技术领域
[0001] 本
发明属于高分子材料技术领域，涉及一种高孔隙率组织工程支架及其制备方法。
背景技术
[0002] 组织工程学中应用的支架材料，应具备以下几个基本特征:良好的
生物相容性和可降解性，孔隙率达到90％以上、具有大小不一、形态各异的微观结构、有利于细胞粘附的三维多孔结构，其中200～300μm结构的泡孔材料有利于骨组织工程修复，高孔隙率的支架具有大的
比表面积,能够提供成骨细胞种植、生长以及分泌细胞外基质足够的空间，且
力学强度的压缩模量和压缩强度能满足骨骼生长的要求。
[0003] 聚乳酸(PLA)及其共聚物聚(乳酸-
乙醇酸)(PLGA)是组织工程支架中应用较广的可降解
聚合物材料,目前超临界CO2发泡法制备的PLGA组织工程支架多孔材料，孔隙率仅为70％左右，特别是支架表面孔洞很少，常常需要额外
切除组织工程支架材料的表
面层以初步改善孔间连通性,这种超临界CO2发泡法往往存在泡孔封闭连通性差、材料利用率低、耗时长且耗能大等问题，而且其机械性能中的模量和强度也不够足以
支撑骨组织工程支架的生长，因此PLGA限制了其在组织工程领域的应用。
[0004] 研究新的组织工程支架材料，制备高孔隙率的支架具有大的比表面积,能够提供成骨细胞种植、生长以及分泌细胞外基质足够的空间的支架材料及制备方法一直是组织工程的研究热点之一。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对
现有技术的不足，提供一种高孔隙率组织工程支架的制备方法。
[0006] 本发明高孔隙率组织工程支架材料，其孔隙率达到90％，平均孔径约260μm，贯通的孔相互连接，包括以下原料配方(
质量百分含量)：
[0007] 基体材料40～55％，
有机溶剂3～8％，致孔剂1～4％，
止血剂0.5～2％，骨形态发生蛋白1.5～3％，免疫
抑制剂2～5％，抗生素3～5％，引发剂2～8％，保
水凝胶15～25％；
[0008] 所述的基体材料为聚ε-己内酯、
碳酸羟基
磷灰石、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)、a-氰基
丙烯酸酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯吡咯烷
酮中的一种或多种；这些材料均具有良好的生物相容性、良好的有机高聚物相容性，以及良好的
生物降解性，可用作细胞生长支持材料。
[0009] 所述的
有机溶剂为二甲基乙酰胺、乙醚、二氯甲烷、松节油、脂肪
烃、乙酸甲酯、甲基乙基酮肟、聚乙二醇中的一种或多种；均为非质子高极性溶剂，溶解力很强，且能使本发明中的化合物分子活化。
[0010] 所述的致孔剂为
海盐、蓖麻糖、碳酸氢
钾、碳酸锂中的一种或多种；在上述物质的作用下，本发明中的化合物即刻产生大量气泡(二
氧化碳)，有气泡酒能产生孔隙，从而使制备的多孔材料的孔隙率符合组织工程支架的要求。
[0011] 所述的止血剂为褐藻酸钠；以便在工程支架材料植入人体时，能刺激
纤维蛋白形成或者抑止纤维蛋白溶解来改善止血。
[0012] 所述的骨形态发生蛋白为维
甲酸、转化生长因子-β(TGF-β)、重组人骨形态发生蛋白-7、
成纤维细胞生长因子(FGF)、甲状旁腺
激素(PTH)、生长和分化因子(GDF)、雌二醇、安苏萌中的一种或多种；应用骨形态发生蛋白的高效成骨活性，可以降低其骨不连的发生率，且能够修复缺损骨和死骨后形成的缺损，从而促进新骨骼的生长。
[0013] 所述的免疫抑制剂为1-
萘酚、甲基强的松龙、α-羟基萘、硫唑嘌呤、甲萘酚、环磷酰胺、ALPHA-萘酚、甲
氨蝶呤中的一种或多种；在组织工程支架材料中能抑制与免疫反应有关细胞(T细胞和B细胞等巨噬细胞)的增殖和功能，能降低
抗体免疫反应。
[0014] 所述的抗生素为克林霉素、万古霉素、替考拉宁中的一种或多种；在组织工程支架材料中主要取抗菌作用，抑制免疫等。
