本發(fā)明屬于生物醫(yī)藥材料領(lǐng)域，具體涉及一種多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

骨組織工程在損傷及病變骨的修復(fù)中是受到廣泛應(yīng)用與關(guān)注的途徑之一。在體內(nèi)植入進行修復(fù)之前，干細胞通常被接種在具有3d連通孔結(jié)構(gòu)且在生物體內(nèi)可自行降解的具有良好生物相容性的支架上。在應(yīng)用中，由于3d生物支架將充當(dāng)人造細胞外基質(zhì)，因此制備得到的3d生物支架應(yīng)與天然細胞外基質(zhì)相仿。首先，用于制備3d生物支架的原料需具有良好生物相容性，并且能于體內(nèi)以適當(dāng)?shù)乃俣茸孕薪到?。第二，產(chǎn)物支架在結(jié)構(gòu)上需具備連通的多級孔結(jié)構(gòu)，其中包括維持支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，促進細胞粘附和增殖，運輸營養(yǎng)物質(zhì)的大孔(直徑幾百微米)；促進血管化，促進代謝廢物的運輸?shù)闹锌?直徑幾十微米)以及影響細胞基因表達等行為的小孔(直徑幾微米及以下)。另外，合格的生物支架還必須具備足夠支撐細胞培養(yǎng)過程中的物理負荷的力學(xué)性能。此外，由于在細胞接種以及支架植入初期經(jīng)常會引起局部炎癥反應(yīng)。因此，3d生物支架還應(yīng)該具備藥物載體的功能。

由于其良好的生物相容性和易加工性能，合成生物可降解聚酯，尤其是左旋聚乳酸(plla)和聚己內(nèi)酯(pcl)被廣泛用于3d生物支架的制備。然而，純plla與純pcl體系的機械性能較差，限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。通過將pcl，plla以及具有生物活性的無機納米粒子進行結(jié)合，可有效提高體系的力學(xué)性能。

pickering高內(nèi)相乳液模板法與3d打印技術(shù)是近年來受到廣泛關(guān)注的制備3d生物支架的簡易方法。其中，pickering高內(nèi)相乳液模板法是指：以內(nèi)相體積高于74%的固體粒子為穩(wěn)定劑的乳液為模板，通過溶劑揮發(fā)制備得到3d生物多孔支架的方法。pickering高內(nèi)相乳液模板法簡單易操作，但是通常制備得到的支架只具有中孔及小孔結(jié)構(gòu)(acsappl.mater.interfaces,2014,19:17166-17175;j.control.release2015,e127-e127)，因此不能為細胞黏附提供充足的空間。3d打印技術(shù)作為新興的制備生物支架的技術(shù)，可以實現(xiàn)對支架孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控，但制備微米(及以下)級的孔結(jié)構(gòu)對機械的精密度以及編程的難度提出了更高的要求，因此大大提高制備了成本。不難看出，pickering高內(nèi)相乳液模板法與3d打印技術(shù)進行結(jié)合，為3d生物支架的制備提供了一種行之有效且經(jīng)濟簡便的方法。

然而，3d打印對pickering乳液的粘度有較高的要求，而大部分固體粒子穩(wěn)定的pickering乳液粘度均較小，如疏水改性羥基磷灰石納米粒子穩(wěn)定的pickering高內(nèi)相乳液，由于其粘度達不到3d打印的要求(j.mech.behav.biomed.,2014,88-99)，因而限制了其進一步的發(fā)展。疏水改性二氧化硅粒子由于其良好的機械性能及良好的生物相容性也受到了廣泛關(guān)注。并且，由疏水改性二氧化硅粒子穩(wěn)定的pickering高內(nèi)相乳液粘度較高，可以達到3d打印技術(shù)的要求，因此為pickering高內(nèi)相乳液模板法與3d打印技術(shù)的結(jié)合奠定了堅實的基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架，該類納米復(fù)合生物支架可用作組織工程支架，用于組織的修復(fù)和再生。

本發(fā)明的另一目的在于提供所述一種多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架的制備方法，該制備方法基于油包水pickering高內(nèi)向乳液模版法與3d打印技術(shù)，工藝簡單，材料來源廣泛、安全無毒，制備條件溫和，結(jié)構(gòu)可控，重復(fù)性好，適于工業(yè)化生產(chǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的目的還在于提供所述一種多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架的應(yīng)用。

