一种高孔隙率高连通性生物支架制备方法与流程

本发明属于高分子材料加工技术领域，特别涉及一种高孔隙率高连通性生物支架制备方法。

背景技术：
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组织工程是一门新兴的交叉学科，它融合了生命科学、工程学及材料学的基本原理、基本理论、基本技术和基本方法。组织工程学主要涵盖如下三大部分：细胞、支架和生长信息。其中，细胞是一切生物组织最基本的结构单位,而组织工程支架作为种植细胞的场所和组织再生的模板，其内部微孔结构与性能对细胞的黏附、增殖和分化具有极其重要的作用。因此目前已经成为组织工程领域重要研究方向之一，得到了研究者的广泛重视。组织工程支架的制备工艺将决定其内部微孔结构形态和性能，进而影响其与细胞的相互作用机理，影响其在组织工程和生命科学领域中的实际应用价值。因此，组织工程支架的制备及其微孔结构的调控对组织工程和生命科学领域的进一步发展有着十分重要的意义，并成为了工程学、材料科学和生命科学交叉领域中具有挑战性的前沿科学问题。

目前，已有大量的研究结果证明，理想的组织工程支架应具备以下特征：(1)三维立体结构—合适的孔径、较高的孔隙率和良好的泡孔连通性都有利于细胞的植入、黏附以及细胞营养成分的输入和细胞代谢产物的输出；(2)良好的生物相容性—体外培养时无细胞毒性，植入体内不会导致机体炎症反应和引起宿主的移植排斥反应；(3)生物可降解性和合适的降解速率—支架的降解速率应与细胞、组织生长速率相匹配，支架在体内的降解过程，必须考虑材料的降解、人体的吸收以及材料的机械性能的平衡，使得在新组织形成的过程中，材料保持足够的完整性，从而能够承受载荷和压力，保证材料的功能。(4)适宜的可塑性和机械强度—在细胞体外培养的过程中，支架要有足够的强度来维持细胞在其内生长所需的空间，在体内必须要有与宿主组织机械性能相匹配的临时机械支撑，以承载体内的压力和负荷。(5)良好的微孔结构和形态—合适的微孔结构、表面拓扑形态和表面活性，将有利于细胞黏附、增殖、分化及生长因子的负载与表达。上述性能的获得主要与两方面的因素有关，一是组织工程支架材料本身，二是组织工程支架内部微孔结构形态及结构性能。因此有关组织工程支架的制备、微孔结构调控、结构性能设计及应用研究吸引了全世界不同研究背景的多学科领域科学家的注意。

1992年，A.G.A.Coombes和J.D.Heckman采用凝胶浇铸技术制备了多孔生物支架。他们在46-52℃下将半结晶左旋聚乳酸(PLLA)溶于丙酮形成浓度为7％(w/v)的溶液，在室温(22-24℃)下静置30min，得到强度较大的凝胶，然后将凝胶在甲醇中浸泡3d除去溶剂，室温下常压干燥，即得孔径＜5μm的不规则多孔结构；他们还在52℃下将PLLA和聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA50)的混合物(25:75，w/w)溶于丙酮中形成浓度为24％(w/v)的溶液，室温下静置24h，然后将凝胶浸入甲醇中3d，再浸入水中4d，室温下常压干燥，得到孔径＜2μm的不规则多孔结构材料。但此方法制备获得的支架孔径较小，不利于细胞的进入和增殖。

2001年，P.X.Ma等采用粘结成型的石蜡微球作为成孔剂，制备了PLLA多孔支架。将熔融的石蜡倒入聚乙烯醇(PVA)溶液中，用分散的方法得到蜡球。将一定粒径的蜡球放入塑料瓶中，用平板压住上表面，在37℃加热瓶子40min，使蜡球粘结形成内部相互连续的模型，待瓶子温度降至室温后，向蜡球团中逐滴加入PLLA的二氧六环(DO)/吡啶(1:1,v/v)溶液，然后迅速在250mmHg、37℃条件下加热2-3min以便除去蜡球团中的空气。将聚合物/蜡球团在-70℃放置24h使聚合物溶液发生相分离，然后将分相的凝胶/蜡球混合物分别在环己烷中浸泡除去溶剂和蜡球，再用环己胺萃取出环己烷，并将凝胶进行冷冻干燥，得到具有相互连续的球形孔结构的纳米纤维细胞外基质。

