利用超臨界流體技術(shù)一步制備雙模式孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于超臨界流體技術(shù)制備雙模式孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架的方法。將預(yù)先使用乳化/溶劑揮發(fā)法合成的聚合物微球與作為成核劑的亞微米級(jí)或納米級(jí)顆粒(例如羥基磷灰石，鈦硅分子篩、二氧化鈦)進(jìn)行混合，取混合物壓片后形成圓柱形的薄片，放入高壓釜內(nèi)，在一定溫度、壓力下保壓一段時(shí)間，以一定的泄壓速率進(jìn)行泄壓，形成具有雙模式孔結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架。本發(fā)明專利技術(shù)具有操作條件溫和、操作工藝簡(jiǎn)單、過(guò)程穩(wěn)定，無(wú)有機(jī)溶劑殘留，可用于骨組織工程支架的制備。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種基于超臨界流體技術(shù)制備雙模式孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架的方法。
技術(shù)介紹
組織工程支架是組織工程的三要素之一，為了滿足細(xì)胞的黏附、增殖和分化，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳輸和代謝產(chǎn)物的排出，組織工程支架需要具有雙模式的孔徑分布、較高的孔隙率和合適的機(jī)械強(qiáng)度(TheJournalofSupercriticalFluids，2012,69：97-107)。具有雙模式孔結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架，其中用于骨細(xì)胞的增殖、生長(zhǎng)和分化的大孔孔徑應(yīng)大于100μm，而用于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳遞的小孔孔徑應(yīng)在1～50μm之間(BiotechnologyandBioengineering，2011，108：963-976；Biomaterials，2005，26：5474-91)。為了制備得到滿足要求的具有雙模式孔結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架，選擇合適的制備方法就變得非常重要。支架的制備方法主要有溶劑澆鑄/顆粒瀝濾法、相分離法、3D打印、熔融澆鑄/顆粒瀝濾等(CurrentOpinioninSolidStateandMaterialsScience，2004,8:313-321)。雖然這些方法能制備出連通孔隙率高且孔徑較大的支架，但是卻需要使用大量的有機(jī)溶劑或者在高溫下操作，不利于組織工程中生物因子的負(fù)載。超臨界流體發(fā)泡法，特別是超臨界二氧化碳發(fā)泡法，因其能夠避免有機(jī)溶劑的使用和高溫，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。超臨界二氧化碳發(fā)泡法由于超臨界二氧化碳對(duì)聚合物的塑化作用，聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔融溫度下降，從而可大大降低聚合物的發(fā)泡溫度，使得超臨界二氧化碳發(fā)泡可以在較低的溫度進(jìn)行。超臨界二氧化碳發(fā)泡過(guò)程包括二氧化碳擴(kuò)散溶解進(jìn)入聚合物基質(zhì)內(nèi)部、超臨界二氧化碳對(duì)聚合物的塑化作用降低聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔融溫度、泄壓時(shí)二氧化碳的過(guò)飽和致使大量氣核產(chǎn)生并生長(zhǎng)，最終聚合物固化得到具有多孔結(jié)構(gòu)的材料(Biomaterials，1996，17：1417-1422)。在發(fā)泡過(guò)程中加入成核劑，可以有效強(qiáng)化發(fā)泡過(guò)程的成核行為，形成更多的氣核，在不同的泄壓速率下，氣核生長(zhǎng)形成多種模式的孔結(jié)構(gòu)。使用超臨界流體發(fā)泡法制備具有小孔尺寸(1～10μm)和高密度泡孔(109～1012cells/cm3)的微孔發(fā)泡材料過(guò)程中，就涉及到成核劑的使用。硬脂酸鈣、滑石、硬脂酸鋅、苯甲酸鈉、硬脂酸、硅酸鎂和橡膠顆粒等均可用作超臨界流體發(fā)泡過(guò)程中的成核劑(JournalofAppliedPolymerScience，2008,108：3997-4003)。將成核劑用于制備組織工程支架還需要滿足一定的要求，或易于除去，或成核劑的存在對(duì)細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)和分化無(wú)抑制作用，如能有一定的促進(jìn)作用則更好。