一種多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架的制備方法，包括如下步驟：

（1）將生物可降解聚酯加入有機溶劑中，超聲作用下充分溶解；

（2）將二氧化硅粒子加入步驟（1）得到的溶液中，超聲作用下分散均勻，配制得到油相；

（3）將蒸餾水加入步驟（2）得到的油相中，乳化，得到油包水（w/o）型乳液；

（4）將步驟（3）得到的乳液通過3d打印技術(shù)進行打印，得到具備規(guī)則孔結(jié)構(gòu)的多孔支架，室溫放置，使溶劑和水相蒸發(fā)，得到所述多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架。

進一步地，步驟（1）中，所述生物可降解聚酯為人工合成的生物可降解聚酯，包括聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚羥基乙酸、聚乳酸-己內(nèi)酯共聚物、聚羥基丁酸戊酯和聚β-羥基丁酸酯中一種以上。

進一步地，步驟（1）中，所述生物可降解聚酯相對于油相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1~8%，優(yōu)選為4~6%。

進一步地，步驟（1）中，所述有機溶劑包括二氯甲烷。

進一步地，步驟（2）中，所述二氧化硅粒子為疏水改性二氧化硅粒子，粒徑分布為20nm～30nm。

進一步地，步驟（2）中，所述二氧化硅粒子相對于油相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5~4%，優(yōu)選為2~2.5%。

進一步地，步驟（3）中，所述蒸餾水與油相的體積比為3~5:1。

進一步地，步驟（3）中，所述乳化是通過渦旋混合器在100～2800r/min下渦旋振蕩混合15～30min。

進一步地，步驟（4）中，所述3d打印選用300cc的美式針筒，并組裝配套的美式活塞與內(nèi)徑為0.9mm的平頭針頭進行打印。

進一步地，步驟（4）中，所述具備規(guī)則孔結(jié)構(gòu)的多孔支架為規(guī)整的立方體結(jié)構(gòu)，其中長、寬為35～40mm，高為7~12mm，共6~10層，每層平行均勻分布13~15條圓柱狀乳液，其中，奇數(shù)層呈橫向分布，偶數(shù)層呈縱向分布。

進一步地，步驟（4）中，所述放置的時間為48~72h。

由上述任一項所述的制備方法制得的一種多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架，具備規(guī)則的大孔、中孔和小孔結(jié)構(gòu)，大孔直徑分布在300～700um，中孔直徑分布在10～100um，小孔直徑分布在1～10um，且支架孔結(jié)構(gòu)相互連通，疏水改性二氧化硅粒子附著或鑲嵌在孔壁表面，使得多孔支架孔壁表面粗糙。

多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架中，大孔結(jié)構(gòu)由3d打印技術(shù)實現(xiàn)調(diào)控，中孔與小孔結(jié)構(gòu)由pickering乳液模板法實現(xiàn)控制，

所述的一種多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架的應(yīng)用，用作組織工程支架或藥物載體。

進一步地，所述組織工程支架包括骨組織工程支架。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果：

（1）本發(fā)明制備工藝簡單，生產(chǎn)效率高，重復(fù)性好，實現(xiàn)了pickering乳液模版法與3d打印技術(shù)的結(jié)合，生產(chǎn)成本低，適宜工業(yè)化生產(chǎn)；

（2）本發(fā)明制備方法條件溫和，不涉及任何化學(xué)反應(yīng)，原料簡單，制備條件可控，可通過改變?nèi)橐褐苽錀l件方便快捷地調(diào)節(jié)多孔支架的孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)的統(tǒng)一；

（3）本發(fā)明制備的具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架，可通過編寫不同的打印程序，對支架結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，便利地按照需求制備不同形狀的支架，使其更好的滿足實際應(yīng)用中的需求；

（4）本發(fā)明制備的具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架，可用作組織工程支架或藥物載體，所用材料生物可降解聚酯和疏水改姓二氧化硅納米粒子，為常用的多孔支架制備原料，來源豐富，安全無毒，具有良好的生物相容性；其中生物可降解聚酯還具可生物降解性，在應(yīng)用過程中可隨著細胞的繁殖逐漸降解，為細胞的生長創(chuàng)造新空間，最終引導(dǎo)組織生長成為特定的形狀；二氧化硅納米粒子還具良好的生物活性和機械強度。

附圖說明

圖1為實施例1中制備的多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架的掃描電鏡圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此；其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