H.Li等利用溶液浇铸/盐沥滤技术制备具有生物活性的硅灰石/聚乳酸(PLA)复合支架。在PLA)的氯仿溶液中加入硅灰石和粒状NaCI，经过溶液浇铸、盐沥滤、真空干燥等步骤，得到海绵状支架。支架具有相互连续的大孔结构，孔径从几十微米到几百微米，孔隙率最高可达95％。将支架浸入模拟体液中，7天后在支架表面生成一层羟基磷灰石。结果表明：PLA支架表面羟基磷灰石的生成提高了支架亲水性能。

X.Gong等用NaCl颗粒作为成孔剂，通过沥滤技术制备具有分级多孔结构的PLA支架。首先将PLA溶液(氯仿或二氯甲烷作为溶剂)加入到铺有分级NaCl颗粒(大小不同)的模具内。其次使溶剂室温蒸发48h，随后在0.1mmHg、25℃条件下真空干燥24h除去残留溶剂。最后将PLA/NaCl混合物在蒸馏水中浸泡48h除去NaCl颗粒，干燥得到分级多孔支架。结果表明：支架的孔隙率高达93％，同时具备较好的力学性能。

1999年，Y.S.Nam和T.G.Park以热致相分离技术制备了聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、PLLA和PLA多孔泡沫支架。他们将聚合物溶解在不同比例的DO/水体系中，然后分别在液氮和-15℃下快速冷却(淬火)，研究聚合物类型和浓度、溶剂/非溶剂的比例以及淬火温度对支架孔结构的影响。通过改变淬火温度可调节粗化过程，得到了具有开放结构的支架，支架中大孔的孔径超过100μm。缓慢冷却无定型聚合物PLA和PLGA，可以得到开放的大孔结构，孔径主要分布在20-170μm之间，孔隙率最高可达90.3％；而快速冷却半结晶聚合物(PLLA)，得到闭合的微孔结构，孔径主要分布在3μm左右。他们通过淬火之前将聚合物溶液在浊点温度以下凝胶化，得到平均孔径在1-30μm、孔隙率最高可达92％的微孔泡沫。另外，添加表面活性剂(聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇)，可使孔径增大至50μm。

2004年，S.Li等提出通过PLLA/DO四氢呋喃(THF)三元体系的相分离过程，制备PLLA多孔泡沫。将PLLA溶于一定量组成不同的DO/THF混合物(50/50，70/30，90/10，v/v)中，并在50℃恒温1h，然后浸入-70℃的干冰/酒精混合物中淬火。将得到的凝胶依次浸入蒸馏水和酒精中，萃取出溶剂，然后在-10℃冷冻干燥，即可得到多孔支架。在三元体系中，DO作为良溶剂，而THF作为不良溶剂，DO和THF的比值决定了溶剂的溶解能力。所得支架的形态和结晶度取决于溶剂的溶解能力，当DO的含量为70％时，支架的孔径最小(在1-3μm范围)且相对结晶度最低；当DO的含量为50％或90％时，平均孔径较大，(在3-10μm范围)。

V.Mapuet等通过热致相分离技术制备了用于骨组织工程的聚(α-羟基乙酸)/生物玻璃多孔泡沫。向PLA或PLGA(75∶25)的碳酸二甲酯溶液中加入一定量的生物玻璃粉末，将混合物浇铸到培养皿中，在液氮中冷冻使其发生固-液相分离，然后真空干燥至恒重。将干燥后的多孔膜旋转放入一个管中，用氯仿缓慢溶解其边缘并将相对的两边粘在一起，即可得到管状多孔泡沫。通过改变聚合物的浓度和浇铸的聚合物溶液的体积，可以调节管的内径和管壁的厚度在1.5-3mm范围。泡沫的孔呈放射状分布，孔的连续性好，并且有两种不同孔径的孔，分别为平均孔径在100μm左右的大孔和平均孔径在10-50μm的微孔。添加生物玻璃可增加泡沫的生物活性，并且可以改变泡沫的降解速率。

