利用超临界流体技术一步制备双模式孔结构骨组织工程支架的方法与流程

本发明涉及一种基于超临界流体技术制备双模式孔结构骨组织工程支架的方法。

背景技术：

组织工程支架是组织工程的三要素之一，为了满足细胞的黏附、增殖和分化，有利于营养物质的传输和代谢产物的排出，组织工程支架需要具有双模式的孔径分布、较高的孔隙率和合适的机械强度(The Journal of Supercritical Fluids，2012,69：97-107)。具有双模式孔结构的骨组织工程支架，其中用于骨细胞的增殖、生长和分化的大孔孔径应大于100μm，而用于营养物质传递的小孔孔径应在1～50μm之间(Biotechnology and Bioengineering，2011，108：963-976；Biomaterials，2005，26：5474-91)。为了制备得到满足要求的具有双模式孔结构的骨组织工程支架，选择合适的制备方法就变得非常重要。

支架的制备方法主要有溶剂浇铸/颗粒沥滤法、相分离法、3D打印、熔融浇铸/颗粒沥滤等(Current Opinion in Solid State and Materials Science，2004,8:313-321)。虽然这些方法能制备出连通孔隙率高且孔径较大的支架，但是却需要使用大量的有机溶剂或者在高温下操作，不利于组织工程中生物因子的负载。超临界流体发泡法，特别是超临界二氧化碳发泡法，因其能够避免有机溶剂的使用和高温，受到了越来越多的关注。超临界二氧化碳发泡法由于超临界二氧化碳对聚合物的塑化作用，聚合物的玻璃化转变温度和熔融温度下降，从而可大大降低聚合物的发泡温度，使得超临界二氧化碳发泡可以在较低的温度进行。超临界二氧化碳发泡过程包括二氧化碳扩散溶解进入聚合物基质内部、超临界二氧化碳对聚合物的塑化作用降低聚合物的玻璃化转变温度和熔融温度、泄压时二氧化碳的过饱和致使大量气核产生并生长，最终聚合物固化得到具有多孔结构的材料(Biomaterials，1996，17：1417-1422)。

在发泡过程中加入成核剂，可以有效强化发泡过程的成核行为，形成更多的气核，在不同的泄压速率下，气核生长形成多种模式的孔结构。使用超临界流体发泡法制备具有小孔尺寸(1～10μm)和高密度泡孔(10⁹～10¹²cells/cm³)的微孔发泡材料过程中，就涉及到成核剂的使用。硬脂酸钙、滑石、硬脂酸锌、苯甲酸钠、硬脂酸、硅酸镁和橡胶颗粒等均可用作超临界流体发泡过程中的成核剂(Journal of Applied Polymer Science，2008,108：3997-4003)。

将成核剂用于制备组织工程支架还需要满足一定的要求，或易于除去，或成核剂的存在对细胞的黏附、生长和分化无抑制作用，如能有一定的促进作用则更好。例如二氧化钛可作为超临界流体法制备组织工程支架的成核剂，它不仅能够增强成骨细胞的黏附，还可以诱导在活组织内的细胞生长(ACS Applied Materials&Interfaces，2014，6：16918-16931)；羟基磷灰石具有很好的生物相容性，能为新骨的沉积提供基质，具有一定骨传导性(Biotechnology and Bioengineering，2015,112：801-810)；磷酸三钙具有很好的生物相容性和可降解性，同时用硅稳定的磷酸三钙可以增加骨的传导性(Journal of Biomedical Materials Research Part A，2008，85:301-312)。如能将生物相容性的亚微米或纳米微粒作为成核剂用于超临界二氧化碳发泡过程，则有利于泄压时大量气核的产生和孔的合并、破裂，易于形成具有双模式多孔结构的组织工程支架。在超临界二氧化碳发泡过程中，发泡温度、压力、平衡时间和泄压速率都会对支架的孔结构有不同程度的影响，因此通过调节上述操作参数，制备得到具有不同孔结构的组织工程支架，具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于超临界流体技术制备双模式孔结构的骨组织工程支架的方法。

