一种组织工程用高分子材料支架的制备方法

摘要

本发明公开一种采用混炼流场与超临界流体协同制备组织工程用高分子材料支架的方法，包括下述步骤：(1)将两种或两种以上高分子材料按比例加入挤出机或注塑机中进行熔融；(2)在机筒内混炼流场的作用下(也可注入超临界流体，在流场与超临界流体协同作用下)使共混物形成共连续相结构；(3)采用超临界流体对制备的共连续相结构的共混物进行发泡；(4)去除发泡后共混物样品中的多组分相，保留少组分相作为生物支架。本发明应用混沌混炼与超临界流体协同制备的方法，在少组分相含量较低的情况下制备具有共连续相结构的共混物，并使其应用于制备组织工程用生物支架。此外，此方法工序较少，可实现批量生产，易于在工业生产中推广。

权利要求

1.一种组织工程用高分子材料支架的制备方法，其特征在于包括下述步骤：（1）将两种或两种以上高分子材料按比例混合均匀，并加入成型设备中进行熔融，各种高分子材料塑化为熔体；

（2）共混物在混炼流场的作用下形成共连续相结构；

（3）将制备的共混物样品放入高压釜中；

（4）超临界流体形成与输送系统控制气体处于超临界状态，并将其注入高压釜中，以间歇方式对样品进行发泡；

（5）将所制备的发泡共混物样品放入特定溶液，去除共混物中的多组分相，保留少组分相作为生物支架；

具体包括下述制备步骤和参数：

（I）按质量称取原料25～35份聚乳酸、65～75份聚氧化乙烯混合均匀，得到共混物；

（II）将步骤（I）得到的共混物加入连续性超临界二氧化碳辅助高分子材料成型加工设备，并且采用多边螺槽对流式螺杆，在0.1～10%的超临界二氧化碳含量、170～210℃的加工温度下进行共混发泡，挤出物为发泡后的聚氧化乙烯/聚乳酸共混物，将此共混物放入蒸馏水中进行淋溶去除聚氧化乙烯相，得到聚乳酸支架。

说明书

一种组织工程用高分子材料支架的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及制备组织工程用高分子材料支架的技术，特别涉及一种采用混炼流场与超临界流体协同制备组织工程用高分子材料支架的方法。

背景技术

[0002] 组织工程学的基本原理和方法是将体外培养的功能细胞种植于一种生物相容性良好且可被机体吸收的支架上，形成复合物，然后将此复合物植入机体组织和器官病损部位，以达到修复重建的目的。在组织工程中，支架起着关键作用，它不仅为特定的细胞提供结构支撑，而且还起到模板作用，引导组织再生和控制组织结构。因此，除了需要选用生物相容性较好的材料制备支架外，最重要的是需要使支架具有较高的空隙率，以便提供足够的空间使细胞生长，且在空隙之间必须具有良好的连通性，以便使细胞生长所需的营养物质流入，使细胞排泄废物流出。因此，如何制备高孔隙率、高连通性支架就显得尤为重要。

[0003] 采用挤出或注塑技术制备组织工程用高分子材料支架，有利于实现支架特定的三维外形以获得所需的组织或器官形状，并且可批量生产，易于在工业生产中进行推广。但是，如何通过挤出或注塑技术制备高孔隙率、高连通性、较好力学性能的支架，如何进一步减少工序、降低成本，这些难题都有待通过制备支架的新方法来解决。

[0004] 本发明涉及一种采用混炼流场与超临界流体协同制备组织工程用高分子材料支架的方法，其中涉及采用混炼流场(特别是混沌混炼流场)制备具有共连续相结构的高分子材料共混物的方法，并可在此过程中引入超临界流体进一步促进共混物中共连续相结构的产生。

[0005] 共混物中共连续相结构的产生主要受各组分间含量比、黏度比、弹性比以及界面张力等因素的影响。当高分子材料确定后，材料本身的黏度和弹性就确定了，因而各组分间含量比和界面张力成为形成共连续相结构的关键。

[0006] 采用混沌混炼在制备共混物的过程中，可在固定各组分间含量比的情况下，原位形成多种相形态，例如液滴、薄片层结构、纤维状结构和共连续相结构等，从而使共混物材料具有不同的特性。并且，混沌混炼可以实现在少组分相含量尽可能低的情况下使高分子材料共混物形成共连续相结构。此外，采用混沌混炼制备高分子材料共混物时，可克服传统强剪切混炼中混合程度的不均匀和强剪切作用造成的分子链断裂等缺点。