實施例1

一種具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架的制備方法，包括以下步驟：

（1）將240mg聚乳酸和240mg聚己內(nèi)酯加入8ml二氯甲烷中，在冰水浴中超聲10min，使聚乳酸和聚己內(nèi)酯完全溶解；

（2）將16mg疏水改性二氧化硅納米粒子（粒徑為20～30nm）加入步驟(1)得到的溶液中，在冰水浴中超聲5min，分散均勻，配制得到油相；

（3）將24ml蒸餾水分6批加入油相，油水混合體系經(jīng)渦旋混合器2800r/min渦旋混合乳化30min得到；

（4）將步驟（3）得到的乳液裝入300cc的美式針筒中，并組裝配套的美式活塞與內(nèi)徑為0.9mm的平頭針頭，在點膠機的系統(tǒng)內(nèi)進行程序編輯，并通過點膠機將乳液打印為規(guī)整的立方體結(jié)構(gòu)(35*35*7mm)，共6層，每層平行均勻分布13條圓柱狀乳液，其中，奇數(shù)層呈橫向分布，偶數(shù)層呈縱向分布；

（5）將步驟（4）得到的支架在室溫下于通風(fēng)櫥中放置48小時，自然干燥，得到具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架。

制備的多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架具備多級孔結(jié)構(gòu)，其中包括大孔（500～700um），中孔（38～73um）以及小孔（1～10um），其掃描電鏡圖（如圖1）所顯示，制備得到的納米復(fù)合生物支架具備連通孔結(jié)構(gòu)，各孔之間由不同尺寸的孔喉進行連通。

實施例2

一種具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架的制備方法，包括以下步驟：

（1）將320mg聚乳酸和320mg聚己內(nèi)酯加入8ml二氯甲烷中，在冰水浴中超聲10min，使聚乳酸和聚己內(nèi)酯完全溶解；

（2）將20mg疏水改性二氧化硅納米粒子（粒徑為20～30nm）加入步驟(1)得到的溶液中，在冰水浴中超聲5min，分散均勻，配制得到油相；

（3）將24ml蒸餾水分6批加入油相，油水混合體系經(jīng)渦旋混合器2800r/min渦旋混合乳化30min得到；

（4）將步驟（3）得到的乳液裝入300cc的美式針筒中，并組裝配套的美式活塞與內(nèi)徑為0.9mm的平頭針頭，在點膠機的系統(tǒng)內(nèi)進行程序編輯，并通過點膠機將乳液打印為規(guī)整的立方體結(jié)構(gòu)(35*35*9mm)，共8層，每層平行均勻分布13條圓柱狀乳液，其中，奇數(shù)層呈橫向分布，偶數(shù)層呈縱向分布；

（5）將步驟（4）得到的支架在室溫下于通風(fēng)櫥中放置72小時，自然干燥，得到具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架。

制備的多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架具備多級孔結(jié)構(gòu)，其中包括大孔（500～700um），中孔（30～75um）以及小孔（1～7um），其掃描電鏡圖（參見圖1）所顯示，制備得到的納米復(fù)合生物支架具備連通孔結(jié)構(gòu)，各孔之間由不同尺寸的孔喉進行連通。

實施例3

一種具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架的制備方法，包括以下步驟：

（1）將40mg聚乳酸和40mg聚己內(nèi)酯加入8ml二氯甲烷中，在冰水浴中超聲10min，使聚乳酸和聚己內(nèi)酯完全溶解；

（2）將3mg疏水改性二氧化硅納米粒子（粒徑為20～30nm）加入步驟(1)得到的溶液中，在冰水浴中超聲5min，分散均勻，配制得到油相；

（3）將32ml蒸餾水分5批加入油相，油水混合體系經(jīng)渦旋混合器1000r/min渦旋混合乳化15min得到；

（4）將步驟（3）得到的乳液裝入300cc的美式針筒中，并組裝配套的美式活塞與內(nèi)徑為0.9mm的平頭針頭，在點膠機的系統(tǒng)內(nèi)進行程序編輯，并通過點膠機將乳液打印為規(guī)整的立方體結(jié)構(gòu)(40*40*7mm)，共6層，每層平行均勻分布15條圓柱狀乳液，其中，奇數(shù)層呈橫向分布，偶數(shù)層呈縱向分布；

（5）將步驟（4）得到的支架在室溫下于通風(fēng)櫥中放置48小時，自然干燥，得到具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架。

制備的多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架具備多級孔結(jié)構(gòu)，其中包括大孔（300～600um），中孔（30～88um）以及小孔（4～10um），其掃描電鏡圖（參見圖1）所顯示，制備得到的納米復(fù)合生物支架具備連通孔結(jié)構(gòu)，各孔之間由不同尺寸的孔喉進行連通。

