一種多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種仿生骨組織工程支架材料及其制備方法，該支架材料具有與天然骨組織相似的多層級微孔結(jié)構(gòu)，支架具有從500納米至1000微米范圍內(nèi)可調(diào)的多層級仿生類骨三維孔結(jié)構(gòu)。該多尺度孔結(jié)構(gòu)可控的骨組織工程支架，首先通過快速成型技術(shù)對醫(yī)用高分子材料進行三維打印，定制一級微米尺度三維孔結(jié)構(gòu)及支架外形，然后再通過超臨界氣體發(fā)泡對支架內(nèi)部進行二級微、納米尺度微孔制備。最終制備的多尺度微孔骨組織工程支架不但可以提供骨組織再生所需的三維支撐，而且可以從不同尺度層面上滿足蛋白吸附、營養(yǎng)物質(zhì)/代謝產(chǎn)物輸送、細胞遷移、組織長入的需要，在骨科臨床上具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種結(jié)合三維打印快速成型以及超臨界流體發(fā)泡技術(shù)制備具有多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架材料及其制備方法，屬于生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域。技術(shù)背景
[0002]天然骨組織是一種具有復(fù)雜分級孔隙結(jié)構(gòu)的組織。理想的骨組織工程支架需盡量設(shè)計與天然骨組織解剖相似的微孔結(jié)構(gòu)，同時具有良好的生物相容性，容易鍵合周圍骨組織。為了滿足新生骨組織長入的需求，骨組織工程支架必須設(shè)計具有相互貫通的三維多孔結(jié)構(gòu)。三維孔隙結(jié)構(gòu)可以為骨細胞的黏附、迀移和增殖提供必要的生存空間，同時為細胞的繁殖、代謝提供營養(yǎng)與代謝產(chǎn)物的傳輸通道。大量研究表明，理想骨組織工程支架既需具有宏觀大孔結(jié)構(gòu)(孔徑為200?1000M1)，支持血管生長和組織向內(nèi)長入，同時也需兼具幾百納米至10M1的微小孔隙，以提供與細胞相互作用的活性位點，及利于營養(yǎng)物質(zhì)的擴散與輸送。 多孔組織工程支架在組織再生中具有重要地位。其常規(guī)制備技術(shù)主要包括物理發(fā)泡、化學(xué)發(fā)泡、纖維粘結(jié)、相分離、微粒占位法、三維打印、靜電紡絲等。然而，這些傳統(tǒng)的多孔材料制備方法大多無法精確定制支架結(jié)構(gòu)的微孔尺寸，無法實現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的連通形式控制，更無法針對天然骨組織的解剖結(jié)構(gòu)，仿生制備具有復(fù)雜分級孔結(jié)構(gòu)的骨組織支架。
[0003]超臨界流體作為一種物理發(fā)泡工藝，其在針對高分子材料的發(fā)泡方面具有一定優(yōu)勢，例如(Supercritical carbon d1xide，ScC〇2)制備微孔可降解高分子支架工藝過程簡單，C02無毒、價廉，無有機溶劑殘留，不會引起機體產(chǎn)生炎癥問題等。采用超臨界流體制備微孔聚合物的基本原理是，在高溫高壓條件下，通過吸附二氧化碳超臨界流體進入聚合物基體，再通過控制混合體系的壓力和溫度，急劇減壓或升溫以產(chǎn)生熱力學(xué)不穩(wěn)定，在聚合物中形成大量的超臨界介質(zhì)泡核，進而通過溫度誘導(dǎo)和壓力誘導(dǎo)發(fā)泡以成型微孔結(jié)構(gòu)。這種方法得到的多孔結(jié)構(gòu)其孔密度大、孔尺寸小且分布均勻，但其顯著缺陷在于不便于成型宏觀大孔結(jié)構(gòu)(>l〇〇Mi)，不利于保障多孔結(jié)構(gòu)的連通性、貫通性。[〇〇〇4] 近年來，三維打印(3D Printing，簡稱3DP)，也稱快速成型(Rapid Prototyping， RP)作為一種先進制造成型技術(shù)在制備多孔支架方面具有無可比擬的優(yōu)勢，其打印系統(tǒng)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層打印、粘合起來從而制造出三維實體。針對于高分子材料，恪融沉積成型(Fused Deposit1n Modeling， FDM)作為一種典型3D打印技術(shù)，它通過把高分子材料用高溫熔化成液態(tài)，然后通過噴嘴擠壓出一個很小的熔料條，在熔料條擠出后立即固化，并通過噴嘴運動軌跡在立體空間的排列組合形成實物結(jié)構(gòu)。FDM可以準確、快速地將設(shè)計產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的部件。三維打印技術(shù)盡管理論上可以實現(xiàn)任何孔形及結(jié)構(gòu)的制備，但事實上由于受打印精度制約，如打印噴頭直徑，打印材料絲線、粒度等影響，其往往無法實現(xiàn)納米尺度，以及小于10 Mi的微孔成型。
