其特征在于，组成各层支架的基质材料包括 高分子材料、无机材料、生物衍生材料或者它们的复合物；组成不同层的基质材料相同或不 相同。
4.根据权利要求3所述的多层多孔支架，其特征在于所述的基质材料是具有自粘接 性、可溶解性或可塑性的天然或合成高分子材料。
5.根据权利要求3所述的多层多孔支架，其特征在于所述的高分子材料选自可降解的 高分子或不可降解的高分子材料或高分子材料与生物衍生材料或无机材料的复合物。
6.根据权利要求5所述的多层多孔支架，其特征在于所述的可降解的高分子材料选自 聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟基丁酸酯、聚己内酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚二氧六环、 壳聚糖、海藻酸盐、透明质酸盐、胶原、明胶或丝素蛋白或它们中的两种或两种以上组成的 共聚物或共混物。
7.根据权利要求5所述的多层多孔支架，其特征在于所述的不可降解的高分子材料选 自聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、尼龙、聚氨酯、聚甲醛、聚 乙烯醇、聚醋酸乙烯酯或聚硅氧烷或由它们中的两种或两种以上组成的共聚物或共混物。
8.根据权利要求1-7所述的任一多层多孔支架，其特征在于所述的支架每一层的成型 采用粒子致孔技术、无纺布技术、发泡成型技术或相分离技术以及三维打印技术中的任意 一种或几种制备，其中每一层支架的厚度为0. l-100mm。
9.一种多层多孔支架的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)将制作支架的聚合物原料、聚合物的溶剂和致孔粒子搅拌成混合物后获得多层支 架的粘合剂，所述溶剂为溶剂A ；(2)将预先制得的多孔支架的各组成支架层直接使用或按所需形态剪裁，获得粘结(3)步骤1)的粘合剂涂覆到粘结面上，形成连接层后，将待粘接的另一层支架置于其 上面，并施加压力，待溶剂挥发后定型；(4)定型完成后，除去压力，还需添加支架层，重复上一步操作；(5)对上述相互连接的多层支架实施粒子脱除，使用粒子的溶剂将连接层的粒子溶出， 干燥去除残余溶剂后，得具有相互连通孔结构的多层复合多孔支架，所述粒子的溶剂为溶 剂B。
10.根据权利要求9的制备方法，其特征在于所述粘合剂中致孔粒子的用量范围占混 合物的20wt% _99wt%，溶剂的体积分数为20% -70%，粘合层的厚度为0. 01_5mm。
11.根据权利要求9的制备方法，其特征在于所述粘合剂中的聚合物选自可降解的聚 乳酸、聚羟基乙酸、聚羟基丁酸酯、聚己内酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚二氧六环、壳 聚糖、海藻酸盐、透明质酸盐、胶原、明胶、丝素蛋白；或不可降解的聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、尼龙、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚 硅氧烷；或由它们中的两种或两种以上组成的共聚物或共混物的一种。
12.根据权利要求9的制备方法，其特征在于所述粘合剂中的溶剂A选自丙酮、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-二甲基甲酰 胺、甲酸、苯甲醇或环己烷或其中的一种或几种的混合物。
13.根据权利要求9的制备方法，其特征在于所述粘合剂中的致孔粒子选自无机盐、多 糖、有机小分子化合物或由它们组成的混合物；所述的粒子是规则的球型或是不规则的多 面体,粒径范围为10-900 iim。
14.根据权利要求9的制备方法，其特征在于所述溶剂B选自戊烷、己烷、庚烷、辛烷、环 己烷或水中的一种或几种的混合物。
15.根据权利要求9的制备方法，其特征在于所述粘合剂中致孔粒子的用量范围占混 合物的 70wt% -95wt%。
16.根据权利要求9的制备方法，其特征在于所述粘合剂中溶剂所占体积分数是 30% -50%。
17.根据权利要求9的制备方法，其特征在于所述的粘合剂中溶剂对粘合剂聚合物组 分或支架基质材料有溶解性，不改变其结构和性能；对致孔粒子不溶解且不改变其结构和 性质；在真空条件下完全脱除。
18.权利要求1的多层多孔支架在制备修复皮肤、骨或软骨、血管、食道或气管组织的 细胞支架中的用途。
全文摘要
本发明属于生物材料和组织修复技术领域，涉及一种多层的多孔支架及其制备方法。本发明选择合适的多孔材料，按既定尺寸要求剪裁后，通过含聚合物/致孔粒子/溶剂组分混合的可致孔的粘合剂粘合，固化粘结后，除去致孔剂，制成具有相互连通多层结构的多孔支架。所述支架具有多层结构，支架各层间含有多孔的过渡层，支架上下层的孔之间相互连通；本发明适合于组织重建过程中不同细胞的过渡和组织间的融合，避免了重建组织层与层之间的弱化分离。适用于多层组织修复的仿生三维细胞支架及其它应用领域。
文档编号A61L27/56GK101874751SQ200910050499
公开日2010年11月3日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者丁建东, 张正 申请人:复旦大学