一種三維多孔纖維支架、制備方法及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維多孔纖維支架、制備方法及應(yīng)用。將聚（3-羥基丁酸酯-co-4-羥基丁酸脂）溶解在氯仿和丙酮的混合液中，聚合物濃度為6wt%～12wt%，制得紡絲原液，采用靜電紡絲工藝在錫紙上收集得到纖維膜，再用玻璃棒卷取纖維膜，經(jīng)烘干、乙醇沖洗后從玻璃棒上取下，得到一種三維可擴(kuò)張的多孔纖維支架。本發(fā)明制備得到多孔支架，具有良好的生物降解性、生物相容性和彈性性能，將其作為球囊，在手術(shù)治療由骨質(zhì)疏松引起的椎體壓縮骨折時(shí)，能有效解決骨水泥滲漏和磷酸鈣骨水泥在100%濕度下容易潰散的問題，對(duì)于減少經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)和磷酸鈣骨水泥的推廣應(yīng)用有重要意義。
【專利說明】一種三維多孔纖維支架、制備方法及應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種醫(yī)用材料及其制備方法，特別涉及一種具有高彈性能的三維多孔纖維支架、制備方法及其應(yīng)用，屬于功能纖維材料【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)人口結(jié)構(gòu)趨于老齡化，骨質(zhì)疏松引起的脊椎壓縮性骨折(vertebralcompress1n fracture, VCF)已成為老年人的常見致病和致死的原因。目前，治療骨質(zhì)疏松引起的椎體壓縮骨折的主要手段是經(jīng)皮椎體成形術(shù)(percutaneous vertebroplasty,PVP)和經(jīng)皮球囊擴(kuò)張椎體后凸成形術(shù)(percutaneous balloon kyphoplasty,PKP)0和PVP相比，PKP除了增加椎體的強(qiáng)度，穩(wěn)定椎體之外還要恢復(fù)椎體的一定高度。因此，PKP在臨床上得到了廣泛的開展和普遍的應(yīng)用。但是在臨床使用中，骨水泥漏出極大地增加了 PKP手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。
[0003]目前，在PKP手術(shù)中廣泛被使用的骨水泥是聚甲基丙烯酸甲酯(ΡΜΜΑ)。盡管到目前為止PMMA —直是臨床上使用的骨水泥，但是它在固化過程中產(chǎn)生大量熱，PMMA潛在的單體毒性，固化后強(qiáng)度過高而損害周圍正常骨組織以及缺少生物活性這些缺點(diǎn)迫切需要有一個(gè)新的材料能夠取代它。當(dāng)前，磷酸I丐骨水泥(calcium phosphate cement, CPC)因?yàn)槠渚哂信c骨類似的成份而受到了大量的關(guān)注。研究結(jié)果表明，CPC具有優(yōu)異的生物相容性，自固化性能，骨傳導(dǎo)及誘導(dǎo)性能，這些性能使得CPC有望能取代PMMA成為新一代的骨水泥。盡管CPC已經(jīng)在非承重的骨修復(fù)上面取得了非常有效的成就。但是針對(duì)PKP手術(shù)中需要的骨水泥材料，CPC仍然存在兩個(gè)嚴(yán)重的缺陷:第一:在100%濕度條件下，固化反應(yīng)比較慢，初期容易潰散；第二 =CPC初期強(qiáng)度比較低。因此，解決骨水泥漏出及CPC目前存在的在100%濕度條件下，初期固化反應(yīng)比較慢容易引起骨水泥坍塌的問題，對(duì)于采用PKP手術(shù)治療由骨質(zhì)疏松引起的椎體壓縮骨折具有非常重要的意義。因此，針對(duì)骨水泥滲漏及CPC初期容易潰散的問題，需要一種可降解的與PKP手術(shù)中所使用的“球囊”作用相似的支架。