[0015] 所述的引发剂为过氧化二苯甲酰；在热或光的作用下发生共价键均裂而生成两个自由基，能够引发本发明中的聚合反应。
[0016] 所述的保水凝胶是一种高吸水高保水材料，用做抗
氧化剂、
增稠剂，还是药物载体等。
[0017] 本发明的另一个目的是提供上述高孔隙率组织工程支架的制备方法，包括以下步骤：
[0018] 步骤(1)、制备保水凝胶：
[0019] 先将氢氧化钠加入聚亚烷基二醇进行预处理，再依次加入甲壳素盐、聚丙烯酸酯和碳酸
钙，均匀搅拌加温至45～65℃反应后，加入引发剂N-乙烯基吡咯烷酮进行接枝聚合反应，与水混合搅拌后最终制备得到保水凝胶。
[0020] 上述保水凝胶中氢氧化钠的质量含量为5～10％，聚亚烷基二醇的质量含量为15～20％，甲壳素盐的质量含量为3～8％、聚丙烯酸酯的质量含量为的质量含量为5～15％，碳酸钙的质量含量为10～25％，N-乙烯基吡咯烷酮的质量含量为6～15％，其余为水溶剂。
[0021] 步骤(2)、将步骤(1)制备得到的保水凝胶和基体材料、有机溶剂、致孔剂、止血剂、骨形态发生蛋白、免疫抑制剂、抗生素、引发剂混合导入FSH-2可调高速分散器将混合物成分拌匀，其中大匀浆刀:10000-18000转/分，小匀浆刀:12000-20000转/分，环境
温度:30℃～45℃；
[0022] 步骤(3)、采用美国Thar公司的SFE-500M1-2-FMC50System超临界装置，温度选择为：60～110℃，注气压力为20～45MPA，输入氮气和CO2的混合气体，其中输入氮气N2的速度为4～6升/分钟，输入CO2的速度为5～7升/分钟,反应保持在高温环境下40～60分钟，然后卸压时间为20～30分钟；然后以3～10℃的温度急剧下降至-80℃～-30℃冷冻3～12小时，冷却的速度为5～8℃/分钟；最后取出放在紫外光下照射10～24小时，杀菌消毒。
[0023] 本发明的有益效果：
[0024] 1.本发明的工艺简单，能一次性成型加工出符合要求的组织工程支架，本发明的孔隙率达到90％，平均孔径约260μm，贯通的孔相互连接，特别是加工的组织工程支架表面孔洞连通率好，无需像传统的加工方法支架表面孔洞很少，需要额外切除组织工程支架材料的表面层以初步改善孔间连通性。
[0025] 2.本发明的材料和方法相比传统的PLGA，模量和强度都有明显的提高，因其具有优良的机械强度。
[0026] 3.本发明采用的材料配方中含有保水凝胶，免疫抑制剂以及抗生素，从而能抑制细菌感染，有利于细胞培养和促进骨骼愈合。
附图说明
[0027] 图1是
实施例1复合支架材料电镜照片；
[0028] 图2是实施例2复合支架材料电镜照片；
[0029] 图3是实施例3复合支架材料电镜照片；
[0030] 图4是本发明材料的孔隙率分布图。
具体实施方式
[0031] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
[0032] 以下实施例材料测试的方法：
[0033] (1)材料的扫描
电子显微镜(SEM)观察
[0034] 多孔材料的横切面,经喷金处理后通过型号KYKY一2800扫描电子显微镜下观察材料的形态和孔洞连通情况等。
[0035] (2)组织工程支架的压缩模量和压缩强度测试
[0036] 按照国家标准GB/T1041-2008“压缩性能试验方法”材料压缩模量为
应力应变曲线开始阶段的斜率。其中实验温度为12℃,湿度为70％。
[0037] (3)组织工程支架的孔隙率测试
[0038] 将材料切成规则立方体形,通过氦气真
密度仪测定孔隙率，采用“半个
大气压”测定法测定组织工程支架的孔隙率。
[0039] 图4是本发明材料的孔隙率分布图。
[0040] 实施例1:
