專(zhuān)利名稱(chēng)：三維多孔組織工程支架材料、其纖維粘結(jié)法制備及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬組織工程支架材料及制備領(lǐng)域，特別涉及一種三維多孔組織工程支架材料、 其纖維粘結(jié)法制備及應(yīng)用。
技術(shù)背景日常生活中，人體組織和器官的缺失或功能衰竭非常常見(jiàn)，對(duì)人們健康和生命構(gòu)成了 嚴(yán)重的威脅。長(zhǎng)久以來(lái)人類(lèi)不斷地探索和研究利用材料和生物技術(shù)改善自身健康水平。傳 統(tǒng)的治療方法包括組織和器官移植、外科重建、藥物治療、采用人造代用品和機(jī)械裝置治 療等，但是這幾種方法均有其明顯的不足。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著細(xì)胞生物學(xué)、分子 生物學(xué)、材料科學(xué)及相關(guān)物理化學(xué)學(xué)科的發(fā)展，組織工程作為一種嶄新的治療手段被提出， 并逐漸成為一種非常有希望的器官再造和組織再生的醫(yī)療手段。其基本原理是LangerR, Vacanti J P. Tissue Engineering. Science, 1993， 260(5110): 920，將體外培養(yǎng)的組織細(xì)胞吸附 擴(kuò)增于一種生物相容性良好并可被人體逐步降解吸收的生物材料上，形成細(xì)胞一生物材料 復(fù)合物。該生物材料為細(xì)胞提供一個(gè)生存的三維空間，有利于細(xì)胞獲取足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)， 進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換，并能排除廢物，使細(xì)胞能在按照預(yù)制設(shè)計(jì)的三維形狀支架上生長(zhǎng)。然 后將此細(xì)胞一生物材料復(fù)合體植入機(jī)體組織的病損部位。種植的細(xì)胞在生物支架逐步降解 吸收過(guò)程中，繼續(xù)增殖并分泌基質(zhì)，形成新的具有與自身功能和形態(tài)相應(yīng)的組織和器官。 這種具有生命力的活體組織能對(duì)病損組織進(jìn)行形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的重建并達(dá)到永久性替 代。因此在組織工程支架材料的研究中，重點(diǎn)在生物可降解材料的選用和多孔支架的制 備。在生物可降解材料的選用中，脂肪族聚酯是最有發(fā)展前景的一種。目前，已商品化的 脂肪族聚酯主要有聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚己內(nèi)酯(PCL)和聚羥基烷酸酯(PHAs)， 但因其價(jià)格高、力學(xué)性能差、加工性能差或者臨床應(yīng)用上的一些缺點(diǎn)限制了它們的使用范 圍。至今還沒(méi)有一個(gè)單一的生物材料可以滿(mǎn)足組織工程對(duì)支架材料的所有需求，這就要綜 合現(xiàn)有生物材料的優(yōu)點(diǎn)，將其有機(jī)地融合在一起，才能制備出具有生物相容性、有足夠的 空間和性能支持、引導(dǎo)并組織細(xì)胞成長(zhǎng)，能支持組織內(nèi)生長(zhǎng)和保證體內(nèi)降解產(chǎn)物無(wú)毒等性 能的組織工程支架。目前國(guó)內(nèi)外用于制備多孔支架材料的方法主要有溶劑澆鑄/粒子瀝濾 法、纖維粘結(jié)法、氣體發(fā)泡法、相分離/乳化法、冷凍千燥法等。組織工程出現(xiàn)至今，已有大量的支架材料用于修復(fù)骨、軟骨、皮膚、肌腱、 神經(jīng)、血管、肝臟、胰腺等各種組織和器官。其中以骨和軟骨的研究最多，以皮膚的研究最成功。Goh等制備了孔徑160 700pm、孔隙率48 77%的類(lèi)似蜂 巢狀的PCL多孔材料，負(fù)載不同劑量藥物的PCL支架材料植入兔子下皮細(xì)胞， 2 4周后即可長(zhǎng)出大量的軟骨細(xì)胞，6周后形成了初步的軟骨組織Goh JCH, Shao XX, Hutmacher DW, et al. Tissue engineering approach toosteochondral repair and regeneration. Journal of Mechanics in Medicine a-nd Biology, 2004, 4(4): 463-483。