例如二氧化鈦可作為超臨界流體法制備組織工程支架的成核劑，它不僅能夠增強(qiáng)成骨細(xì)胞的黏附，還可以誘導(dǎo)在活組織內(nèi)的細(xì)胞生長(zhǎng)(ACSAppliedMaterials&Interfaces，2014，6：16918-16931)；羥基磷灰石具有很好的生物相容性，能為新骨的沉積提供基質(zhì)，具有一定骨傳導(dǎo)性(BiotechnologyandBioengineering，2015,112：801-810)；磷酸三鈣具有很好的生物相容性和可降解性，同時(shí)用硅穩(wěn)定的磷酸三鈣可以增加骨的傳導(dǎo)性(JournalofBiomedicalMaterialsResearchPartA，2008，85:301-312)。如能將生物相容性的亞微米或納米微粒作為成核劑用于超臨界二氧化碳發(fā)泡過(guò)程，則有利于泄壓時(shí)大量氣核的產(chǎn)生和孔的合并、破裂，易于形成具有雙模式多孔結(jié)構(gòu)的組織工程支架。在超臨界二氧化碳發(fā)泡過(guò)程中，發(fā)泡溫度、壓力、平衡時(shí)間和泄壓速率都會(huì)對(duì)支架的孔結(jié)構(gòu)有不同程度的影響，因此通過(guò)調(diào)節(jié)上述操作參數(shù)，制備得到具有不同孔結(jié)構(gòu)的組織工程支架，具有重要的意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種基于超臨界流體技術(shù)制備雙模式孔結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架的方法。一種基于超臨界流體技術(shù)制備雙模式孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架的方法，包括如下步驟：1)將原料聚合物溶解在有機(jī)溶液中，然后加入到乳化劑的水溶液中，高速攪拌1～3分鐘，形成乳化的溶液，在30℃下?lián)]發(fā)，離心收集聚合物微球；2)聚合物微球與成核劑進(jìn)行混合，取混合物壓片，得到圓柱體薄片；3)將圓柱體薄片放入超臨界流體發(fā)泡系統(tǒng)的高壓釜內(nèi)，向高壓釜中通入二氧化碳，在溫度35～70℃、壓力6～20MPa和平衡時(shí)間大于30分鐘的條件下，二氧化碳擴(kuò)散溶解進(jìn)入聚合物中；以0.1～20MPa/min的泄壓速率進(jìn)行泄壓，隨著二氧化碳從聚合物中擴(kuò)散出來(lái)，得到具有雙模式孔結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架；所述超臨界流體發(fā)泡系統(tǒng)包括CO2鋼瓶、手動(dòng)閥、單向閥、熱交換器、流量計(jì)、高壓泵、冷卻浴、熱交換器、壓力表、可控電加熱夾套、高壓釜和泄壓閥；CO2鋼瓶與手動(dòng)閥、單向閥、熱交換器的管程、流量計(jì)、高壓泵、熱交換器、高壓釜、泄壓閥順次相連，熱交換器的殼程、冷卻浴、高壓泵構(gòu)成冷卻回路，高壓釜周圍設(shè)有可控電加熱夾套，高壓釜與壓力表相連。優(yōu)選的，所述的聚合物為聚乳酸、聚乙醇酸和乳酸-乙醇酸共聚物。優(yōu)選的，所述的有機(jī)溶劑為二氯甲烷或三氯甲烷；乳化劑為聚乙烯醇；乳化劑水溶液濃度為0.5％～2％(w/w)，體積用量為有機(jī)溶劑的10～50倍。優(yōu)選的，所述的成核劑用量為聚合物的1％～20％。優(yōu)選的，所述的成核劑為亞微米級(jí)或納米級(jí)顆粒，所述的亞微米級(jí)或納米級(jí)顆粒為羥基磷灰石、鈦硅分子篩或二氧化鈦中的一種或多種。本專利技術(shù)利用超臨界二氧化碳技術(shù)，可以采用多種成核劑制備具有雙模式孔結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架，以解決現(xiàn)有骨組織工程支架制備方法涉及高溫或有機(jī)溶劑的問(wèn)題。選用的成核劑不僅在發(fā)泡過(guò)程中具有成核的能力，而且具有很好的生物相容性及生物活性，有利于細(xì)胞在組織工程支架上的黏附、增殖和分化，且在發(fā)泡后不必除去。因此，與傳統(tǒng)的顆粒瀝濾法相比，在超臨界CO2發(fā)泡過(guò)程中添加成核劑不僅操作更簡(jiǎn)單、操作條件溫和，一步制備得到具有雙模式孔徑分布的支架，而且若選擇生物活性物質(zhì)作為成核劑可以有效增強(qiáng)支架的功能，使支架具有很好的生物活性。附圖說(shuō)明圖1為超臨界流體發(fā)泡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例1中14MPa/min的泄壓速率下所制備的骨組織工程支架的電子掃描顯微鏡照片；圖3為實(shí)施例1中1MPa/min的泄壓速率下所制備的骨組織工程支架的電子掃描顯微鏡照片。