H.D.Kim等利用热致相分离技术制备了PLLA多孔支架，并研究了添加剂聚乙二醇(PEG)对支架性质的影响。将PLLA溶于DO/水混合物中(87:13，w/w)，加入PEG或PEG-PLLA二元共聚物，经过凝胶化、淬火、冷冻干燥等步骤得到PLLA支架。添加PEG-PLLA可以防止在较长的凝胶化过程中聚合物溶液发生离析和沉淀现象，得到的孔规整且高度相连，孔径很容易控制在50-300μm。将添加了PEG-PLLA的PLLA支架用于培养MC3T3-E1细胞，四周后细胞成功增殖。

R.M.Day等利用热致相分离技术制备管状PLGA泡沫材料并将其用作组织工程支架材料。将PLGA75溶于碳酸二甲酯中形成一定浓度的溶液，通过热致相分离、冷冻干燥等步骤，得到聚合物多孔膜。将膜卷成管状，边缘处用氯仿缓慢溶解并压在一起，得到长20mm，内径约为3mm，管壁厚度约为1.5mm的管状泡沫材料。泡沫内的孔相互连续且呈放射状分布，孔径分布较宽(50-300μm)，孔隙率高达93％。将这种支架植入成年的公鼠体内，表现出良好的生物相容性。

M.C.Tsai等利用热致相分离技术制备具有弹性聚氨酯泡沫材料。首先将聚氨酯溶解在1,4-二恶烷制备5％(w/v)溶液，然后将聚氨酯聚合物溶液浇注到铺有葡萄糖颗粒(100-300μm)的聚四氟乙烯模具，利用冷冻干燥机在-20℃冷冻干燥24h，得到的海绵状聚氨酯泡沫支架。结果表明：该方法制备的支架具有较高的孔隙率。

M.H.Ho等以冷冻萃取和冷冻凝胶技术制备了PLGA、PLA多孔支架。首先将聚合物溶解在不同比例的DO/水体系中形成聚合物溶液，在-20℃预冷冻，其次分别用冷冻萃取和冷冻干燥的方式除去溶剂，制备了壳聚糖-海藻酸钠支架。结果表明：得到的PLA支架孔径为50-100μm，孔隙率在80％以上，而相对于冷冻干燥来说，冷冻萃取极大的缩短了有机溶剂除去的时间，提高了效率。

在我们前期的研究工作中，采用了注塑成型/粒子沥滤技术在无有机溶剂使用的情况下制备了聚己内酯(PCL)组织工程支架，此技术可以实现加工各种复杂形状的三维组织工程支架的目的。但是，采用注塑成型/粒子沥滤技术制备组织工程支架时，常常采取增加成孔剂NaCl颗粒含量的办法来提高支架的孔隙率，当成孔剂含量达到一临界点时，成孔剂/高聚物共混物的流动性将迅速降低，从而增加充模压力，使注塑过程非常困难。原因是NaCl的熔融温度(Tm≈801°C)较高，在高聚物熔融加工温度下其仍以固体颗粒状态存在。因此此方法制备获得的生物支架的孔隙率为70-80％。

为了进一步提高注塑成型制备的支架的孔隙率，在我们的前期研究中分别联合利用注塑成型、超临界流体和粒子沥滤等技术制备了PLA和PCL组织工程支架。超临界流体的使用不仅有效的提高了支架的孔隙率，而且较大的降低了熔体粘度，从而提高了高聚物的可塑性。但是，此技术仍然存在缺点，在加工过程中超临界流体气体发泡所形成的泡孔多为闭孔结构，泡孔之间相互独立，因此，并不能非常有效的提高支架内部泡孔的相互连通性。