一种基于超临界流体技术制备双模式孔结构骨组织工程支架的方法，包括如下步骤：

1)将原料聚合物溶解在有机溶液中，然后加入到乳化剂的水溶液中，高速搅拌1～3分钟，形成乳化的溶液，在30℃下挥发，离心收集聚合物微球；

2)聚合物微球与成核剂进行混合，取混合物压片，得到圆柱体薄片；

3)将圆柱体薄片放入超临界流体发泡系统的高压釜内，向高压釜中通入二氧化碳，在温度35～70℃、压力6～20MPa和平衡时间大于30分钟的条件下，二氧化碳扩散溶解进入聚合物中；以0.1～20MPa/min的泄压速率进行泄压，随着二氧化碳从聚合物中扩散出来，得到具有双模式孔结构的骨组织工程支架；

所述超临界流体发泡系统包括CO₂钢瓶、手动阀、单向阀、热交换器、流量计、高压泵、冷却浴、热交换器、压力表、可控电加热夹套、高压釜和泄压阀；CO₂钢瓶与手动阀、单向阀、热交换器的管程、流量计、高压泵、热交换器、高压釜、泄压阀顺次相连，热交换器的壳程、冷却浴、高压泵构成冷却回路，高压釜周围设有可控电加热夹套，高压釜与压力表相连。

优选的，所述的聚合物为聚乳酸、聚乙醇酸和乳酸-乙醇酸共聚物。

优选的，所述的有机溶剂为二氯甲烷或三氯甲烷；乳化剂为聚乙烯醇；乳化剂水溶液浓度为0.5％～2％(w/w)，体积用量为有机溶剂的10～50倍。

优选的，所述的成核剂用量为聚合物的1％～20％。

优选的，所述的成核剂为亚微米级或纳米级颗粒，所述的亚微米级或纳米级颗粒为羟基磷灰石、钛硅分子筛或二氧化钛中的一种或多种。

本发明利用超临界二氧化碳技术，可以采用多种成核剂制备具有双模式孔结构的骨组织工程支架，以解决现有骨组织工程支架制备方法涉及高温或有机溶剂的问题。选用的成核剂不仅在发泡过程中具有成核的能力，而且具有很好的生物相容性及生物活性，有利于细胞在组织工程支架上的黏附、增殖和分化，且在发泡后不必除去。因此，与传统的颗粒沥滤法相比，在超临界CO₂发泡过程中添加成核剂不仅操作更简单、操作条件温和，一步制备得到具有双模式孔径分布的支架，而且若选择生物活性物质作为成核剂可以有效增强支架的功能，使支架具有很好的生物活性。

附图说明

图1为超临界流体发泡系统结构示意图；

图2为实施例1中14MPa/min的泄压速率下所制备的骨组织工程支架的电子扫描显微镜照片；

图3为实施例1中1MPa/min的泄压速率下所制备的骨组织工程支架的电子扫描显微镜照片。

具体实施方式

一种基于超临界流体技术制备双模式孔结构骨组织工程支架的方法，包括如下步骤：

1)将原料聚合物溶解在有机溶液中，然后加入到乳化剂的水溶液中，高速搅拌1～3分钟，形成乳化的溶液，在30℃下挥发，离心收集聚合物微球；

2)聚合物微球与成核剂进行混合，取混合物压片，得到圆柱体薄片；

3)将圆柱体薄片放入超临界流体发泡系统的高压釜内，向高压釜中通入二氧化碳，在温度35～70℃、压力6～20MPa和平衡时间大于30分钟的条件下，二氧化碳扩散溶解进入聚合物中；以0.1～20MPa/min的泄压速率进行泄压，随着二氧化碳从聚合物中扩散出来，得到具有双模式孔结构的骨组织工程支架；

如图1所述，所述超临界流体发泡系统包括CO₂钢瓶1、手动阀2、单向阀3、热交换器4、流量计5、高压泵6、冷却浴7、热交换器8、压力表9、可控电加热夹套10、高压釜11和泄压阀12；CO₂钢瓶1与手动阀2、单向阀3、热交换器4的管程、流量计5、高压泵6、热交换器8、高压釜11、泄压阀12顺次相连，热交换器4的壳程、冷却浴7、高压泵6构成冷却回路，高压釜11周围设有可控电加热夹套10，高压釜11与压力表9相连。