具體實(shí)施方式一種基于超臨界流體技術(shù)制備雙模式孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架的方法，包括如下步驟：1)將原料聚合物溶解在有機(jī)溶液中，然后加入到乳化劑的水溶液中，高速攪拌1～3分鐘，形成乳化的溶液，在30℃下?lián)]發(fā)，離心收集聚合物微球；2)聚合物微球與成核劑進(jìn)行混合，取混合物壓片，得到圓柱體薄片；3)將圓柱體薄片放入超臨界流體發(fā)泡系統(tǒng)的高壓釜內(nèi)，向高壓釜中通入二氧化碳，在溫度35～70℃、壓力6～20MPa和平衡時(shí)間大于30分鐘的條件下，二氧化碳擴(kuò)散溶解進(jìn)入聚合物中；以0.1～20MPa/min的泄壓速率進(jìn)行泄壓，隨著二氧化碳從聚合物中擴(kuò)散出來(lái)，得到具有雙模式孔結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架；如圖1所述，所述超臨界流體發(fā)泡系統(tǒng)包括CO2鋼瓶1、手動(dòng)閥2、單向閥3、熱交換器4、流量計(jì)5、高壓泵6、冷卻浴7、熱交換器8、壓力表9、可控電加熱夾套10本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于超臨界流體技術(shù)制備雙模式孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架的方法，其特征在于包括如下步驟：1)將原料聚合物溶解在有機(jī)溶劑中，然后加入到乳化劑的水溶液中，高速攪拌1～3分鐘，形成乳化的溶液，在30℃下?lián)]發(fā)，離心收集聚合物微球；2)聚合物微球與成核劑進(jìn)行混合，取混合物壓片，得到圓柱體薄片；3)將圓柱體薄片放入超臨界流體發(fā)泡系統(tǒng)的高壓釜內(nèi)，向高壓釜中通入二氧化碳，在溫度35～70℃、壓力6～20MPa和平衡時(shí)間大于30分鐘的條件下，二氧化碳擴(kuò)散溶解進(jìn)入聚合物中；以0.1～20MPa/min的泄壓速率進(jìn)行泄壓，隨著二氧化碳從聚合物中擴(kuò)散出來(lái)，得到具有雙模式孔結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架；所述超臨界流體發(fā)泡系統(tǒng)包括CO2鋼瓶(1)、手動(dòng)閥(2)、單向閥(3)、熱交換器(4)、流量計(jì)(5)、高壓泵(6)、冷卻浴(7)、熱交換器(8)、壓力表(9)、可控電加熱夾套(10)、高壓釜(11)和泄壓閥(12)；CO2鋼瓶(1)與手動(dòng)閥(2)、單向閥(3)、熱交換器(4)的管程、流量計(jì)(5)、高壓泵(6)、熱交換器(8)、高壓釜(11)、泄壓閥(12)順次相連，熱交換器(4)的殼程、冷卻浴(7)、高壓泵(6)構(gòu)成冷卻回路，高壓釜(11)周圍設(shè)有可控電加熱夾套(10)，高壓釜(11)與壓力表(9)相連。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于超臨界流體技術(shù)制備雙模式孔結(jié)構(gòu)骨組織工程支架的方法，其特征在于包括如下步驟：1)將原料聚合物溶解在有機(jī)溶劑中，然后加入到乳化劑的水溶液中，高速攪拌1～3分鐘，形成乳化的溶液，在30℃下?lián)]發(fā)，離心收集聚合物微球；2)聚合物微球與成核劑進(jìn)行混合，取混合物壓片，得到圓柱體薄片；3)將圓柱體薄片放入超臨界流體發(fā)泡系統(tǒng)的高壓釜內(nèi)，向高壓釜中通入二氧化碳，在溫度35～70℃、壓力6～20MPa和平衡時(shí)間大于30分鐘的條件下，二氧化碳擴(kuò)散溶解進(jìn)入聚合物中；以0.1～20MPa/min的泄壓速率進(jìn)行泄壓，隨著二氧化碳從聚合物中擴(kuò)散出來(lái)，得到具有雙模式孔結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架；所述超臨界流體發(fā)泡系統(tǒng)包括CO2鋼瓶(1)、手動(dòng)閥(2)、單向閥(3)、熱交換器(4)、流量計(jì)(5)、高壓泵(6)、冷卻浴(7)、熱交換器(8)、壓力表(9)、可控電加熱夾套(10)、高壓釜(11)和泄壓閥(12)；CO2鋼瓶(1)與手動(dòng)閥(2)、單向閥(3)、熱交換器(4)的管程、流量計(jì)(5)、高壓泵(6)、熱交換器(...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：關(guān)怡新，辛新，陳傳鑫，姚善涇，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：浙江大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：浙江;33