[0004]聚羥基脂肪酸酯(PHAs)是一類由微生物在碳源過剩和某種營養(yǎng)物質(zhì)如氮或者磷等元素缺乏的條件下合成的作為能量和碳源儲(chǔ)存性物質(zhì)的總稱。由于PHAs具有不同的單體結(jié)構(gòu)，因此種類較多，包括聚-3-羥基丁酸酯(PHB )、聚3-羥基丁酸和3-羥基戊酸共聚物(PHBV)、聚3-羥基丁酸和4-羥基丁酸共聚物(P3HB4HB)、聚3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物(PHBHHx)等。因?yàn)槠涠鄻有院土己玫目山到庑约吧锵嗳菪?，PHAs作為醫(yī)用材料在縫線、繃帶、心血管補(bǔ)丁、骨科針、防粘連膜、支架、引導(dǎo)組織修復(fù)/再生設(shè)備、關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)支架、脊髓支架及傷口敷料等方面的應(yīng)用已被廣泛研究。在眾多的PHAs中，P3HB4HB可以通過調(diào)整單體3HB (高結(jié)晶相表現(xiàn)為脆性)和4HB (無定型相表現(xiàn)為韌性)在聚合物中的摩爾比來調(diào)節(jié)最后聚合物的力學(xué)性能。由于這種可控的力學(xué)性能，P3HB4HB顯示了比PHB更好的作為生物醫(yī)用移植材料的潛力。
[0005]靜電紡絲技術(shù)是一種在高壓電場(chǎng)作用下，紡絲液流克服表面張力而產(chǎn)生帶電噴射流，最終在接收裝置上收集到超細(xì)纖維的紡絲技術(shù)。靜電紡絲的最大優(yōu)點(diǎn)是纖維的直徑可以達(dá)到納米級(jí)。當(dāng)聚合物纖維的直徑由微米級(jí)降至納米級(jí)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)許多優(yōu)異的性能，如較大的比表面積、較強(qiáng)的韌性等。目前，生物組織工程領(lǐng)域一個(gè)熱點(diǎn)是制備和細(xì)胞外基質(zhì)具有相似結(jié)構(gòu)和功能的仿生材料。相比于其他支架制備技術(shù)，靜電紡絲具有以下三個(gè)特點(diǎn):(1)可以很方便地制備直徑在數(shù)十微米到幾納米的纖維；(2)除了絕大多數(shù)有機(jī)物之夕卜，很多無機(jī)物或者有機(jī)/無機(jī)雜化物也可以通過靜電紡絲技術(shù)制備；(3)制備的支架具有內(nèi)部貫通性,有利于細(xì)胞代謝及血管的生成。通過文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn),很多PHAs材料已經(jīng)成功地通過靜電紡絲技術(shù)制備,例如:N.Nagiah et al.通過靜電紡絲技術(shù)采用1，I, 1，3，3，3hexafluoro-2-propanaol溶劑制備了 P3HB纖維膜，其拉伸強(qiáng)度和在斷裂處的拉伸率分別為 7.5MPa 和 28.47% (N.Nagiah et al./ Materials Science and Engineering C33 (2013) 4444 - 4452) ；T.H.Yang 等通過靜電紡絲技術(shù)制備了 P (3HB-co-7mol%-4HB)and P(3HB-co-97mol%-4HB)纖維膜，其拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別8/184MPa和13/9MPa，該結(jié)果并沒有說明其在斷裂時(shí)的拉伸率(T.H.Ying et al./ B1materials 29 (2008)1307-1317)等。但是這些研究結(jié)果表明其拉伸強(qiáng)度及拉伸率都比較低，并且沒有研究系統(tǒng)調(diào)查溶劑對(duì)所制備材料的拉伸力學(xué)性能的影響。低的拉伸力學(xué)性能極大的限制了材料作為生物支架的廣泛的使用，因此改善制備的電紡支架的力學(xué)性能有非常重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種具有良好的生物降解性、生物相容性和彈性性能的三維多孔支架及其制備方法，并將該支架在椎體后凸成形術(shù)中用來使骨折的部分椎體復(fù)位和防止骨水泥漏出。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種三維多孔纖維支架的制備方法，包括如下步驟:
1、將聚合物聚羥基脂肪酸酯溶解于氯仿和丙酮的混合液中，聚合物的質(zhì)量百分濃度為6wt%? 12wt%，磁力攪拌得到混合均勻的靜電紡絲原液；所述的聚羥基脂肪酸酯為聚(3-羥基丁酸酯-co-4-羥基丁酸脂)，記作P3HB4HB，其中4-羥基丁酸脂(4HB)的摩爾含量為10?18% ；
2、采用靜電紡絲工藝對(duì)得到的靜電紡絲原液進(jìn)行紡絲，在錫紙上收集得到聚羥基脂肪酸酯纖維膜；所述靜電紡絲的工藝條件為:電壓8?12kV，擠出速率為I?10 ml/h，噴絲頭到接受板的距離為10?14cm ；