[0007] 在高分子材料共混过程中，由于各组分之间的分子构成和化学结构的差别，使得它们热力学不相容，从而无法实现在少组分相含量较低的情况下形成共连续相结构。加入相容剂可以有效降低共混体系中各组分间的界面张力，有利于形成共连续相结构。但是，相容剂多为低聚物，会一定程度地降低共混物的力学性能。超临界流体具有较强的传质能力，容易进入高分子材料分子链之间，增加其自由体积，降低其玻璃化温度，减少分子链的缠结，使其分子链有更大的活动空间，从而可以有效降低熔体的黏度和高分子材料之间的界面张力。因此，超临界流体在熔体共混中可以起到类似于相容剂的作用。而且与相容剂不同，超临界流体只是存在于制备过程中，而不存在于最终共混物内。因此，超临界流体在降低界面张力方面具有更高的实用价值。

[0008] 专利号为WO 2007/115367Al的专利公开了一种制备多孔高分子材料共混物结构作为生物支架的方法，整个过程涉及将两种或两种以上高分子材料溶于溶液，然后经过固化，刻蚀掉其中一相或者两相，形成多孔结构，作为支架应用在组织工程。该方法的过程较为繁琐，其中涉及采用溶液溶解高分子材料，所以应用面较窄，并且难以批量生产，不利于在工业生产中进行推广。

[0009] 专利号为WO 2003/4103925A1的专利公开了一种采用具有共连续相结构的高分子材料共混物制备组织工程用生物支架的方法。该专利涉及通过调控各组分间黏度比和体积分数比使高分子材料共混物形成共连续相结构的方法。共连续相结构的产生要求少组分相的体积含量高于40％。对于成本较高的材料，这无疑要增加成本；如果降低其含量，共连续相结构的连续度就会降低，从而整个支架的完整度和力学性能将得不到保证。

发明内容

[0010] 本发明的目的在于克服现有制备组织工程用高分子材料支架技术的不足，提供一种操作简单、作业流程合理、工序少、稳定可靠并可用于工业生产的组织工程用高分子材料支架的制备方法。

[0011] 本发明的目的通过下述技术方案实现：一种组织工程用高分子材料支架的制备方法，包括下述步骤：

[0012] (1)将两种或两种以上高分子材料混合均匀并加入挤出机或者注塑机等成型设备中进行熔融，各种高分子材料塑化为熔体；

[0013] (2)共混物在混炼流场(剪切流场、拉伸流场与/或混沌流场)的作用下形成共连续相结构；

[0014] (3)将制备的共混物样品放入高压釜中；

[0015] (4)采用超临界流体形成与输送系统控制气体处于超临界状态，并将其注入高压釜中，以间歇方式对样品进行发泡；

[0016] (5)将所制备的发泡共混物样品放入特定溶液，去除多组分相，保留少组分相作为生物支架。

[0017] 也可将上述步骤(2)、(3)和(4)合并成一步，即：超临界流体形成与输送系统控制气体处于超临界状态，并将其注入挤出机或注塑机机筒内，所注入的超临界流体与高分子材料熔体在挤出机或注塑机内进行混炼。共混物在混炼流场(剪切流场、拉伸流场与/或混沌流场)与超临界气体协同作用下形成共连续相结构，并注入注塑模具型腔或泵入挤出机头，通过快速释放压力，使共混物发泡。

[0018] 上述两种方式的制备过程如图2所示。

[0019] 步骤(1)中，所述高分子材料可为聚乳酸、聚乙烯醇、聚己内酯、淀粉、聚氧化乙烯、聚乙醇酸和聚羟基脂肪酸酯这类生物可降解材料，也可为聚丙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯这类普通高分子材料。

[0020] 步骤(1)中，所述挤出机包括单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。

[0021] 步骤(2)中，所述的混炼流场包括剪切流场、拉伸流场和混沌流场。

[0022] 步骤(4)中，所述超临界流体包括超临界二氧化碳和超临界氮气。

[0023] 步骤(4)中，所述超临界流体使共混物发泡包括挤出发泡和注塑发泡。

[0024] 步骤(5)中，所述的溶液包括蒸馏水、盐水和四氢呋喃。

[0025] 本发明方法更优选地可包括下述制备步骤和参数：

[0026] (i)按质量称取25～50份聚乳酸、75～50份聚氧化乙烯并均匀混合在一起得到共混物。

[0027] (II)将步骤(I)中得到的共混物加入连续性超临界二氧化碳辅助聚合物成型加工设备(专利号为ZL 200720061588.7的中国发明专利)，并且采用多边螺槽对流式螺杆(专利号为ZL 92114886.0的中国发明专利)，在0.1～10％的超临界二氧化碳含量、170～210℃的加工温度下进行共混发泡，挤出物为发泡后的聚氧化乙烯/聚乳酸共混物。将此共混物放入蒸馏水中进行淋溶去除聚氧化乙烯相，得到聚乳酸支架。