劉華國(guó)等 采用冷凍干燥/粒子瀝濾復(fù)合法制備聚己內(nèi)酯(PCL)多孔支架，研究結(jié)果表明，復(fù)合法制 備的PCL支架具有孔隙率高(86X)，孔隙結(jié)構(gòu)均勻、孔隙連通性好、孔徑可控等特點(diǎn)，支 架結(jié)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)整預(yù)冷凍溫度和造孔劑粒徑進(jìn)行控制劉華國(guó),王迎軍等.冷凍干燥/粒子 瀝濾復(fù)合法制備聚己內(nèi)酯組織工程支架.材料導(dǎo)報(bào)，2007，21(2):125-131。S,J. Shieh等人用 蔗糖制備形狀模板，采用溶劑澆鑄/粒子瀝濾法制得耳狀PCL和PHB材料的軟骨組織工程載 體材料，并研究了其在裸鼠體內(nèi)的生物特性Shy-Jou Shieh, Schinichi Terada, Joseph P. Vacanti. Tissue engineering auricular reconstruction: in vitro and in vivo studies. Biomaterials, 2004,(25): 1545-1557。K.Fujihara等人利用PCL/CaC03以75 : 25、 25 : 75 (w/w)的比例 進(jìn)行共混靜電紡絲并種植造骨細(xì)胞，MTS分析發(fā)現(xiàn)以75 : 25比例紡絲形成的納米纖維膜 的吸光度與常規(guī)培養(yǎng)板相同，表明具有良好的粘附和增殖效果K.Fujiharaa, M. Kotakib, S.Ramakrishna. Guided bone regeneration membrane made of polycaprolactone /calcium carbonate composite nano- fibers. Biomaterials, 2005, (26): 4139-4147。Teoh等人采用PCL或 PCL/HA長(zhǎng)絲纖維，通過(guò)一種快速成型技術(shù)一熔融沉積法(FDM)制備三維多孔組織工程 載體材料，用于骨和軟骨組織工程Teoh, Swee Hin, Hutmacher, et al. Methods for fabricating a filament for use in tissue engineering. USP-6,730，252. May 4， 2004.。在國(guó)內(nèi)專(zhuān)利中，有采用聚己內(nèi)酯、殼聚糖和羥基磷灰石復(fù)合原料來(lái)制備性 能優(yōu)良的支架材料，這種方法適用于臨床上各種骨缺陷修復(fù)劉榕芳等.聚己內(nèi) 酯一殼聚糖網(wǎng)絡(luò)羥基磷灰石復(fù)合多孔支架材料的制備方法(CN 101015712A)。也有采用 甲殼素纖維與聚己內(nèi)酯通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)和平板硫化機(jī)模壓成型制備人工胸 壁材料孫康等.生物可降解聚己內(nèi)酯人工胸壁材料及其制備方法(CN 1593674A)。采用 蠟球致孔劑法與熱致相分離法結(jié)合制備組織工程用聚合物多孔支架的方法，可適用于包括 聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚氨酯、聚酸酐、膠原等聚合物，及這些聚合物的混合物和它們之間 的共聚物高長(zhǎng)有等.蠟球致孔劑與熱致相分離結(jié)合制備聚合物多孔支架的方法(CN 1226336C)。目前，組織工程支架材料現(xiàn)有制備技術(shù)的缺陷主要存在于在選用生物材料 方面，天然高分子如膠原、殼聚糖等的力學(xué)強(qiáng)度、降解速度等較難控制，且大規(guī)模生產(chǎn)受到限制；而合成高分子如PGA和PLA等在制品的宏觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和降解周期方面都 易于控制，但在長(zhǎng)期植入體內(nèi)過(guò)程中會(huì)有缺陷產(chǎn)生，包括細(xì)菌感染、抗原性、材料供給不 足以及退化等。至今還沒(méi)有一個(gè)單一的生物材料可以滿(mǎn)足組織工程對(duì)支架材料的所有需 求，于是綜合現(xiàn)有的可用作組織支架的生物材料的優(yōu)點(diǎn)，將其有機(jī)地融合在一起制備理想 的組織工程支架材料成為研究重點(diǎn)。