3、用玻璃棒卷取步驟2在錫紙上收集到的纖維膜，得到裹在玻璃棒上的纖維支架；重復(fù)玻璃棒的卷取周數(shù)，控制支架壁的厚度；
4、將步驟3得到的裹在玻璃棒上的纖維支架用錫紙裹住壓平，在溫度為60?80°C的條件下烘干，再用乙醇沖洗后，從玻璃棒上取下纖維支架；
5、將取下的纖維支架用乙醇沖洗后，放置于溫度為50?70°C的環(huán)境中去除有機(jī)溶劑，得到一種彈性三維多孔纖維支架。
[0008]上述技術(shù)方案中，所述的氯仿和丙酮的混合液中，丙酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25?50wt%。
[0009]按本發(fā)明技術(shù)方案制備法人三維多孔纖維支架，其拉伸伸長率達(dá)到300%?500% ο
[0010]本發(fā)明技術(shù)方案還包括所述三維多孔纖維支架的應(yīng)用，將其用于在手術(shù)治療由骨質(zhì)疏松引起的椎體壓縮骨折時(shí)，作為球囊防止骨水泥的滲漏。
[0011]不同于目前臨床上所使用的球囊的制備材料，本發(fā)明選擇了一種由微生物合成的聚羥基脂肪酸酯(PHA)，此類材料已經(jīng)被證明具有良好的生物降解性和生物相容性，并且其力學(xué)性能可以很容易通過調(diào)節(jié)單體的成分和含量來調(diào)節(jié)。由于支架必須具備良好的彈性性能即支架的擴(kuò)張性，本發(fā)明以聚羥基脂肪酸酯中的聚(3-羥基丁酸酯-co-4-羥基丁酸脂)(記作P3HB4HB)為原材料，而現(xiàn)有的研究報(bào)道中，公開了一些不同的聚羥基脂肪酸材料，如P3HB，PHBV等纖維膜已經(jīng)成功地通過靜電紡絲技術(shù)制備得到，但都是采用單溶劑的方法主要是用氯仿來溶解PHAs作為紡絲原液，且很少研究詳細(xì)表征制備的纖維支架的力學(xué)性能，另外，由于靜電紡絲技術(shù)的限制，制備的支架都是二維的。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
1、采用一種簡單的靜電紡絲的技術(shù)制備了纖維直徑可控，彈性拉伸率可控的三維多孔的聚羥基脂肪酸酯支架。
[0013]2、不同于傳統(tǒng)的用氯仿作為聚羥基脂肪酸酯的溶劑，本發(fā)明采用了氯仿和丙酮的混合液作為溶劑。與單純的氯仿溶劑相比，使用混合溶劑有效地提高了電紡產(chǎn)率(單位時(shí)間獲得的纖維質(zhì)量)降低了纖維直徑并且極大的提高了纖維膜的彈性率。主要原因是丙酮的引入極大的提高了紡絲原液的電導(dǎo)率(25°C時(shí)丙酮和氯仿的介電常數(shù)分別為20.7和4.8μ s/cm )，溶液電導(dǎo)率的增加使得紡絲射流攜帶的電荷增加，因此，高壓靜電場(chǎng)對(duì)紡絲射流有更大的牽伸力，表現(xiàn)為獲得更細(xì)的纖維直徑及更高的電紡產(chǎn)率。
[0014]3、為了克服傳統(tǒng)意義上靜電紡絲只能制備二維的纖維膜的局限，本發(fā)明通過采用玻璃棒直接收集紡好在錫紙上的纖維膜并通過重復(fù)的次數(shù)控制最后三維支架的厚度。
[0015]4、通過加熱和乙醇處理，很容易將收集在玻璃棒上的三維的支架取下。
[0016]5、制備的三維的支架具有良好的生物降解性和生物相容性，同時(shí)還具有良好的可擴(kuò)張性能，通過體外和模型測(cè)試，本發(fā)明制備的支架可有效的用于解決PKP手術(shù)過程中骨水泥漏出的問題以及解決CPC在100%濕度條件下，容易潰散的的問題，進(jìn)一步提高CPC在骨修復(fù)領(lǐng)域的使用潛力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的聚合物濃度為8wt%的條件下，用氯仿和丙酮的混合溶液作為溶劑通過靜電紡絲技術(shù)得到的纖維膜的電子掃描電鏡圖(SEM)。
[0018]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的由靜電紡絲制備得到的纖維膜的力學(xué)拉伸的結(jié)果。
[0019]圖3是本發(fā)明制備的高彈性的三維多孔纖維支架的形貌和注入骨水泥之后支架形態(tài)的照片。