[0028] 本方法可应用到包括单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和注塑机在内的设备，实现生物支架的制备。并且，本方法可有效制备具有高孔隙率的多孔高分子材料，除用作组织工程用支架外，还可应用于吸音、过滤、缓冲等方面。

[0029] 本发明的原理是：在高分子材料熔体共混过程中，通过流场的作用，对高分子材料熔体产生分流、对流、增压-减压、表面更新、连续改变速度分布等效应，使熔体不断被拉伸和折叠。同时，针对高分子材料共混物中各组分间的分子构成和化学结构的差别所造成的热力学不相容，加入超临界流体，其较强的传质能力可使其迅速进入高分子材料分子链之间，增加材料的自由体积，减少分子链缠结，降低各组分间的界面张力，进一步细化少组分相。而混炼流场反复不断的拉伸和折叠作用可以使超临界流体更加充分地溶解于高分子材料中，并对少组分相进一步拉伸和折叠。在混炼流场与超临界流体的协同作用下，使共混物在少组分相含量较低的情况下形成连续度较高的共连续相结构。利用超临界流体对共混物样品进行发泡，提高其孔隙率和连通度，再去除共混物中的多组分相、保留少组分相，制备成组织工程用的生物支架。

[0030] 本发明相对于现有的技术和制备方法具有如下的优点和效果：

[0031] (1)本方法工序较少，并且所采用的设备为工业生产中较为普遍的连续型加工设备(挤出机或注塑机)，因此保证了生产的连续性，可实现批量生产，易于在工业生产中进行推广，具有广阔的工业应用前景。

[0032] (2)本方法中超临界流体的引入可以提高高分子材料熔体的流动性，降低加工温度，从而能使挤出或注塑的加工能耗降低25％左右。

[0033] (3)本方法中，共混物中的少组分相作为最终的保留部分，其含量较低，从而降低了支架的成本。

[0034] (4)本方法中，在去除多组分相后，由于少组分相含量较低而使得整个支架的孔隙率较高，再采用超临界流体对少组分相进行发泡，可进一步提高支架的孔隙率(30％左右)。

[0035] (5)本方法中，制备的高分子材料共混物中形成了连续度较高的共连续相结构，因此，在去除多组分相后，可保证支架的结构完整性和力学性能。

附图说明

[0036] 图1是本发明方法提出的制备高分子材料支架的流程示意图。

[0037] 图2是制备支架过程中各阶段高分子材料共混物形态的示意图。

[0038] 图3是采用混沌混炼制备的质量比为50/50的聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯共混物(a)和采用超临界流体对其发泡后(b)的扫描电子显微镜照片。

[0039] 图4是采用混沌混炼制备的质量比为70/30的聚乳酸/低密度聚乙烯共混物的扫描电子显微镜照片。

[0040] 图5是采用混沌混炼制备的质量比为65/35的醋酸淀粉/聚乳酸共混物的扫描电子显微镜照片。

[0041] 图6是采用超临界流体对通过剪切混炼制备的质量比为70/30聚乳酸/氯化钠混合物发泡后的扫描电子显微镜照片。

[0042] 图7是采用超临界流体对通过混沌混炼制备的质量比为70/30聚乳酸/醋酸淀粉共混物发泡后的扫描电子显微镜照片。

[0043] 上述各图中符号说明如下：A-挤出机或注塑机；1-喂料斗；2-高分子材料；3-螺杆；4-高分子材料共混物熔体；5-挤出机或注塑机机筒；6-超临界流体形成与输送系统；7-高压釜；8-注塑模具；9-挤出机头；10-淋溶设备；11-组织工程用支架；12-少组分相；
13-多组分相；14-泡孔；15-低密度聚乙烯相；16-聚乳酸相；17-醋酸淀粉相具体实施方式

