專利名稱：超臨界co的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬高分子材料和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高分子材料為基材的組織工程用多孔支架材料的制備方法，特別是涉及一種利用超臨界CO2技術(shù)制備以可生物降解聚合物為基材的三維多孔支架材料的方法。
背景技術(shù)：
組織工程學(xué)是利用工程學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法研究生物有機(jī)體的組織器官或其功能替代物的新型交叉學(xué)科。它集生物工程、生命科學(xué)、材料科學(xué)與工程及臨床醫(yī)學(xué)于一體，目的是修復(fù)和再生受損組織或器官，幫助病人恢復(fù)受損組織的功能，提高生活質(zhì)量。1987年美國自然科學(xué)基金工程理事會在研討生物工程前景時提出，組織工程學(xué)的定義為“應(yīng)用工程學(xué)原理和方法來了解正常的和病理的哺乳類組織的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，并研制活的生物組織代用品，用于修復(fù)、維持和改善人體組織的功能”。組織工程的基本原理和方法是，將從患者的軟硬組織中獲取的造骨細(xì)胞、骨腫部位及間葉細(xì)胞的原細(xì)胞放在培養(yǎng)液中培植，將體外培養(yǎng)的高濃度組織細(xì)胞擴(kuò)增后吸附于一種生物相容性良好，并可被人體逐步降解吸收的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)材料上，形成細(xì)胞/生物材料復(fù)合物。該材料可為細(xì)胞提供生存的三維空間，有利于細(xì)胞獲得足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行新陳代謝，使細(xì)胞按預(yù)制形態(tài)的三維支架生長；然后將這種復(fù)合體植入基體所需部位。種植的細(xì)胞在生物支架降解吸收的過程中，繼續(xù)增長繁殖，形成了新的具有原來特殊功能和形態(tài)的相應(yīng)組織和器官，從而可達(dá)到修復(fù)組織外形和功能重建的目的。由此可見，組織工程支架是組織工程中的重要組成部分，其中包括支架材料的選取，三維多孔支架的制備及其各種性能的測試。
生物可降解高分子材料是一類很適合用來制備組織工程三維支架的材料，這類材料具有良好的生物相容性，適宜的生物降解性，良好的表面活性，一定的可塑性，并且能夠形成三維多孔的連通結(jié)構(gòu)。它不僅可以為組織細(xì)胞生長提供依附框架，使之形成特定的組織或器官形狀，更重要的是生物高分子材料作為細(xì)胞外基質(zhì)成分之一，起著介導(dǎo)細(xì)胞間信號傳導(dǎo)和相互作用的媒介作用，并可作為組織細(xì)胞生長所必需的生物活性劑。上述因素往往取決于支架制備方法。目前國外已有人對組織工程用多孔支架的制備進(jìn)行了廣泛的研究，具體有以下幾種溶劑澆鑄/粒子瀝濾技術(shù)，纖維粘結(jié)技術(shù)，快速成型技術(shù)，氣體發(fā)泡技術(shù)，熱致相分離法等，但這些技術(shù)都存在一定的缺陷，且適用范圍有限，而新興超臨界CO2發(fā)泡技術(shù)是近年來新發(fā)展起來的一種綠色環(huán)保技術(shù)，不使用有機(jī)溶劑，常?？梢越Y(jié)合并釋放生理活性物質(zhì)。