从国内外研究现状以及我们前期研究工作的一些发现可以看出，目前，虽然各种各样的制造组织工程支架的技术已经被广泛的应用与发展。但是，至今仍没有一种技术可以制造出完全符合细胞及组织需求的组织工程支架。对于溶液浇铸/粒子沥滤技术来说，可以制备获得具有较高孔隙率的生物支架，但支架内部泡孔相互连通性较差；热致相分离技术可以形成多种多样的微观孔结构,且具有较高的孔隙率，但一般制备获得的微孔孔径较小，同时泡孔相互连通性常常受到限制，影响细胞的进入和增殖；挤出成型技术不能加工复杂形状的三维支架；而注塑成型/粒子沥滤法虽然具有低加工成本性、生产工艺可重复性和产品制件形状设计的灵活性等优点，但在提高支架孔隙率的同时却大大增加了加工难度，因此，同样较难进一步提高支架的孔隙率及连通性；注塑成型/超临界流体技术可以有效的提高支架孔隙率及降低加工难度，但对于某些材料，如结晶性聚合物，这种方法产生的泡沫结构大多是闭孔结构，因此并没有明显的提高支架内部泡孔的连通性。另外，目前制备的各种各样结构的合成高分子材料生物支架多数存在着亲水性和生物相容性差的缺点。

针对现有技术和材料存在的上述不足，本发明的目的是提供一种生物支架材料。该方法制备的三维多孔支架具有较高孔隙率、较大孔径和良好的相互连通性，有利于细胞的进入、增殖及营养液和新陈代谢物的输送和排出。该支架的孔径可调且可形成具有多级孔结构的泡孔形态。另外，采用天然壳聚糖对制备获得的生物支架进行表面涂层改性，较大的提高支架的亲水性能，有利于细胞的种植和生长。本发明的另一个目的是提供一种所述的生物支架材料的制备方法，该制备方法具有低加工成本性、生产工艺可重复性和产品制件形状设计的灵活性等优点，使其成为一种理想的加工制造三维多孔生物支架的方法。

技术实现要素：

针对现有技术和材料存在的上述不足，本发明的目的是提供一种生物支架材料。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种高孔隙率高连通性生物支架制备方法，包括以下步骤：

步骤一)成孔剂预成型体的制备：将成孔剂放入金属模具内，采用热压机压制出预成型体。

步骤二)高分子浇注溶液配制：将生物可降解高分子材料溶于有机溶剂，配制出高分子浇注溶液。

步骤三)真空辅助浇注：分别在预成型体的上下铺设脱模布，再在上脱模布的上方铺设导流网，将预成型体、脱模布和导流网放入真空袋内，密封真空袋；所述密封袋上有两个橡胶软管进出口，一个橡胶软管进出口连接真空泵，另一个橡胶软管进出口连接高分子浇注溶液；由于真空袋内外的压力差，使高分子溶液流入真空袋，预成型体完全被浸润后，将高分子溶液进口封堵。

步骤四)冷冻萃取：将浇注后的预成型体放入液氮浴10min,再浸入乙醇溶液继续在低温下存放5-6天，萃取有机溶剂。

步骤五)干燥和沥滤：将冷冻萃取后的预成型体放入冷冻干燥机干燥5-6天除去乙醇溶液，然后将预成型体切碎放入循环流动的去离子水池中沥滤除掉成孔剂，去离子水每6h更换一次，真空干燥后，得到高分子支架。

步骤六)支架表面涂层改性：将壳聚糖粉末溶于稀醋酸溶液振荡，获得壳聚糖溶液。将高分子支架放入壳聚糖溶液反复浸泡，使壳聚糖溶液完全浸入样品内部，最后取出样品在真空干燥箱内干燥，即获得成品。

进一步的改进，所述步骤一)中，成孔剂为NaCl。

进一步的改进，所述NaCl的粒径为150-212um。

进一步的改进，所述金属模具的尺寸为15cm×10cm×5cm。

进一步的改进，所述生物可降解分子材料为PLA，PCL或聚氨酯。

进一步的改进，所述稀醋酸的质量分数为1％。

进一步的改进，所述步骤六)中，在壳聚糖溶液中反复浸泡的步骤为：将浸泡在壳聚糖溶液中的样品放入真空干燥箱10min，压力保持在0.8atm，随后打开真空干燥箱取出样品放置几分钟，再次放入真空干燥箱进行抽真空，压力保持在0.8atm；将以上步骤重复2-3次。