[0020]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的制備的支架通過注入骨水泥在一個(gè)不規(guī)則的模型中的擴(kuò)張性能以及防止骨水泥漏出性能的測(cè)試結(jié)果。(a)圖是簡單的模擬脊椎的模型；(b)圖是制備的三維多孔的纖維支架；(C)?(f)圖是在模型中注入磷酸鈣骨水泥之后支架的形態(tài)的變化；(C)圖是初期階段；(d)圖是中期階段；(e)圖是通過注入骨水泥可以在支架完好的情況下將不規(guī)則的模具完全填充；(f)圖是(e)圖中的模型及支架的放大圖片。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0022]實(shí)施例1
稱取4g的P3HB4HB，其中4HB的摩爾含量為18%，緩慢地將稱取好的P3HB4HB加入到46g的氯仿和丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為75:25的混合溶劑中，在磁力攪拌的條件下大約4個(gè)小時(shí)，可以得到聚合物濃度為8wt%的溶液。然后將聚合物溶液轉(zhuǎn)移到1ml的玻璃注射器中，放置在靜電紡絲的裝置中，通過調(diào)整電壓為10kV，擠出速率3ml/h，針頭到接受裝置的距離14cm，在這個(gè)條件下可獲得纖維直徑分布均一，形貌良好的纖維膜。當(dāng)纖維膜達(dá)到50μπι時(shí)，停止紡絲過程，用玻璃棒直接收集這些纖維膜，重復(fù)3次這樣的過程，可以增加裹在玻璃棒上的支架的厚度，厚度可以通過重復(fù)的次數(shù)控制。將得到的裹在玻璃棒上的支架用錫紙裹住，放在80°C的烘箱中10分鐘，用乙醇沖洗，便很容易將制備的三維多孔的纖維支架從玻璃棒上取下。將取下的支架再次用乙醇沖洗，再放置烘箱中在50°C下12小時(shí)，以保證所殘留的有機(jī)溶劑完全揮發(fā)。
[0023]參見附圖1，它是本實(shí)施例提供的聚合物濃度為8wt%的條件下，用氯仿和丙酮的混合溶液作為溶劑通過靜電紡絲技術(shù)得到的纖維膜的電子掃描電鏡圖(SEM);結(jié)果顯示，所制備的纖維支架形貌良好，直徑分布均一，為2.6±0.3 μ m。
[0024]參見附圖2，它是本實(shí)施例提供的由靜電紡絲制備得到的纖維膜的力學(xué)拉伸的結(jié)果；結(jié)果顯示，通過靜電紡絲制備的P3HB4HB纖維膜的拉伸伸長率可以達(dá)到550%。
[0025]參見附圖3，它是本實(shí)施例制備的三維多孔纖維支架的形貌和注入骨水泥之后支架形態(tài)的照片，其中，Ca)圖是制備的三維多孔纖維支架收集在玻璃棒上還未取下的照片；(b)圖是從玻璃棒上去下之后的三維多孔纖維支架的形貌。(C)圖是表征制備的支架具有一定的柔軟性，適用于經(jīng)皮穿刺手術(shù)；(d)圖是注入一定量的骨水泥之后三維支架的形貌，表明制備的支架具備阻止骨水泥漏出的功能。由圖3可知，按本實(shí)施例技術(shù)方案制備的三維的支架具有良好的彈性和柔軟性能，滿足了 PKP手術(shù)中經(jīng)皮穿刺對(duì)于材料的要求。另外通過體外注入骨水泥測(cè)試的結(jié)果顯示，該發(fā)明制備的支架可以有效的防止骨水泥的漏出并且一定程度上可以使得骨折周圍的骨恢復(fù)一定的高度。
[0026]參見附圖4，它是本實(shí)施例提供的制備的支架通過注入骨水泥在一個(gè)不規(guī)則的模型中的擴(kuò)張性能以及防止骨水泥漏出性能的測(cè)試結(jié)果。(a)圖是簡單的模擬脊椎的模型；(b)圖是制備的三維多孔的纖維支架；(C)?(f)圖是在模型中注入磷酸鈣骨水泥之后支架的形態(tài)的變化；(C)圖是初期階段；(d)圖是中期階段；(e)圖是通過注入骨水泥可以在支架完好的情況下將不規(guī)則的模具完全填充；(f)圖是(e)圖中的模型及支架的放大圖片。由圖4可知，按本實(shí)施例技術(shù)方案制備的三維的支架在脊椎模型的骨水泥注入測(cè)試顯示，該發(fā)明制備的支架具備良好的擴(kuò)張性能，通過注入骨水泥可以很好地填充不規(guī)則的空隙，同時(shí)沒有骨水泥漏出的現(xiàn)象。
[0027]實(shí)施例2
稱取4g的P3HB4HB，其中4HB的摩爾含量為18%。緩慢地將稱取好的P3HB4HB加入到46g的氯仿溶劑中在磁力攪拌的條件下大約4個(gè)小時(shí)，可以得到聚合物濃度為8wt%的溶液。然后將聚合物溶液轉(zhuǎn)移到1ml的玻璃注射器中，放置在靜電紡絲的裝置中，通過調(diào)整電壓為10kV，擠出速率3ml/h，針頭到接受裝置的距離14cm，在這個(gè)條件下可獲得纖維直徑分布均一，形貌良好的纖維膜。在此條件下得到的纖維膜不能成功收集在玻璃棒上，無法成功制備三維彈性支架。