[0005]因此，本發(fā)明針對常規(guī)微孔成型工藝技術(shù)的不足，提出一種新型的可實現(xiàn)多尺度孔結(jié)構(gòu)可控的骨組織工程支架的及其制備工藝。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明提供一種多尺度孔結(jié)構(gòu)可控的骨組織工程支架及其制備工藝，多尺度孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架不但可以提供組織再生所需的三維支撐，而且可以從多尺度層面上滿足蛋白吸附、營養(yǎng)物質(zhì)/代謝產(chǎn)物輸送、細胞迀移、組織長入的需要。
[0007]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0008]一種多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架，其包含多尺度微觀結(jié)構(gòu)，三維宏觀大孔尺度為:10-1000wii，大孔孔壁材料均勻分布三維微觀小孔，小孔尺度為500nm-10wi!，支架的孔隙率:30%?95%。所述多尺度微孔骨組織工程支架結(jié)構(gòu)高度模仿天然骨組織解剖結(jié)構(gòu)。
[0009]作為優(yōu)選方式，所述多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架材料成分可為:熱塑性醫(yī)用高分子材料為PLA、PLLA、PLGA、PEG或它們經(jīng)過任意比例共混得到的復(fù)合材料中的一種。熱塑性醫(yī)用高分子材料可以通過超臨界氣體發(fā)泡制備微孔結(jié)構(gòu)。
[0010]作為優(yōu)選方式，所述多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架總體孔隙率為30%? 95%，宏觀大孔尺度為:10-1000wii，大孔由快速成型技術(shù)制備，孔與孔之間可以通過任意形式互穿貫通，大孔孔壁均勻分布微觀小孔，小孔尺度為500nm-10wii，小孔由超臨界氣體發(fā)泡制備。
[0011]作為優(yōu)選方式，所述多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架，其特征在于:所述支架的三維宏觀大孔由快速成型技術(shù)制備，快速成型技術(shù)為恪融沉積成型(Fused Deposit1n Modeling，F(xiàn)DM)、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)、恪絲制造(Fused Filament Fabricat1n，F(xiàn)FF)、選擇性熱燒結(jié)(Selective Heat Sintering，SHS)等快速成型技術(shù)中的一種?？焖俪尚图夹g(shù)通過支架孔結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)計建?？梢杂行Фㄖ浦Ъ芸捉Y(jié)構(gòu)特征參數(shù)。
[0012]作為優(yōu)選方式，所述多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架，其特征在于:所述支架的三維微觀小孔由超臨界氣體發(fā)泡制備，超臨界氣體發(fā)泡所用氣體為二氧化碳或氮氣中的一種。二氧化碳及氮氣無毒性，價格低廉，超臨界氣體發(fā)泡工藝不引入其他化學(xué)試劑、溶劑， 避免了有毒、有害物質(zhì)對支架材料的污染，確保產(chǎn)品的生物相容性和安全性。