进一步的改进，将高分子支架在壳聚糖溶液中浸泡3次。

与现有技术相比，本发明的优点有：

(1)本方法综合采用真空辅助传递模塑、热致相分离、冷冻萃取和粒子沥滤技术制备生物支架，与单一的制备方法相比，集中了多种方法的优点。

(2)本方法制备的生物支架孔隙率在87％以上，孔径可控，形成了3-D网状结构，使内部泡孔具有良好的连通性，有利于细胞的进入、增殖及营养液和新陈代谢物的输送和排出。

(3)采用天然高分子材料壳聚糖进行表面涂层改性，较大的提高生物支架的亲水性和生物相容性。

(4)真空辅助传递模塑技术具有设备简单、操作过程简单、低加工成本性、生产工艺可重复性和产品制件形状设计的灵活性等优点。

附图说明

图1为实施例1的不同NaCl颗粒和PLA溶液浓度下PLA支架SEM图；

图2为实施例1的PLA支架骨架的SEM放大图；

图3为实施例1的PLA和壳聚糖-涂层PLA支架的亲水角；

图4为实施例2的不同NaCl颗粒和PCL溶液浓度下PCL支架SEM图。

具体实施方式：

以下通过实施例详细说明或描述本发明，而不是对本发明进行限制。

实施例1：

一种基于PLA生物支架的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)分别称量3.2、3.6、4g PLA溶于20ml三氯甲烷中，震荡6h，获得16,18,20％(w/v)的PLA均匀溶液。

(2)采用标准筛把NaCl颗粒筛分为150-212，212-300，300-425μm级别。

(3)分别称量40g上述步骤2经过筛选的尺寸范围内的NaCl颗粒，置于15cm×10cm×5cm金属模具内，采用热压机在16kPa压力下压制10min，制备获得结构密实的成孔剂预成型体。

(4)首先将步骤3中制备的成孔剂预成型体放于平整的操作台上，其次在预成型体的上下铺设脱模布，并且将导流网放于上脱模布之上，最后采用真空袋把上述预成型体区域密封。在密封区域内留有两个橡胶软管进出口，一端连接真空泵，一端连接步骤1中制备获得的不同浓度的PLA溶液。在PLA溶液浇注之前，打开真空泵抽气10min,使真空袋密封区域内空气完全被抽出，形成真空状态。打开连接PLA溶液的橡胶软管，在压力差的驱动下PLA溶液缓慢流入真空袋，浸润成孔剂预成型体，当PLA溶液完全浸润预成型体后，继续维持真空状态30min后，用夹子将PLA溶液进口的橡胶软管封堵。

(5)将PLA/NaCl混合物放置于液氮浴冷冻10min,随后加入大量的乙醇溶液继续在-20℃低温冰箱存放5-6天，萃取三氯甲烷溶剂。

(6)将步骤5获得的PLA/NaCl复合物放入冷冻干燥机5-6天除去剩余的乙醇溶液，然后取出，将其切成1cm×1cm的样品放入循环流动的去离子水池中沥滤48h除掉成孔剂，去离子水每6h更换一次。最后将获得的PLA支架真空干燥待用。

(7)分别称取0.3、0.4、0.5g壳聚糖粉末放入20mL 1％稀醋酸溶液在40℃振荡8h,获得浓度为1.5,2,2.5％(w/v)均一的壳聚糖溶液。

(8)将步骤6中制备的PLA支架放入壳聚糖溶液，并且放入真空干燥箱10min，压力保持在0.8atm，随后打开真空干燥箱取出样品并放置5min，再放入真空干燥箱维持压力0.8atm，反复进行3次，使壳聚糖溶液完全浸入样品内部，取出样品在真空干燥箱内干燥12h。上述操作反复进行2或3次分别获得涂层1,2，3次的壳聚糖-涂层PLA支架。