[0041] 1.先制作保水凝胶：即先将氢氧化钠5g加入聚亚烷基二醇15g进行预处理；再依次加入甲壳素盐3g、聚丙烯酸酯5g和碳酸钙10g，引发剂N-乙烯基吡咯烷酮6g，其余为蒸馏水，均匀搅拌并加温至45℃，由此制备得到了保水凝胶。
[0042] 2.将制备的保水凝胶25g和上述基体材料:聚ε-己内酯30g、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)19.5g；有机溶剂:二甲基乙酰胺3g、乙醚2g；致孔剂:蓖麻糖4g；止血剂:褐藻酸钠1.5g；形态发生蛋白刺激因子：转化生长因子-β(TGF-β)2g；免疫抑制剂:1-萘酚2g、甲基强的松龙2g；抗生素:克林霉素3.5g；引发剂：过氧化二苯甲酰5.5g。将上述材料均匀混合，利用FSH-2可调高速分散器将混合物成分拌匀，其中大匀浆刀:10000转/分，小匀浆刀:12000转/分，
环境温度:30℃。
[0043] 3.采用美国Thar公司的SFE-500M1-2-FMC50System超临界装置，温度选择为：60℃，注气压力为20MPA，输入氮气和CO2的混合气体，其中输入氮气N2的速度为4升/分钟，输入CO2的速度为5升/分钟,反应保持在高温环境下40分钟，然后卸压时间为20分钟。
[0044] 4.再以3℃/分钟的温度急剧下降至-80℃冷冻3小时，冷却的速度为5℃/分钟。然后取出放在紫外光下照射10小时，杀菌消毒。
[0045] 图1是实施例1复合支架材料电镜照片。
[0046] 实施例2:
[0047] 1.先制作保水凝胶：即先将氢氧化钠10g加入聚亚烷基二醇20g进行预处理；再依次加入甲壳素盐8g、聚丙烯酸酯15g和碳酸钙25g，引发剂N-乙烯基吡咯烷酮15g，其余为蒸馏水，均匀搅拌并加温至65℃，由此制备得到了保水凝胶。
[0048] 2.将制备的保水凝胶22.5g和上述基体材料:聚ε-己内酯30g、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)18g；有机溶剂:二甲基乙酰胺3g、乙醚2g；致孔剂:蓖麻糖4g；止血剂:褐藻酸钠1.5g；形态发生蛋白刺激因子：甲状旁腺激素(PTH)2g、生长和分化因子(GDF)1g；免疫抑制剂:1-萘酚2g、甲基强的松龙2g；抗生素:万古霉素3.5g，替考拉宁1.5g；引发剂：过氧化二苯甲酰7g。将上述材料均匀混合，利用FSH-2可调高速分散器将混合物成分拌匀，其中大匀浆刀:15000转/分，小匀浆刀:15000转/分，环境温度:35℃。
[0049] 3.采用美国Thar公司的SFE-500M1-2-FMC50System超临界装置，温度选择为：80℃，注气压力为35MPA，输入氮气和CO2的混合气体，其中输入氮气N2的速度为5升/分钟，输入CO2的速度为6升/分钟,反应保持在高温环境下50分钟，然后卸压时间为25分钟。
[0050] 4.再以5℃/分钟的温度急剧下降至-50℃冷冻8小时，冷却的速度为6℃每分钟。然后取出放在紫外光下照射18小时，杀菌消毒。
[0051] 图2是实施例2复合支架材料电镜照片。
[0052] 实施例3:
[0053] 1.先制作保水凝胶：即先将氢氧化钠7g加入聚亚烷基二醇18g进行预处理；再依次加入甲壳素盐5g、聚丙烯酸酯10g和碳酸钙18g，引发剂N-乙烯基吡咯烷酮9g，其余为蒸馏水，均匀搅拌并加温至65℃，由此制备得到了保水凝胶。
[0054] 2.将制备的保水凝胶21.5g和上述基体材料:聚ε-己内酯28g、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)22g；有机溶剂:二甲基乙酰胺3g、乙醚2g；致孔剂:蓖麻糖4g；止血剂:褐藻酸钠1.5g；形态发生蛋白刺激因子：重组人骨形态发生蛋白-71.5g、成纤维细胞生长因子(FGF)