[0013]本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述的多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架的制備方法，其操作步驟包括:
[0014](a)醫(yī)用高分子材料骨組織工程支架宏觀孔結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)計及建模；
[0015](b)醫(yī)用高分子材料骨組織工程支架一級宏觀孔結(jié)構(gòu)經(jīng)快速成型技術(shù)打印制備；
[0016](c)將上述(b)步驟中打印成型的支架置于超臨界氣體反應(yīng)斧中進行氣體吸附，并達到支架基體材料氣體飽和吸附狀態(tài)；
[0017](d)控制(c)步驟中的反應(yīng)釜壓力及溫度，通過減壓或加溫的途徑進行支架氣體發(fā)泡制備三維微觀小孔結(jié)構(gòu)；
[0018](e)滅菌封裝:將步驟(d)所得多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架進行滅菌封裝。
[0019]作為優(yōu)選，所述步驟(a)中，醫(yī)用高分子材料骨組織工程支架宏觀孔結(jié)構(gòu)模型設(shè)計的孔隙率為60 %?90 %，三維宏觀大孔尺度為:200-800M1，大孔之間為三維互穿連接，各向同性。
[0020]作為優(yōu)選，所述步驟(b)中，醫(yī)用高分子材料骨組織工程支架宏觀孔結(jié)構(gòu)由FDM快速成型技術(shù)打印制備，打印噴頭直徑為〇.2-0.8mm，打印速度為50-200mm/s。[〇〇21]作為優(yōu)選，所述步驟(c)中，所述超臨界氣體吸附為超臨界二氧化碳氣體吸附，超臨界點為:Tc = 31.3°C，Pc = 7.3MPa，超臨界氣體吸附過程吸附溫度及壓力高于超臨界點， 吸附過程持續(xù)1?10小時。
[0022]作為優(yōu)選，所述步驟(d)中，所述通過減壓或加溫的途徑進行支架氣體發(fā)泡制備三維微觀小孔結(jié)構(gòu)，減壓速率>〇.5MPa/sec至標(biāo)準大氣壓，加溫途徑中的發(fā)泡溫度為對應(yīng)熱塑性高分子材料玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度以上10-50 °C ;
[0023]本發(fā)明還提供了一種所述多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架的用途:將其用作人體硬組織缺損的修復(fù)或骨組織工程用支架材料。[〇〇24]作為優(yōu)選，本發(fā)明所述三級仿生的骨組織工程支架材料還可與藥物、基因、細胞等復(fù)合制備具有特殊藥物、生物學(xué)功能的骨組織工程支架。[〇〇25]本發(fā)明的有益效果:
[0026] 1、本發(fā)明所述的多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架以可生物降解醫(yī)用高分子材料為原料，從材料成分上保證了支架的生物安全性和生物相容性，促進了其骨組織修復(fù)功能。
[0027] 2、本發(fā)明所述的多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架具有多層級的微納米孔結(jié)構(gòu)，高度仿生天然骨組織解剖結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一方面可以通過建模預(yù)定制支架的力學(xué)性能以匹配骨組織的生物力學(xué)特性，另一方面可以從多尺度范圍內(nèi)模擬天然骨相類似的多孔微環(huán)境，有助于促進骨組織整合與修復(fù)。
[0028] 3、本發(fā)明所述的多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架，不但可以提供骨組織再生所需的三維支撐，同時其宏觀大孔有利于宿主骨組織及血管的長入，其微孔小孔結(jié)構(gòu)可以滿足蛋白吸附、營養(yǎng)物質(zhì)/代謝產(chǎn)物輸送以及細胞迀移等，可以從多尺度層面上滿足支架的生物學(xué)功能實現(xiàn)。