表1为实施例1中所得PLA支架的孔隙率，从表中可以看出所有样品都具有较高的孔隙率(大于91％)。

表1PLA支架孔隙率

图1为不同NaCl颗粒和PLA溶液浓度下制备获得的PLA支架SEM图[NaCl颗粒：150-212μm(a),212-300μm(b),300-425μm(c)；PLA溶液浓度：16％(d),18％(e),20％(f)]。从图中可以看出，所有支架内部形成了由PLA骨架连接而成的三维网状结构，泡孔尺寸在150-425μm，且泡孔之间是完全相互连通的。

图2为PLA支架的骨架SEM放大图，其中a为放大200倍图，b为放大1000倍图，从图中可以看出，骨架内形成了10μm左右的微孔结构，这是由热致相分离过程所形成的。因此，PLA支架同时具有多级微孔尺寸的结构形态。

图3为PLA和壳聚糖-涂层PLA支架的亲水角，从图中可以看出，壳聚糖涂层1,2,3次后，支架亲水角值分别降低为81.5±1.5°,76.5±2.5°和59±3°。结果表明：与PLA支架相比，壳聚糖-涂层PLA支架的亲水性能得到了较大的提高。

实施例2：

一种基于PCL生物支架的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)分别称量4.8、5.6、6.4g PCL溶于20ml三氯甲烷中，震荡6h，获得24,28,32％(w/v)的PCL均匀溶液。

(2)采用标准筛把NaCl颗粒筛分为150-300，300-450，450-600μm级别。

(3)分别称量40g上述步骤2经过筛选的尺寸范围内的NaCl颗粒，置于15cm×10cm×5cm金属模具内，采用热压机在16kPa压力下压制10min，制备获得结构密实的成孔剂预成型体。

(4)首先将步骤3中制备的成孔剂预成型体放于平整的操作台上，其次在预成型体的上下铺设脱模布，并且将导流网放于上脱模布之上，最后采用真空袋把上述预成型体区域密封。在密封区域内留有两个橡胶软管进出口，一端连接真空泵，一端连接步骤1中制备获得的不同浓度的PCL溶液。在PCL溶液浇注之前，打开真空泵抽气10min,使真空袋密封区域内空气完全被抽出，形成真空状态。打开连接PCL溶液的橡胶软管，在压力差的驱动下PCL溶液缓慢流入真空袋，浸润成孔剂预成型体，当PCL溶液完全浸润预成型体后，继续维持真空状态30min后，用夹子将PCL溶液进口的橡胶软管封堵。

(5)将PCL/NaCl混合物放置于液氮浴冷冻10min,随后加入大量的乙醇溶液继续在-20℃低温冰箱存放5-6天，萃取三氯甲烷溶剂。

(6)将步骤5获得的PCL/NaCl复合物放入冷冻干燥机5-6天除去剩余的乙醇溶液，然后取出，将其切成1cm×1cm的样品放入循环流动的去离子水池中沥滤48h除掉成孔剂，去离子水每6h更换一次。最后将获得的PCL支架真空干燥待用。

(7)分别称取0.3、0.4、0.5g壳聚糖粉末放入20mL 1％稀醋酸溶液在40℃振荡8h,获得浓度为1.5,2,2.5％(w/v)均一的壳聚糖溶液。

(8)将步骤6中制备的PCL支架放入壳聚糖溶液，并且放入真空干燥箱10min，压力保持在0.8atm，随后打开真空干燥箱取出样品并放置5min，再放入真空干燥箱维持压力0.8atm，反复进行3次，使壳聚糖溶液完全浸入样品内部，取出样品在真空干燥箱内干燥12h。上述操作反复进行2或3次分别获得壳聚糖涂层1,2，3次的壳聚糖-涂层PLA支架。

表2为实施例2中所得PCL支架的孔隙率，从表中可以看出所有样品都具有较高的孔隙率(大于87％)。

表2PCL支架孔隙率

图4为不同NaCl颗粒和PCL溶液浓度下PCL支架SEM图[NaCl颗粒：150-300μm(a),300-450μm(b),450-600μm(c)；PCL溶液浓度：24％(d),28％(e),32％(f)]。从图中可以看出，所有支架中形成了由PCL骨架连接而成的三维网状结构，且泡孔之间是完全相互连通的。