張潤等采用超臨界CO2(Supercritical CO2，SC-CO2)發(fā)泡技術(shù)制備了生物相容性良好的PLA多孔材料。與傳統(tǒng)的方法所制得的材料相比較，這種多孔材料不僅雜質(zhì)少，孔徑孔率分布均勻，孔洞表面粗糙。該結(jié)構(gòu)提供了營養(yǎng)物質(zhì)和新陳代謝的通道，且細(xì)胞和生長因子也能通過(張潤，鄧政興，李立華等.用超臨界CO2法制備聚乳酸三維多孔支架材料.材料研究學(xué)報，2003，17(6)665-672)。Lakhwant等使用DL-PLGA(85/15)作為基材，超臨界CO2作為致孔劑的壓力淬火法，所得泡沫材料孔隙率可達(dá)89％，具有較高的連通孔?？锥吹某叽缭?0～100μm之間，制備出的產(chǎn)品可被廣泛用于生物醫(yī)療領(lǐng)域。例如，導(dǎo)向性的組織再生等(Lakhwant S，Vipin K，Buddy D R.Generation of porous microcelluar 85/15poly(DL-lactide-glycolide)foams for biomedical applications[J].Biomaterials，2004，252611-2617)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種利用超臨界CO2技術(shù)制備組織工程用三維支架材料的新方法。
本發(fā)明提出的組織工程用三維多孔支架材料的制備方法，具體步驟如下(1)按90∶10-20∶80的重量比例稱取聚合物和致孔劑，放在聚四氟乙烯模具中熱壓成型，控制溫度在聚合物熔點(diǎn)溫度以下，保壓時間為40-80分鐘，使致孔劑均勻分散在聚合物基體中；(2)在室溫下冷卻成型，然后將其放在8.0～30.0MPa的高壓CO2氣體中機(jī)械飽和，時間10-200分鐘；將氣壓迅速降至大氣壓水平，降壓時間不超過15s，使聚合物中的CO2氣體的溶解度迅速下降，產(chǎn)生大量的CO2氣腔，從而形成多孔發(fā)泡結(jié)構(gòu)的材料；(3)用一種聚合物材料不溶而致孔劑溶解的溶劑將致孔劑浸泡瀝出，在室溫以下真空干燥，即得到所需的材料。
本發(fā)明中所用到的聚合物是L-聚乳酸(PLLA)、聚羥基乙酸(PGA)或者兩者的共聚物PLGA，或者是聚酐、聚尿烷、聚α-羥基酯、聚ε-羥基乙醇內(nèi)酯等。此外，所用聚合物還可以采用不同分子量的聚醚與聚乳酸共聚得到的嵌段聚合物，其中，聚醚可采用聚乙二醇(PEG)、聚氧化乙烯(PEO)、聚四氫呋喃等親水聚合物，相應(yīng)的嵌段共聚物為PLA-PEG、PLA-PEO、聚乳酸-聚四氫呋喃等。
本發(fā)明所用的致孔劑可以是氯化鈉、葡萄糖晶體或糊精晶體等。
本發(fā)明所用的溶劑可以是水。
為了增加多孔支加要的機(jī)械強(qiáng)度，在本發(fā)明的聚合物材料基體中可加入無機(jī)物，例如可添加羥基磷灰石(HA)、磷酸三鈣(TCP)、磷酸鉀、磷酸鈉或磷酸鈣等，加入量為聚合物重量的1-10％。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下1.在利用超臨界CO2技術(shù)進(jìn)行發(fā)泡時，高分子聚合物材料基體中如果不加入致孔劑，則最終形成的多孔支架的孔大多是封閉的，相互之間連通性較差，孔隙率較低，為40～65％。
2.在利用超臨界CO2技術(shù)進(jìn)行發(fā)泡時，高分子材料基體中如果加入致孔劑，則最終形成的多孔支架的孔是相互連通的，孔隙率有明顯提高，可達(dá)85％以上，而且在大的孔洞上可以觀察到大小為10～20μm之間的表面粗糙的微孔結(jié)構(gòu)，大孔孔徑為100～300μm。具體結(jié)果如附圖1、2、3和4所示。
3.在利用超臨界CO2技術(shù)進(jìn)行發(fā)泡時，高分子材料基體中如果加入HA、TCP等無機(jī)物，則最終形成的復(fù)合多孔支架機(jī)械強(qiáng)度有較大提高。