[0028]實(shí)施例3
稱取4g的P3HB4HB，其中4HB的摩爾含量為18%，緩慢地將稱取好的P3HB4HB加入到46g的氯仿和丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為50:50的混合溶劑中，在磁力攪拌的條件下大約4個(gè)小時(shí)，可以得到聚合物濃度為8wt%的溶液。然后將聚合物溶液轉(zhuǎn)移到1ml的玻璃注射器中，放置在靜電紡絲的裝置中，通過調(diào)整電壓為10kV，擠出速率3ml/h，針頭到接受裝置的距離14cm，在這個(gè)條件下可獲得纖維直徑分布均一，形貌良好的纖維膜。當(dāng)纖維膜達(dá)到約50μπι時(shí)，停止紡絲過程，用玻璃棒直接收集這些纖維膜，重復(fù)3次這樣的過程，可以增加裹在玻璃棒上的支架的厚度，厚度可以通過重復(fù)的次數(shù)控制。將得到的裹在玻璃棒上的支架用錫紙裹住，放在80°C的烘箱中10分鐘，用乙醇沖洗，便很容易將制備的三維多孔的纖維支架從玻璃棒上取下。將取下的支架再次用乙醇沖洗，再放置烘箱中在50°C下12小時(shí)，以保證所殘留的有機(jī)溶劑完全揮發(fā)。在此條件下得到的支架的纖維直徑，結(jié)構(gòu)和性能和實(shí)施例1相似。
[0029]實(shí)施例4
稱取4g的P3HB4HB，其中4HB的摩爾含量為18%。緩慢地將稱取好的P3HB4HB加入到46g丙酮溶劑中，在磁力攪拌的條件下大約4個(gè)小時(shí)，可以得到聚合物濃度為8wt%的溶液。然后將聚合物溶液轉(zhuǎn)移到1ml的玻璃注射器中，放置在靜電紡絲的裝置中，通過調(diào)整電壓為10kV，擠出速率3ml/h，針頭到接受裝置的距離14cm，在此條件下得到的纖維盡管直徑變小，但是有很多珠結(jié)，因此也無法用來制備三維彈性支架。
【權(quán)利要求】
1.一種三維多孔纖維支架的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)將聚合物聚羥基脂肪酸酯溶解于氯仿和丙酮的混合液中，聚合物的質(zhì)量百分濃度為6wt%? 12wt%，磁力攪拌得到混合均勻的靜電紡絲原液；所述的聚羥基脂肪酸酯為聚(3-羥基丁酸酯-co-4-羥基丁酸脂)，其中4-羥基丁酸脂的摩爾含量為10?18% ； (2)采用靜電紡絲工藝對(duì)得到的靜電紡絲原液進(jìn)行紡絲，在錫紙上收集得到聚羥基脂肪酸酯纖維膜；所述靜電紡絲的工藝條件為:電壓8?12kV，擠出速率為I?10 ml/h，噴絲頭到接受板的距離為10?14cm ； (3)用玻璃棒卷取步驟(2)在錫紙上收集到的纖維膜，得到裹在玻璃棒上的纖維支架；重復(fù)玻璃棒的卷取周數(shù)，控制支架壁的厚度； (4)將步驟(3)得到的裹在玻璃棒上的纖維支架用錫紙裹住壓平，在溫度為60?80°C的條件下烘干，再用乙醇沖洗后，從玻璃棒上取下纖維支架； (5)將取下的纖維支架用乙醇沖洗后，放置于溫度為50?70°C的環(huán)境中去除有機(jī)溶齊U，得到一種彈性三維多孔纖維支架。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維多孔纖維支架的制備方法，其特征在于:所述的氯仿和丙酮的混合液中，丙酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25?50wt%。
3.一種按權(quán)利要求1制備方法得到的三維多孔纖維支架，其特征在于:纖維支架的拉伸伸長率達(dá)到300%?500%。
4.一種如權(quán)利要求3所述的三維多孔纖維支架的應(yīng)用，其特征在于:將三維多孔纖維支架用于在手術(shù)治療由骨質(zhì)疏松引起的椎體壓縮骨折時(shí)，作為球囊防止骨水泥的滲漏。
【文檔編號(hào)】A61L31/14GK104288845SQ201410552990
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】高春霞, 高強(qiáng), 楊磊 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)