1.5g；免疫抑制剂:1-萘酚1g、甲基强的松龙3g；抗生素:克林霉素1.5g、万古霉素3.5g；引发剂：过氧化二苯甲酰6g。将上述材料均匀混合，利用FSH-2可调高速分散器将混合物成分拌匀，其中大匀浆刀:18000转/分，小匀浆刀:20000转/分，环境温度:45℃。
[0055] 3.采用美国Thar公司的SFE-500M1-2-FMC50System超临界装置，温度选择为：110℃，注气压力为45MPA，输入氮气和CO2的混合气体，其中输入氮气N2的速度为6升/分钟，输入CO2的速度为7升/分钟,反应保持在高温环境下60分钟，然后卸压时间为30分钟。
[0056] 4.再以10℃/分钟的温度急剧下降至-30℃冷冻12小时，冷却的速度为8℃每分钟。然后取出放在紫外光下照射24小时，杀菌消毒。
[0057] 图3是实施例3复合支架材料电镜照片。
[0058] 表1实施例1-3制备得到的支架材料与纯PLGA的机械性能及孔隙率比较[0059]
[0060] 从表1和实施例1～实施例3可以看出，实施例1-3制备得到的支架材料的孔隙率达到90％，平均孔径约260μm，且从图1和图3可以看出，贯通的孔相互连接，特别是加工的组织工程支架表面孔洞连通率好，无需像传统的加工方法支架表面孔洞很少，需要额外切除组织工程支架材料的表面层以初步改善孔间连通性。
[0061] 从表1可以看出：本发明的材料和方法相比传统的PLGA，模量和强度都有明显的提高，因其具有优良的机械强度。
[0062] 实施例4:
[0063] 1.先制作保水凝胶：即先将氢氧化钠8g加入聚亚烷基二醇16g进行预处理；再依次加入甲壳素盐8g、聚丙烯酸酯12g和碳酸钙20g，引发剂N-乙烯基吡咯烷酮10g，其余为蒸馏水，均匀搅拌并加温至50℃，由此制备得到了保水凝胶。
[0064] 2.将制备的保水凝胶25g和上述基体材料:碳酸羟基磷灰石40g；有机溶剂二甲基乙酰胺8g；致孔剂海盐4g；止血剂褐藻酸钠2g；形态发生蛋白刺激因子维甲酸3g；免疫抑制剂α-羟基萘5g；抗生素万古霉素5g；引发剂过氧化二苯甲酰8g。将上述材料均匀混合，利用FSH-2可调高速分散器将混合物成分拌匀，其中大匀浆刀:18000转/分，小匀浆刀:20000转/分，环境温度:40℃。
[0065] 3.采用美国Thar公司的SFE-500M1-2-FMC50System超临界装置，温度选择为：110℃，注气压力为45MPA，输入氮气和CO2的混合气体，其中输入氮气N2的速度为6升/分钟，输入CO2的速度为7升/分钟,反应保持在高温环境下60分钟，然后卸压时间为30分钟。
[0066] 4.再以10℃/分钟的温度急剧下降至-30℃冷冻12小时，冷却的速度为8℃每分钟。然后取出放在紫外光下照射24小时，杀菌消毒。
[0067] 本实施例制备得到的支架材料的孔隙率达到90％，平均孔径约276.3μm，贯通的孔相互连接；压缩模量为76.8MPa，压缩强度为7.93MPa。与相比传统的PLGA，模量和强度都有明显的提高，因其具有优良的机械强度。
[0068] 实施例5:
[0069] 1.先制作保水凝胶：即先将氢氧化钠8g加入聚亚烷基二醇16g进行预处理；再依次加入甲壳素盐8g、聚丙烯酸酯12g和碳酸钙20g，引发剂N-乙烯基吡咯烷酮10g，其余为蒸馏水，均匀搅拌并加温至50℃，由此制备得到了保水凝胶。
[0070] 2.将制备的保水凝胶25g和上述基体材料:α-氰基丙烯酸酯55g；有机溶剂乙醚8g；致孔剂碳酸氢钾3g；止血剂褐藻酸钠0.5g；形态发生蛋白刺激因子雌二醇1.5g；免疫抑制剂硫唑嘌呤2g；抗生素替考拉宁3g；引发剂过氧化二苯甲酰2g。将上述材料均匀混合，利用FSH-2可调高速分散器将混合物成分拌匀，其中大匀浆刀:15000转/分，小匀浆刀:18000转/分，环境温度:35℃。