[0029] 4、本發(fā)明所述的多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架的整個制備工藝中，無化學(xué)反應(yīng)及有機溶劑參與，避免了有毒、有害物質(zhì)對支架的污染。產(chǎn)品具有良好的外形結(jié)構(gòu)可設(shè)計性和多尺度微孔結(jié)構(gòu)可設(shè)計性能，同時支架具有可調(diào)控的力學(xué)特性，可有效滿足匹配天然骨組織的生物力學(xué)要求。【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的制備工藝流程圖；
[0031]圖2為通過FDM打印定制微米尺度三維多孔支架；
[0032]圖3為通過超臨界氣體發(fā)泡成型支架內(nèi)部納米尺度微孔；
[0033]圖4為經(jīng)roM打印成型的微米尺度三維多孔組織工程支架的SEM圖，其支架宏觀孔結(jié)構(gòu)中，經(jīng)噴頭擠出絲線直徑約為400mi，三維宏觀大孔尺度約為:200X200mi，孔隙率約為 60%，大孔之間三維互穿連接，各向同性，無納米尺度微孔。
[0034]圖5為經(jīng)超臨界氣體發(fā)泡后支架內(nèi)部納米尺度微孔的SEM圖，其支架保留了原有的宏觀孔結(jié)構(gòu)，同時打印絲線中經(jīng)超臨界氣體發(fā)泡成型了部分微納米尺度微孔，微孔分布均勻，大小不一，其微孔尺度約為l-5wii，經(jīng)超臨界氣體發(fā)泡成型的微納米尺度微孔經(jīng)一步提高了支架的整體孔隙率，其支架整體孔隙率約為65%。微、納米尺度微孔之間三維互穿，彼此貫通連接，無嚴格的取向性。[〇〇35]具體實施方法:
[0036]為達上述目的，本發(fā)明按照下述方法制備這種多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明工藝作進一步詳述。
[0037]本發(fā)明的制備工藝流程如圖1所示。仿生多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架的制備分為兩個步驟，其一是通過快速成型技術(shù)三維打印對醫(yī)用高分子材料定制微米尺度內(nèi)的三維孔結(jié)構(gòu)及外形;其二是將由快速成型技術(shù)三維打印制備的微米尺度支架進行超臨界氣體發(fā)泡，由此在支架結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成微納米尺度的二級微孔。經(jīng)本發(fā)明制備工藝成型的仿生多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架具有從500納米至1000微米范圍內(nèi)可調(diào)的多層級仿生類骨三維孔結(jié)構(gòu)。該骨組織工程支架不但可以提供骨組織再生所需的三維支撐，而且可以從多尺度層面上滿足蛋白吸附、營養(yǎng)物質(zhì)/代謝產(chǎn)物輸送、細胞迀移、組織長入的需要。 [〇〇38]本發(fā)明所適用的支架三維宏觀大孔可由包括以下快速成型技術(shù)制備:如熔融沉積成型(Fused Deposit1n Modeling，F(xiàn)DM)、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering， SLS)、恪絲制造(Fused Filament Fabricat1n，F(xiàn)FF)、選擇性熱燒結(jié)(Selective Heat Sinter ing，SHS)等快速成型技術(shù)。[〇〇39]本發(fā)明所適用的醫(yī)用高分子材料為熱塑性高分子材料，如臨床常用的PLA、PLLA、 PLGA、PEG或它們經(jīng)過任意比例共混得到的復(fù)合材料中的一種。熱塑性醫(yī)用高分子材料可以通過超臨界氣體發(fā)泡制備微孔結(jié)構(gòu)。
[0040]本發(fā)明中所適用的超臨界氣體發(fā)泡所用氣體為:《)2或他中的一種。[〇〇41]以下所列為本發(fā)明的幾個最佳實施例，應(yīng)該理解的是，這些實施例僅用于例證的目的，決不限制本發(fā)明的保護范圍。[〇〇42] 實施例1