在傳統(tǒng)的制備方法中冷凍干燥法制得的載體孔徑偏 小，且在支架的制備中使用了有機(jī)溶劑，可能對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生一定的影響；溶劑澆鑄/粒子瀝 濾法制得的載體材料不能滿(mǎn)足高孔隙率的要求，且許多方法在制備過(guò)程需要有機(jī)溶劑的參 與；熱致相分離技術(shù)對(duì)加工條件極為敏感，支架材料形態(tài)的精確控制也較難，而溶劑殘留 同樣存在隱患。氣體發(fā)泡技術(shù)和靜電紡絲法都不能精確控制孔的尺寸和孔隙率的大小，且 后者較難制備出一定厚度的支架；而新發(fā)展的方法如三維打印技術(shù)等，主要依賴(lài)于計(jì)算機(jī) 技術(shù)的支持。聚己內(nèi)酯PCL經(jīng)證實(shí)具有良好的生物相容性，它能和多種聚合物進(jìn)行共混 或共聚制備復(fù)合材料。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是上世紀(jì)90年代初開(kāi)發(fā)的一類(lèi)脂肪族聚 酯，具有成本低、力學(xué)性能好、加工性能優(yōu)異、良好的生物相容性和生物可吸收性等優(yōu)點(diǎn)， 在組織工程支架材料的應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外尚未有專(zhuān)利報(bào)道采用聚丁二酸丁二醇酯/聚己內(nèi)酯共混材料通過(guò)纖維粘結(jié) 法來(lái)制備組織工程三維多孔支架材料。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種三維多孔組織工程支架材料、其纖維粘結(jié)法制備及應(yīng)用， 本發(fā)明綜合了現(xiàn)有生物材料的優(yōu)點(diǎn)，克服了單一材料性能方面的不足，制備的組織工程支 架材料具有良好生物相容性、足夠力學(xué)性能支持、降解速率可調(diào)等性能，可作為骨或軟骨組織缺損修復(fù)材料和體外組織培養(yǎng)用細(xì)胞支架材料，可滿(mǎn)足新一代生物材料發(fā)展的需要。 本發(fā)明的三維多孔組織工程支架材料，包括聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚己內(nèi)酯(PCL)， 其重量配比為聚丁二酸丁二醇酯90 10份，聚己內(nèi)酯10 90份。所述的聚丁二酸丁二醇酯分子量范圍為4 20萬(wàn)，熔點(diǎn)為110 120°C;聚己內(nèi)酯的分 子量范圍為1 20萬(wàn)，熔點(diǎn)為55 65'C。所述的組織工程支架材料的孔結(jié)構(gòu)均勻，各孔間貫通程度在90%~100%，孔隙率在70 91%間變化，孔徑為70 400pm。本發(fā)明的三維多孔組織工程支架材料的制備方法，是通過(guò)采用纖維粘結(jié)法來(lái)制備，具體包括以下步驟(1) 聚丁二酸丁二醇酯和聚己內(nèi)酯共混，其重量配比為聚丁二酸丁二醇酯90 10份，聚己內(nèi)酯10 90份，經(jīng)熔融紡絲制得直徑為50 40CHmi的纖維，熔融紡絲溫度為130 1卯。C,共混時(shí)間為3 5分鐘，紡絲過(guò)程不使用任何有機(jī)溶劑；(2) 將聚丁二酸丁二醇酯/聚己內(nèi)酯共混纖維裁剪成長(zhǎng)度為1 10mm，填充到特定形狀的 模具中，填充質(zhì)量以孔隙率為60% 95%來(lái)計(jì)算，纖維排列成均勻結(jié)構(gòu)；(3) 將模具置于真空烘箱中恒溫保持5分鐘 1小時(shí)，烘箱溫度為50 9(TC，冷卻至環(huán) 境溫度后脫模，真空干燥20-28小時(shí)，得三維多孔支架材料；(4) 將三維多孔支架材料滅菌、包裝。所述步驟(3)中的恒溫是單點(diǎn)溫度控制在±0.5°0范圍內(nèi)。本發(fā)明的三維多孔組織工程支架材料的應(yīng)用，是作為骨或軟骨組織工程細(xì)胞支架，用 于骨或軟骨組織器官的修復(fù)與重建，且由模具制成特定形狀。本方法中調(diào)節(jié)纖維的直徑，可以控制多孔支架材料的孔徑大小為70 400pm，符合細(xì) 胞生長(zhǎng)和組織再生的需求。纖維裁剪后長(zhǎng)度為1 10mm，可以保證纖維熔結(jié)后具有良好的 三維貫通孔結(jié)構(gòu)，貫通程度在90%以上。烘箱溫度在50 9(TC范圍內(nèi)，維持一定時(shí)間使模 具內(nèi)外熱傳導(dǎo)均勻，纖維在交叉點(diǎn)均勻粘接成網(wǎng)，形成三維多孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果(1) 改變共混物的配比、紡制不同直徑的共混纖維、以及改變纖維粘結(jié)條件可以調(diào)節(jié)支 架的微孔尺寸、空隙率以及生物降解速率；(2) 所得的三維多孔組織工程支架材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)均勻，各孔間相互貫通，支架體系結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定，制備工藝簡(jiǎn)單，可以用作骨或軟骨組織工程細(xì)胞支架，采用特定模具可制成特定 形狀的支架。