[0071] 3.采用美国Thar公司的SFE-500M1-2-FMC50System超临界装置，温度选择为：100℃，注气压力为35MPA，输入氮气和CO2的混合气体，其中输入氮气N2的速度为5升/分钟，输入CO2的速度为6升/分钟,反应保持在高温环境下50分钟，然后卸压时间为25分钟。
[0072] 4.再以5℃/分钟的温度急剧下降至-50℃冷冻10小时，冷却的速度为6℃每分钟。然后取出放在紫外光下照射18小时，杀菌消毒。
[0073] 本实施例制备得到的支架材料的孔隙率达到90％，平均孔径约277.2μm，贯通的孔相互连接；压缩模量为79.1MPa，压缩强度为7.79MPa。与相比传统的PLGA，模量和强度都有明显的提高，因其具有优良的机械强度。
[0074] 实施例6:
[0075] 1.先制作保水凝胶：即先将氢氧化钠8g加入聚亚烷基二醇16g进行预处理；再依次加入甲壳素盐8g、聚丙烯酸酯12g和碳酸钙20g，引发剂N-乙烯基吡咯烷酮10g，其余为蒸馏水，均匀搅拌并加温至50℃，由此制备得到了保水凝胶。
[0076] 2.将制备的保水凝胶15g和上述基体材料:聚丙烯酸酯55g；有机溶剂二氯甲烷6g；致孔剂碳酸锂1g；止血剂褐藻酸钠2g；形态发生蛋白刺激因子安苏萌3g；免疫抑制剂甲萘酚
5g；抗生素替考拉宁5g；引发剂过氧化二苯甲酰8g。将上述材料均匀混合，利用FSH-2可调高速分散器将混合物成分拌匀，其中大匀浆刀:15000转/分，小匀浆刀:18000转/分，环境温度:35℃。
[0077] 3.采用美国Thar公司的SFE-500M1-2-FMC50System超临界装置，温度选择为：100℃，注气压力为35MPA，输入氮气和CO2的混合气体，其中输入氮气N2的速度为5升/分钟，输入CO2的速度为6升/分钟,反应保持在高温环境下50分钟，然后卸压时间为25分钟。
[0078] 4.再以5℃/分钟的温度急剧下降至-50℃冷冻10小时，冷却的速度为6℃每分钟。然后取出放在紫外光下照射18小时，杀菌消毒。
[0079] 本实施例制备得到的支架材料的孔隙率达到90％，平均孔径约269.6μm，贯通的孔相互连接；压缩模量为79.9MPa，压缩强度为7.92MPa。与相比传统的PLGA，模量和强度都有明显的提高，因其具有优良的机械强度。
[0080] 实施例7:
[0081] 1.先制作保水凝胶：即先将氢氧化钠8g加入聚亚烷基二醇16g进行预处理；再依次加入甲壳素盐8g、聚丙烯酸酯12g和碳酸钙20g，引发剂N-乙烯基吡咯烷酮10g，其余为蒸馏水，均匀搅拌并加温至50℃，由此制备得到了保水凝胶。
[0082] 2.将制备的保水凝胶24.5g和上述基体材料:聚乙烯吡咯烷酮50g；有机溶剂聚乙二醇3g；致孔剂碳酸锂2g、碳酸氢钾2g；止血剂褐藻酸钠1g；形态发生蛋白刺激因子生长和分化因子2.5g；免疫抑制剂环磷酰胺4g；抗生素替考拉宁4g；引发剂过氧化二苯甲酰7g。将上述材料均匀混合，利用FSH-2可调高速分散器将混合物成分拌匀，其中大匀浆刀:15000转/分，小匀浆刀:18000转/分，环境温度:35℃。
[0083] 3.采用美国Thar公司的SFE-500M1-2-FMC50System超临界装置，温度选择为：100℃，注气压力为35MPA，输入氮气和CO2的混合气体，其中输入氮气N2的速度为5升/分钟，输入CO2的速度为6升/分钟,反应保持在高温环境下50分钟，然后卸压时间为25分钟。
[0084] 4.再以5℃/分钟的温度急剧下降至-50℃冷冻10小时，冷却的速度为6℃每分钟。然后取出放在紫外光下照射18小时，杀菌消毒。
[0085] 本实施例制备得到的支架材料的孔隙率达到90％，平均孔径约270.6μm，贯通的孔相互连接；压缩模量为81.1MPa，压缩强度为7.95MPa。与相比传统的PLGA，模量和强度都有明显的提高，因其具有优良的机械强度。
[0086] 上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