[0043]以熱塑性醫(yī)用高分子材料PLA為原材料制備仿生多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架。其制作具體步驟如下:[〇〇44]1)選擇? 1.75mm的醫(yī)用級PLA材料線材，經(jīng)由FDM三維打印成型微米尺度三維多孔組織工程支架，其具體打印工藝中，選擇直徑為? 0.2mm的單噴頭打印，噴頭溫度為200°C， 打印速度為150mm/s，截面內(nèi)的宏觀孔設(shè)計尺寸為200 X 200wii的正交大孔，垂直方向分層厚度為200wii。其最終成型的支架外形尺寸為?8X6mm，支架維宏觀大孔尺度約為:200X200 X 200mi，孔隙率約為50 %，大孔之間三維互穿連接，各向同性。
[0045]2)將步驟一得到的三維大孔組織工程支架經(jīng)超臨界二氧化碳氣體發(fā)泡制備二級微納米尺寸微孔。其氣體發(fā)泡工藝中，設(shè)置的吸附氣體環(huán)境為T = 35°C，P = 7.5MPa，吸附時間為5小時，發(fā)泡溫度為T=100°C，發(fā)泡時間為5秒。其最終獲得的支架保留了原有的宏觀孔結(jié)構(gòu)，支架維宏觀大孔尺度約為= 215X215 X215M1，同時打印絲線中經(jīng)超臨界氣體發(fā)泡成型了部分微納米尺度微孔，微孔尺度約為2mi，微孔分布均勻，無嚴格的取向性。經(jīng)超臨界氣體發(fā)泡成型進一步提高了支架的整體孔隙率，其支架整體孔隙率約為55%。一級、二級微納米尺度微孔之間三維互穿，彼此貫通。
[0046]實施例2
[0047]其它條件及工藝同實施例1，不同之處在于步驟一中采用不同的三維打印工藝。其具體打印工藝中，選擇直徑為?〇.4mm的單噴頭打印，噴頭溫度為200°C，打印速度為150_/ s，截面內(nèi)的宏觀孔設(shè)計尺寸為400 X 400wii的正交大孔，垂直方向分層厚度為400mi。其最終成型的支架外形尺寸為? 8 X 6mm，支架維宏觀大孔尺度約為:400 X 400 X 400mi，孔隙率約為52%，大孔之間三維互穿連接，各向同性。經(jīng)由實施例1中步驟二的超臨界氣體發(fā)泡工藝， 最終成型的仿生多尺度微孔結(jié)構(gòu)支架的宏觀大孔尺度約為:420X420X420wii，打印絲線中成型的二級微納米尺度微孔約為2wii，其支架整體孔隙率約為57%。一級、二級微納米尺度微孔之間三維互穿，彼此貫通。此實施例在步驟一中通過三維打印工藝，調(diào)控了支架的一級宏觀大孔結(jié)構(gòu)。
[0048]實施例3
[0049]其它條件及工藝同實施例1，不同之處在于步驟一中采用不同的三維打印工藝。其具體打印工藝中，選擇直徑為?〇.4mm的單噴頭打印，噴頭溫度為200°C，打印速度為150_/ s，截面內(nèi)的宏觀孔設(shè)計尺寸為600 X 600wii的正交大孔，垂直方向分層厚度為400mi。其最終成型的支架外形尺寸為? 8 X 6mm，支架維宏觀大孔尺度約為:600 X 600 X 400mi，孔隙率約為66%，大孔之間三維互穿連接，各向同性。經(jīng)由實施例1中步驟二的超臨界氣體發(fā)泡工藝， 最終成型的仿生多尺度微孔結(jié)構(gòu)支架的宏觀大孔尺度約為:620X620X420wii，打印絲線中成型的二級微納米尺度微孔約為2wii，其支架整體孔隙率約為70%。一級、二級微納米尺度微孔之間三維互穿，彼此貫通。此實施例在步驟一中通過三維打印工藝，調(diào)控了支架的一級宏觀大孔結(jié)構(gòu)。
[0050]實施例4
[0051]其它條件及工藝同實施例1，不同之處在于步驟二中采用不同的超臨界氣體發(fā)泡工藝。其步驟二氣體發(fā)泡工藝中，設(shè)置的吸附氣體環(huán)境為T = 35°C，P = 8.0MPa，吸附時間為5 小時，發(fā)泡溫度為T=100°C，發(fā)泡時間為5秒。通過超臨界氣體發(fā)泡，打印絲線中成型了部分微納米尺度微孔，微孔尺度約為lMi，其最終獲得的支架具有一級宏觀大孔尺度為:212X 212X212M1，二級微納米孔約支架整體孔隙率約為53%。一級、二級微納米尺度微孔之間三維互穿，彼此貫通。此實施例在步驟二中通過超臨界氣體發(fā)泡工藝，調(diào)控了支架的二級微納米孔結(jié)構(gòu)。[〇〇52] 實施例5
[0053]其它條件及工藝同實施例4,不同之處在于步驟二中采用不同的超臨界氣體發(fā)泡工藝。其步驟二氣體發(fā)泡工藝中，設(shè)置的吸附氣體環(huán)境為T = 40 °C，P = 9.0MPa，吸附時間為5 小時，發(fā)泡溫度為T=100°C，發(fā)泡時間為5秒。通過超臨界氣體發(fā)泡，打印絲線中成型了部分微納米尺度微孔，微孔尺度約為800nm，其最終獲得的支架具有一級宏觀大孔尺度為:208 X 208 X 208M1，二級微納米孔約? 800nm，支架整體孔隙率約為52%。一級、二級微納米尺度微孔之間三維互穿，彼此貫通。此實施例在步驟二中通過超臨界氣體發(fā)泡工藝，調(diào)控了支架的二級微納米孔結(jié)構(gòu)。