實施例4

一種具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架的制備方法，包括以下步驟：

（1）將280mg聚乳酸和280mg聚己內(nèi)酯加入8ml二氯甲烷中，在冰水浴中超聲10min，使聚乳酸和聚己內(nèi)酯完全溶解；

（2）將20mg疏水改性二氧化硅納米粒子（粒徑為20～30nm）加入步驟(1)得到的溶液中，在冰水浴中超聲5min，分散均勻，配制得到油相；

（3）將40ml蒸餾水分4批加入油相，油水混合體系經(jīng)渦旋混合器2800r/min渦旋混合乳化30min得到；

（4）將步驟（3）得到的乳液裝入300cc的美式針筒中，并組裝配套的美式活塞與內(nèi)徑為0.9mm的平頭針頭，在點膠機的系統(tǒng)內(nèi)進行程序編輯，并通過點膠機將乳液打印為規(guī)整的立方體結(jié)構(gòu)(38*38*7mm)，共6層，每層平行均勻分布14條圓柱狀乳液，其中，奇數(shù)層呈橫向分布，偶數(shù)層呈縱向分布；（5）將步驟（4）得到的支架在室溫下于通風(fēng)櫥中放置64小時，自然干燥，得到具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架。

制備的多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架具備多級孔結(jié)構(gòu)，其中包括大孔（300～600um），中孔（41～100um）以及小孔（4～10um），其掃描電鏡圖（參見圖1）所顯示，制備得到的納米復(fù)合生物支架具備連通孔結(jié)構(gòu)，各孔之間由不同尺寸的孔喉進行連通。

實施例5

一種具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架的制備方法，包括以下步驟：

（1）將280mg聚乳酸和280mg聚己內(nèi)酯加入8ml二氯甲烷中，在冰水浴中超聲10min，使聚乳酸和聚己內(nèi)酯完全溶解；

（2）將32mg疏水改性二氧化硅納米粒子（粒徑為20～30nm）加入步驟(1)得到的溶液中，在冰水浴中超聲5min，分散均勻，配制得到油相。

（3）將32ml蒸餾水分7批加入油相，油水混合體系經(jīng)渦旋混合器2000r/min渦旋混合乳化20min得到；

（4）將步驟（3）得到的乳液裝入300cc的美式針筒中，并組裝配套的美式活塞與內(nèi)徑為0.9mm的平頭針頭，在點膠機的系統(tǒng)內(nèi)進行程序編輯，并通過點膠機將乳液打印為規(guī)整的立方體結(jié)構(gòu)(35*35*9mm)，共8層，每層平行均勻分布13條圓柱狀乳液，其中，奇數(shù)層呈橫向分布，偶數(shù)層呈縱向分布；

（5）將步驟（4）得到的支架在室溫下于通風(fēng)櫥中放置48小時，自然干燥，得到具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架。

制備的多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架具備多級孔結(jié)構(gòu)，其中包括大孔（300～700um），中孔（30～68um）以及小孔（4～7um），其掃描電鏡圖（參見圖1）所顯示，制備得到的納米復(fù)合生物支架具備連通孔結(jié)構(gòu)，各孔之間由不同尺寸的孔喉進行連通。

實施例6

一種具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架的制備方法，包括以下步驟：

（1）將240mg聚乳酸和240mg聚己內(nèi)酯加入8ml二氯甲烷中，在冰水浴中超聲10min，使聚乳酸和聚己內(nèi)酯完全溶解；

（2）將16mg疏水改性二氧化硅納米粒子（粒徑為20～30nm）加入步驟(1)得到的溶液中，在冰水浴中超聲5min，分散均勻，配制得到油相；

（3）將24ml蒸餾水分5批加入油相，油水混合體系經(jīng)渦旋混合器2000r/min渦旋混合乳化30min得到；

（4）將步驟（3）得到的乳液裝入300cc的美式針筒中，并組裝配套的美式活塞與內(nèi)徑為0.9mm的平頭針頭，在點膠機的系統(tǒng)內(nèi)進行程序編輯，并通過點膠機將乳液打印為規(guī)整的立方體結(jié)構(gòu)(35*35*12mm)，共10層，每層平行均勻分布13條圓柱狀乳液，其中，奇數(shù)層呈橫向分布，偶數(shù)層呈縱向分布；

（5）將步驟（4）得到的支架在室溫下于通風(fēng)櫥中放置48小時，自然干燥得到具備多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架

制備的多級可控通孔結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合生物支架具備多級孔結(jié)構(gòu)，其中包括大孔（300～500um），中孔（34～85um）以及小孔（5～10um），其掃描電鏡圖（參見圖1）所顯示，制備得到的納米復(fù)合生物支架具備連通孔結(jié)構(gòu)，各孔之間由不同尺寸的孔喉進行連通。