圖1是采用纖維粘結(jié)法制備的聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己內(nèi)酯PCL三維多孔組織工程支架材料的掃描電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不 用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的 范圍。實(shí)施例1將分子量為4萬(wàn)，熔點(diǎn)為115'C的高聚物PBS，以及分子量為8萬(wàn)，熔點(diǎn)為63t:的高 聚物PCL，在13(TC條件下熔融紡絲得平均直徑為30(Vm的纖維，裁剪為等長(zhǎng)8.0mm后， 填充到特定形狀模具中，填充質(zhì)量以孔隙率為85%計(jì)算，將真空烘箱溫度設(shè)定為5(TC，模 具密封后置于真空烘箱中恒溫30分鐘后取出，室溫冷卻后脫模，便得到具有特定外形和 良好性能的組織工程載體材料。材料經(jīng)掃描電鏡測(cè)得孔徑為160~400pm，由液體置換法測(cè) 得孔隙率為80%，孔貫通程度達(dá)90%以上，體外降解周期適當(dāng)，力學(xué)性能優(yōu)良。這種材料 可適用于骨組織工程載體材料，用作骨損傷的修復(fù)和重建。實(shí)施例2將分子量為8萬(wàn)，熔點(diǎn)為U5'C的高聚物PBS，以及分子量為10萬(wàn)，熔點(diǎn)為63'C的 高聚物PCL，在14(TC條件下熔融紡絲得平均直徑為10(Vm的纖維，裁剪為等長(zhǎng)10.0mm 后，填充到特定形狀模具中，填充質(zhì)量以孔隙率為85%計(jì)算，將真空烘箱溫度設(shè)定為65°C， 模具密封后置于真空烘箱中恒溫40分鐘后取出，室溫冷卻后脫模，便得到具有特定外形 和良好性能的組織工程載體材料。材料經(jīng)掃描電鏡測(cè)得孔徑為70 20(Htm，由液體置換法 測(cè)得孔隙率為85%，孔貫通程度達(dá)90%以上，體外降解周期適當(dāng)，力學(xué)性能優(yōu)良。這種材 料可適用于骨組織工程載體材料，用作骨損傷的修復(fù)和重建。實(shí)施例3將分子量為10萬(wàn)，熔點(diǎn)為118t:的高聚物PBS，以及分子量為20萬(wàn)，熔點(diǎn)為64'C的 高聚物PCL,在15(TC條件下熔融紡絲得平均直徑為140pm的纖維，裁剪為等長(zhǎng)8.0mm后， 填充到特定形狀模具中，填充質(zhì)量以孔隙率為85%計(jì)算，將真空烘箱溫度設(shè)定為80'C，模 具密封后置于真空烘箱中恒溫20分鐘后取出，室溫冷卻后脫模，便得到具有特定外形和 良好性能的組織工程載體材料。材料經(jīng)掃描電鏡測(cè)得孔徑為100~200|mi，由液體置換法測(cè) 得孔隙率為81%，孔貫通程度達(dá)90%以上，體外降解周期適當(dāng)，力學(xué)性能優(yōu)良。這種材料 可適用于骨組織工程載體材料，用作骨損傷的修復(fù)和重建。實(shí)施例4將分子量為15萬(wàn)，熔點(diǎn)為117'C的高聚物PBS，以及分子量為5萬(wàn)，熔點(diǎn)為62'C的 高聚物PCL，在18(TC條件下熔融紡絲得平均直徑為200pm的纖維，裁剪為等長(zhǎng)5.0mm后， 填充到特定形狀模具中，填充質(zhì)量以孔隙率為85%計(jì)算，將真空烘箱溫度設(shè)定為9(TC，模 具密封后置于真空烘箱中恒溫50分鐘后取出，室溫冷卻后脫模，便得到具有特定外形和 良好性能的組織工程載體材料。材料經(jīng)掃描電鏡測(cè)得孔徑為200 350^im，由液體置換法測(cè)得孔隙率為75%，孔貫通程度達(dá)90%以上，體外降解周期適當(dāng)，力學(xué)性能優(yōu)良。這種材料 可適用于骨組織工程載體材料，用作骨損傷的修復(fù)和重建。實(shí)施例5將分子量為20萬(wàn)，熔點(diǎn)為118。C的高聚物PBS，以及分子量為l萬(wàn)，熔點(diǎn)為6(TC的 高聚物PCL，在190。C條件下熔融紡絲得平均直徑為400nm的纖維，裁剪為等長(zhǎng)l.Omm后， 填充到特定形狀模具中，填充質(zhì)量以孔隙率為85%計(jì)算，將真空烘箱溫度設(shè)定為90。C，模 具密封后置于真空烘箱中恒溫l小時(shí)后取出，室溫冷卻后脫模，便得到具有特定外形和良 好性能的組織工程載體材料。材料經(jīng)掃描電鏡測(cè)得孔徑為70~150pm，由液體置換法測(cè)得 孔隙率為70%，孔貫通程度達(dá)90%以上，體外降解周期適當(dāng)，力學(xué)性能優(yōu)良。這種材料可 適用于骨組織工程載體材料，用作骨損傷的修復(fù)和重建。