[0054]實施例6
[0055]其它條件及工藝同實施例3,不同之處在于步驟二中采用不同的超臨界氣體發(fā)泡工藝。其步驟二氣體發(fā)泡工藝中，設(shè)置的吸附氣體環(huán)境為T = 40 °C，P = 9.0MPa，吸附時間為 10小時，發(fā)泡溫度為T=110°C，發(fā)泡時間為5秒。通過超臨界氣體發(fā)泡，打印絲線中成型了部分微納米尺度微孔，微孔尺度約為600nm，其最終獲得的仿生多尺度微孔結(jié)構(gòu)支架的宏觀大孔尺度約為:612X612X412mi，打印絲線中成型的二級微納米尺度微孔約為600nm，其支架整體孔隙率約為67 %。一級、二級微納米尺度微孔之間三維互穿，彼此貫通。此實施例在步驟二中通過超臨界氣體發(fā)泡工藝，調(diào)控了支架的二級微納米孔結(jié)構(gòu)。
[0056] 實施例7[〇〇57]其它條件及工藝同實施例1，不同之處在于選擇不同的醫(yī)用高分子PLLA作為原材料。其步驟一具體打印工藝中，選擇直徑為? 〇.4mm的單噴頭打印，噴頭溫度為210 °C，打印速度為120mm/s，截面內(nèi)的宏觀孔設(shè)計尺寸為600 X 600wii的正交大孔，垂直方向分層厚度為 600wii。經(jīng)由實施例1中步驟二的超臨界氣體發(fā)泡工藝，最終成型的仿生多尺度微孔結(jié)構(gòu)支架中的一級宏觀大孔為:620 X 620 X 420mi，二級微納米尺度微孔約為2mi，其支架整體孔隙率約為70%。一級、二級微納米尺度微孔之間三維互穿，彼此貫通。
[0058]實施例8
[0059]其它條件及工藝同實施例1，不同之處在于步驟二中選擇不同的發(fā)泡氣體進行二級微納米孔制備。其步驟二的具體工藝中，設(shè)置的吸附氣體為氮氣(N2)環(huán)境為T = 30°C，P = 8.0MPa，吸附時間為10小時，發(fā)泡溫度為T= 100°C，發(fā)泡時間為5秒。打印絲線中經(jīng)氮氣發(fā)泡成型了部分微納米尺度微孔，微孔尺度約為1.2wii。其最終成型的仿生多尺度微孔結(jié)構(gòu)支架中的一級宏觀大孔為:215 X 215 X 21 5mi，二級微納米尺度微孔約為1.2mi，其支架整體孔隙率約為54%。一級、二級微納米尺度微孔之間三維互穿，彼此貫通。0)2及他均無毒性、價格低廉，經(jīng)它們成型的二級微納米孔不會存在有毒物質(zhì)殘留，可以確保組織工程支架的生物相容性，避免植入體在體內(nèi)出現(xiàn)炎癥反應(yīng)。
[0060]實施例9細胞毒性實驗
[0061]取上述各實施例中制備的支架試樣作細胞毒性實驗研究，實驗中以IX 105個/樣的細胞密度進行種植，Osteoblast細胞在該試樣表面進行懸浮培養(yǎng)，培養(yǎng)環(huán)境條件為5% C02，37°C，第1、3、5天進行激光共聚焦細胞形貌觀察，同時通過MTT比色法檢測細胞的存活和生長狀況，實驗結(jié)果顯示，在各實施例中制得的骨組織工程支架上細胞存活、生長、增殖狀況良好，細胞整體存活率>95%。此說明經(jīng)本發(fā)明提供的支架材料不但可以提供成骨細胞生長所需的三維介質(zhì)，同時可從多尺度層面上滿足細胞黏附所需的材料表面理化特性， 利于營養(yǎng)物質(zhì)/代謝產(chǎn)物傳輸。同時本發(fā)明以無毒的C02作為發(fā)泡劑，制備工藝中無任何有機溶劑參與，無任何毒副隱患，安全可靠。
[0062]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，對本發(fā)明而言僅是說明性的，而非限制性的； 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進行許多改變，修改，甚至等效變更，但都將落入本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種仿生骨組織工程支架材料，其特征在于，所述支架為醫(yī)用高分子材質(zhì)，包含從微 米至納米范圍內(nèi)多尺度可調(diào)的三維孔結(jié)構(gòu)，具體包括由醫(yī)用高分子構(gòu)成的一級三維宏觀大 