优选的，所述的聚合物为聚乳酸、聚乙醇酸和乳酸-乙醇酸共聚物。

优选的，所述的有机溶剂为二氯甲烷或三氯甲烷；乳化剂为聚乙烯醇；乳化剂水溶液浓度为0.5％～2％(w/w)，体积用量为有机溶剂的10～50倍。

优选的，所述的成核剂用量为聚合物的1％～20％。

优选的，所述的成核剂为亚微米级或纳米级颗粒，所述的亚微米级或纳米级颗粒为羟基磷灰石、钛硅分子筛或二氧化钛中的一种或多种。

实施例1：以二氧化钛为成核剂制备双模式孔结构PLGA骨组织工程支架

首先将乳酸-乙醇酸共聚物(乳酸：乙醇酸＝85:15，Mw＝140K)溶解于二氯甲烷得到质量体积比10％的乳酸-乙醇酸共聚物溶液，所得溶液加入到1％的聚乙烯醇的水溶液中，高速搅拌形成乳化的溶液，挥发出二氯甲烷，离心得到乳酸-乙醇酸共聚物微球。以乳酸-乙醇酸共聚物：二氧化钛＝95:5的质量比例，混合后压片，将得到的圆柱形薄片放入高压釜中，通入CO₂，将高压釜的温度设置在45℃、压力设置在9MPa。2小时后，以一定的泄压速率泄压，得到具有双模式多孔结构的骨组织工程支架。泄压速率为14MPa/min时制备得到的双模式孔结构的组织工程支架截面的电镜图如图2所示。从图中可以看出，虽然由于泄压速率较快，制备得到的支架孔径较小，均小于100μm，但是在30～40μm的孔内部出现了10μm的小孔，形成了具有较好连通性的孔结构。泄压速率为1MPa/min时制备得到的具有双模式孔结构的组织工程支架截面的电镜图如图3所示。从图中可以看出，平均孔径为38μm的小孔出现在孔径大于100μm的大孔内部，形成具有较好连通性的孔结构，完全符合骨组织工程支架对孔径的要求，可用作骨组织工程支架。

实施例2：以钛硅分子筛为成核剂制备双模式孔结构PLGA骨组织工程支架

首先将乳酸-乙醇酸共聚物(乳酸：乙醇酸＝85:15，Mw＝140K)溶解于二氯甲烷中得到质量体积比10％的乳酸-乙醇酸共聚物溶液，所得溶液加入到1％的聚乙烯醇的水溶液中，高速搅拌形成乳化的溶液，挥发出二氯甲烷，离心得到乳酸-乙醇酸共聚物微球。以乳酸-乙醇酸共聚物：钛硅分子筛＝95:5的质量比例，混合后压片，将得到的圆柱形薄片放入高压釜中，通入CO₂，将高压釜的温度设置在35℃、压力设置在9MPa。2小时后，以1MPa/min的泄压速率泄压，得到具有双模式多孔结构的组织工程支架。

实施例3：以羟基磷灰石为成核剂制备双模式多孔结构PLGA骨组织工程支架

首先将乳酸-乙醇酸共聚物(乳酸：乙醇酸＝85:15，Mw＝140K)溶解于二氯甲烷中得到质量体积比10％的乳酸-乙醇酸共聚物溶液，所得溶液加入到1％的聚乙烯醇的水溶液中，高速搅拌形成乳化的溶液，挥发出二氯甲烷，离心得到乳酸-乙醇酸共聚物微球。以乳酸-乙醇酸共聚物：羟基磷灰石＝95:5的质量比例，混合后压片，将得到的圆柱形薄片放入高压釜中，通入CO₂，将高压釜的温度设置在55℃、压力设置在9MPa。2小时后，以0.1MPa/min泄压速率泄压，得到具有双模式多孔结构的组织工程支架。支架的孔隙率为75.6％，压缩模量为18.15±5.16MPa，可以满足软骨和硬骨的要求。

实施例4：以羟基磷灰石与钛硅分子筛为成核剂制备双模式孔结构PLGA骨组织工程支架

首先将乳酸-乙醇酸共聚物(乳酸：乙醇酸＝85:15，Mw＝140K)溶解于二氯甲烷中得到质量体积比10％的乳酸-乙醇酸共聚物溶液，所得溶液加入到1％的聚乙烯醇的水溶液中，高速搅拌形成乳化的溶液，挥发出二氯甲烷，离心得到乳酸-乙醇酸共聚物微球。以乳酸-乙醇酸共聚物：(羟基磷灰石：钛硅分子筛＝1:1)＝95:5的质量比例，混合后压片，将得到的圆柱形薄片放入高压釜中，通入CO₂，将高压釜的温度设置在55℃、压力设置在15MPa。2小时后，以3MPa/min的泄压速率泄压，得到具有双模式孔结构的骨组织工程支架。