本發(fā)明采用超臨界CO2技術(shù)與粒子濾取相結(jié)合的方法，通過調(diào)節(jié)加入粒子(氯化鈉、葡萄糖等)的尺寸和含量來控制孔徑，可以獲得孔洞形貌較好，孔分布均勻，連通性好，孔隙率高達(dá)90％以上的三維多孔支架材料，所得產(chǎn)品可以滿足組織工程應(yīng)用的需要。本發(fā)明選材廣泛、加工工藝簡單、無環(huán)境污染、適用范圍廣。


圖1為實(shí)施例1的掃描電鏡圖。
圖2為實(shí)施例4的掃描電鏡圖。
圖3為實(shí)施例6的掃描電鏡圖。
圖4為實(shí)施例7的掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1按比例稱取一定量的PLGA和氯化鈉，其中氯化鈉占總重的40％，放在聚四氟乙烯模具中熱壓成型，保證氯化鈉均勻分散在聚合物基體中，控制溫度在140℃左右；隨后將在室溫下冷卻成型的樣品放在超臨界CO2高壓反應(yīng)釜中，調(diào)節(jié)溫度和壓力至穩(wěn)定狀態(tài)(35℃，8MPa)，保壓45min，然后迅速降至大氣壓水平(降壓時間不超過15s)，聚合物中的CO2氣體的溶解度迅速下降，產(chǎn)生大量的CO2氣腔，形成了多孔發(fā)泡結(jié)構(gòu)的材料；最后用去離子水浸泡發(fā)泡后的樣品，瀝去氯化鈉，室溫下連續(xù)真空干燥24小時以上，樣品備用。經(jīng)掃描電鏡和比重瓶法分析結(jié)果表明，多孔支架的孔是開放的，孔與孔之間連通性較好，孔隙率為88.37％。如附圖中圖1所示。
實(shí)施例2按比例稱取一定量的PLGA和氯化鈉，其中氯化鈉占總重的20％，放在聚四氟乙烯模具中熱壓成型，保證氯化鈉均勻分散在聚合物基體中，控制溫度在140℃左右；隨后將在室溫下冷卻成型的樣品放在超臨界CO2高壓反應(yīng)釜中，調(diào)節(jié)溫度和壓力至穩(wěn)定狀態(tài)(35℃，10MPa)，保壓60min，然后迅速降至大氣壓水平(降壓時間不超過15s)，聚合物中的CO2氣體的溶解度迅速下降，產(chǎn)生大量的CO2氣腔，形成了多孔發(fā)泡結(jié)構(gòu)的材料；最后用去離子水浸泡發(fā)泡后的樣品，瀝去氯化鈉，室溫下連續(xù)真空干燥24小時以上，樣品備用。經(jīng)掃描電鏡和比重瓶法分析結(jié)果表明，多孔支架的孔大多是閉合的，孔隙率為73.52％。
實(shí)施例3氯化鈉變?yōu)槠咸烟蔷w，其他條件同實(shí)施例1，所得多孔支架的孔是開放的，孔與孔之間連通性較好，孔隙率為83.38％。
實(shí)施例4氯化鈉變?yōu)楹w，其他條件同實(shí)施例1，所得多孔支架的孔是開放的，孔與孔之間連通性較好，孔隙率為85.64％。如附圖中圖2所示。
實(shí)施例5PLGA變?yōu)镻GA，其他條件同實(shí)施例1，所得多孔支架的孔是開放的，孔與孔之間連通性較好，孔隙率為83.38％。
實(shí)施例6PLGA變?yōu)镻LA-PEG，其他條件同實(shí)施例1，所得多孔支架的孔是開放的，孔與孔之間連通性較好，孔隙率為90.23％。如附圖中圖3所示。
實(shí)施例7按比例稱取含有HA的HA/PLGA復(fù)合物和氯化鈉，其中氯化鈉占總重的50％，HA為PLGA重量的2％，放在聚四氟乙烯模具中熱壓成型，保證氯化鈉均勻分散在聚合物基體中，控制溫度在140℃左右；隨后將在室溫下冷卻成型的樣品放在超臨界CO2高壓反應(yīng)釜中，調(diào)節(jié)溫度和壓力至穩(wěn)定狀態(tài)(35℃，8MPa)，保壓60min，然后迅速降至大氣壓水平(降壓時間不超過15s)，聚合物中的CO2氣體的溶解度迅速下降，產(chǎn)生大量的CO2氣腔，形成了多孔發(fā)泡結(jié)構(gòu)的材料；最后用去離子水浸泡發(fā)泡后的樣品，瀝去氯化鈉，室溫下連續(xù)真空干燥24小時以上，樣品備用。經(jīng)掃描電鏡和比重瓶法分析結(jié)果表明，多孔支架的孔是開放的，孔與孔之間連通性較好，孔隙率為87.17％。將已測好邊長的長方體樣品，采用壓機(jī)(NXU-5000)做抗壓力學(xué)性能測試。實(shí)驗(yàn)條件跨距30％，抗壓加載速度1mm/min。材料按泡沫材料進(jìn)行計算，抗壓強(qiáng)度為1.015MPa，而同樣條件下的PLGA抗壓強(qiáng)度為0.503MPa，機(jī)械性能有較大提高。如附圖中圖4所示。