[0044] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0045] 实施例1

[0046] 图1示出了本发明方法的具体实施过程。如图1所示，本发明方法的实施过程所需设备包括挤出机或注塑机A、超临界流体形成与输送系统6、高压釜7和淋溶设备10。超临界流体形成与输送系统6与挤出机或注塑机机筒5相连接；注塑机或挤出机机筒5与模具8或机头9相连接；高压釜7与超临界流体形成与输送系统6相连接，螺杆3的结构可以改变，机筒5外壁装有加热圈(图中未示出)。

[0047] 本混炼流场与超临界流体协同制备组织工程用高分子材料支架的整个过程是：启动挤出机或注塑机A，将两种或两种以上高分子材料2按一定比例混合均匀，加入到挤出机或注塑机的喂料斗1中，经过机筒5的外加热和螺杆3转动产生的剪切热，高分子材料熔融形成熔体4。高分子材料共混物的相形态示意图如图2(a)所示。随后，本发明方法可以分成一步法和两步法进行，其中一步法的过程为：打开超临界流体形成与输送系统6，把超临界流体注入机筒内；将含有超临界流体的高分子材料熔体注入模具7的型腔内或从机头8挤出，经快速释放压力制备发泡的高分子材料共混物。两步法为：将高分子材料熔体冷却，放入高压釜9中；启动超临界流体形成与输送系统6，把超临界流体注入高压釜，对高分子材料共混物样品进行一定时间的饱和后，经快速释放压力使其发泡。发泡后高分子材料共混物的形态示意图如图2(b)所示。将经过一步法或两步法发泡后的高分子材料共混物置于淋溶设备10中淋溶，去除多组分相13，从而得到支架11，其形态示意图如图2(c)所示。

[0048] 图3从材料的微观层面示出了本发明的实施效果。图3所示为采用混沌混炼制备的质量比为50/50的聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯共混物(a)和采用超临界流体对其发泡后(b)的扫描电子显微镜照片。为了方便观察，对PMMA相进行刻蚀，因此，图3(a)中黑色空洞为PMMA相。从图中可以明显看出，PS/PMMA共混物形成了共连续结构。从图3(b)中可以发现，采用超临界二氧化碳(CO2)进行发泡后，共混物样品形成了泡孔细小、致密且孔隙率高的泡孔结构。

[0049] 实施例2

[0050] (1)按质量称取70份聚乳酸(PLA)和30份低密度聚乙烯(HDPE)，并混合均匀。

[0051] (2)将步骤(1)的共混物加入单螺杆挤出机，通过混沌混炼的方式制备PLA/HDPE共混物。

[0052] 图4所示为制备的PLA/HDPE共混物的扫描电子显微镜照片。从图中可以看出，在HDPE的含量为30％的情况下，共混物形成了良好的共连续相结构。

[0053] 实施例3

[0054] (1)按质量称取65份醋酸淀粉(AS)和35份PLA两种生物可降解材料，并混合均匀。

[0055] (2)将步骤(1)的共混物加入挤出机内，通过混沌混炼的方式制备AS/PLA共混物。

[0056] 图5所示为制备的AS/PLA共混物的扫描电子显微镜照片。从图中可以看出，在PLA含量为35％的情况下，共混物形成了共连续相结构。

[0057] 实施例4

[0058] (1)按质量称取60份PLA和40份氯化钠(NaCl)颗粒，并混合在一起。

[0059] (2)将步骤(1)的混合物加入挤出机内，挤出制备PLA/NaCl混合物。

[0060] (3)将步骤(2)制备的PLA/NaCl混合物放入高压釜内，在170℃、18MPa的条件下，通入超临界CO2饱和7h后，进行释压发泡。

[0061] 图6所示为发泡后的PLA/NaCl混合物的扫描电子显微镜照片。从图中可以看出，发泡后的混合物中，形成了开孔结构，样品的开孔率约为35％，这使得样品的连通性大幅增加。

[0062] 实施例5

[0063] (1)按质量称取70份PLA和30份AS，并混合均匀。

[0064] (2)将步骤(1)的共混物加入挤出机内，通过混沌混炼的方式挤出制备PLA/AS共混物。

[0065] (3)将步骤(2)制备的PLA/AS共混物放入高压釜内，在150℃、16MPa的条件下，通入超临界CO2，饱和1h后，进行释压发泡。

[0066] 图7所示为发泡后的PLA/AS共混物的扫描电子显微镜照片。从图中可以看出，发泡后，共混物材料内部形成了高连通度的多孔结构。

[0067] 上述实例为本发明的部分实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。