孔結(jié)構(gòu)以及分布于所述一級三維宏觀大孔結(jié)構(gòu)孔壁上的二級三維微觀小孔結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架，其特征在于:所述支架 原材料為熱塑性醫(yī)用高分子材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架，其特征在于，所述熱塑 性醫(yī)用高分子材料為PLA、PLLA、PLGA、PEG或它們經(jīng)過任意比例共混得到的復(fù)合材料中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架，其特征在于:支架的孔 隙率:30%?95%，三維宏觀大孔尺度為:10-1000ym，大孔孔壁材料均勻分布三維球狀微觀小 孔，小孔尺度為500nm-10ym〇5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架，其特征在于:所述支架 的一級三維宏觀大孔由快速成型技術(shù)三維打印成型，三維打印快速成型技術(shù)為熔融沉積成 型(fused deposit1n modeling，F(xiàn)DM)、選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering， SLS)、恪絲制造(Fused Filament Fabricat1n，F(xiàn)FF)、選擇性熱燒結(jié)(Selective heat sintering，SHS)等快速成型技術(shù)中的一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架，其特征在于:所述支架 的二級三維微觀小孔由超臨界氣體發(fā)泡制備，超臨界氣體發(fā)泡所用氣體為二氧化碳或氮氣 中的一種。7.—種如權(quán)利要求1所述的多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架，其特征在于，其制作 步驟包括:(a)醫(yī)用高分子材料骨組織工程支架宏觀孔結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)計及建模；(b)醫(yī)用高分子材料骨組織工程支架宏觀孔結(jié)構(gòu)經(jīng)快速成型技術(shù)打印制備；(c)將上述(b)步驟中打印成型的支架置于超臨界氣體反應(yīng)斧中進行氣體吸附，并達到 支架基體材料氣體飽和吸附狀態(tài)；(d)控制(c)步驟中的反應(yīng)釜壓力及溫度，通過減壓或加溫的途徑進行支架氣體發(fā)泡制 備三維微觀小孔結(jié)構(gòu)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述制備方法，其特征在于，還包括步驟(e)滅菌封裝:將步驟(d)所 得多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架進行滅菌封裝。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述制備方法，其特征在于，所述步驟(b)中，醫(yī)用高分子材料骨組 織工程支架宏觀孔結(jié)構(gòu)由H)M快速成型技術(shù)打印制備，打印噴頭直徑為0.2-0.8mm，打印速 度為50-200mm/s;所述步驟(d)中，所述通過減壓或加溫的途徑進行支架氣體發(fā)泡制備三維 微觀小孔結(jié)構(gòu)，減壓速率0.5MPa/sec至標(biāo)準大氣壓，加溫途徑中的發(fā)泡溫度為對應(yīng)熱塑性 高分子材料玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度以上10-50 °C。10.—種如權(quán)利要求1所述的多尺度可控微孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架的用途，其特征在 于，將其用作骨組織工程支架材料。
【文檔編號】A61L27/54GK105944147SQ201610260534
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】周長春, 樊渝江, 王科鋒, 朱向東, 裴玄, 殷國富, 張興棟
【申請人】四川大學(xué)