實(shí)施例8將含有2％HA的HA/PLGA復(fù)合物變?yōu)楹?0％HA的HA/PLGA復(fù)合物，其他條件同實(shí)施例7，所得多孔支架的孔大多是開放的，孔與孔之間連通性一般，孔隙率為73.53％?？箟簭?qiáng)度為1.867MPa，機(jī)械性能有較大提高。
實(shí)施例9將含有2％HA的HA/PLGA復(fù)合物變?yōu)楹?％TCP的TCP/PLGA復(fù)合物，其他條件同實(shí)施例7，所得多孔支架的孔是開放的，孔與孔之間連通性較好，孔隙率為87.37％?？箟簭?qiáng)度為1.145MPa，機(jī)械性能有較大提高。
實(shí)施例10將含有2％HA的HA/PLGA復(fù)合物變?yōu)楹?％HA的HA/聚四氫呋喃復(fù)合物，其他條件同實(shí)施例7，所得多孔支架的孔是開放的，孔與孔之間連通性較好，孔隙率為89.35％?？箟簭?qiáng)度為1.445MPa，機(jī)械性能有較大提高。
權(quán)利要求
1.一種組織工程用三維支架材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下(1)按90∶10-20∶80的重量比例稱取聚合物和致孔劑，放在聚四氟乙烯模具中熱壓成型，控制溫度在聚合物熔點(diǎn)溫度以下，保壓時間為40-80分鐘，使致孔劑均勻分散在聚合物基體中；(2)在室溫下冷卻成型，然后將其放在8.0～30.0MPa的高壓CO2氣體中機(jī)械飽和，時間10-200分鐘；將氣壓迅速降至大氣壓水平，降壓時間不超過15s，使聚合物中的CO2氣體的溶解度迅速下降，產(chǎn)生大量的CO2氣腔，從而形成多孔發(fā)泡結(jié)構(gòu)的材料；(3)用一種聚合物材料不溶而致孔劑溶解的溶劑將致孔劑浸泡瀝出，在室溫下真空干燥，即得到所需的材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述聚合物是L-聚乳酸、聚羥基乙酸或者兩者的共聚物，或者是聚酐、聚尿烷、聚α-羥基酯、聚ε-羥基乙醇內(nèi)酯，或者是不同分子量的聚醚與聚乳酸共聚得到的嵌段聚合物，其中，聚醚采用聚乙二醇、聚氧化乙烯或聚四氫呋喃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于所述致孔劑為氯化鈉、葡萄糖晶體或糊精晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于所述聚合物中還添加羥基磷灰石、磷酸三鈣、磷酸鉀、磷酸鈉或磷酸鈣，加入量為聚合物重量的1-10％。
全文摘要
本發(fā)明屬高分子材料和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種可生物降解的組織工程用多孔支架材料的制備方法。本方法采用可生物降解的聚乳酸及其共聚物作為基材，加入加致孔劑，放入聚四氟乙烯模具熱壓成型，然后加入到超臨界CO
文檔編號A61L27/18GK1749319SQ20051002845
公開日2006年3月22日 申請日期2005年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月4日
發(fā)明者任杰, 張鵬, 滕新榮 申請人:同濟(jì)大學(xué)