權(quán)利要求
1.一種三維多孔組織工程支架材料，其特征在于該材料包括聚丁二酸丁二醇酯PBS和聚己內(nèi)酯PCL，其重量配比為聚丁二酸丁二醇酯90～10份，聚己內(nèi)酯10～90份。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維多孔組織工程支架材料，其特征在于所述的聚丁二酸丁二醇酯分子量范圍為4 20萬(wàn)，熔點(diǎn)為110 12(TC;聚己內(nèi)酯的分子量范圍為1 20萬(wàn)， 熔點(diǎn)為55 65°C。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維多孔組織工程支架材料，其特征在于所述的組織工 程支架材料的孔結(jié)構(gòu)均勻，各孔間貫通程度在90%~100%，孔隙率在70 91%間變化。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維多孔組織工程支架材料，其特征在于所述的組織工程支 架材料孔徑為70 400pm。
5. —種三維多孔組織工程支架材料的制備方法，是通過(guò)采用纖維粘結(jié)法來(lái)制備，具體包 括以下步驟(1) 聚丁二酸丁二醇酯和聚己內(nèi)酯共混，其重量配比為聚丁二酸丁二醇酯90 10份， 聚己內(nèi)酯10 90份，經(jīng)熔融紡絲制得直徑為50 400pm的纖維，熔融紡絲溫度為130 190°C，共混時(shí)間為3 5分鐘，紡絲過(guò)程不使用任何有機(jī)溶劑；(2) 將聚丁二酸丁二醇酯/聚己內(nèi)酯共混纖維裁剪成長(zhǎng)度為1 10mm，填充到模具中，填 充質(zhì)量以孔隙率為60% 95%來(lái)計(jì)算，纖維排列成均勻結(jié)構(gòu)；(3) 將模具置于真空烘箱中恒溫保持5分鐘 1小時(shí)，烘箱溫度為50 9(TC，冷卻至環(huán) 境溫度后脫模，真空干燥20 28小時(shí)，得三維多孔支架材料；(4) 將三維多孔支架材料滅菌、包裝。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的三維多孔組織工程支架材料的制備方法，其特征在于所述步 驟(3)中的恒溫是單點(diǎn)溫度控制在i0.5t;范圍內(nèi)。
7. —種三維多孔組織工程支架材料的應(yīng)用，是作為骨或軟骨組織工程細(xì)胞支架，用于骨 或軟骨組織器官的修復(fù)與重建。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三維多孔組織工程支架材料、其纖維粘結(jié)法制備及應(yīng)用，該材料包括聚丁二酸丁二醇酯和聚己內(nèi)酯，其重量配比為聚丁二酸丁二醇酯90～10份，聚己內(nèi)酯10～90份；制備1)聚丁二酸丁二醇酯和聚己內(nèi)酯共混，經(jīng)熔融紡絲制得纖維；2)將纖維裁剪，填充到模具中，纖維排列成均勻結(jié)構(gòu)；3)將模具置于50～90℃真空烘箱恒溫保持5分鐘～1小時(shí)，冷卻至室溫后脫模，真空干燥，得三維多孔支架材料；4)將三維多孔支架材料滅菌、包裝；應(yīng)用作為骨或軟骨組織工程細(xì)胞支架，用于骨或軟骨組織器官的修復(fù)與重建。本發(fā)明的組織工程支架材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)均勻，各孔間相互貫通，孔徑在10～500μm、孔隙率在70～91％間變化，該支架體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，制備工藝簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)A61L27/56GK101249277SQ20081003595
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者彭蘭蘭, 慶 楊, 沈新元, 郯志清, 陳思詩(shī) 申請(qǐng)人:東華大學(xué)