（化学工艺专业论文）在四氢呋喃和异丁醇混合溶剂中制备聚L—乳酸多孔材料的工艺研究.pdf

摘要 摘要 用于组织工程的可降解支架材料是组织工程成败之关键因素，通过 设计及调节生物支架的微观环境，可使其不仅能作为细胞吸附、生长和 增殖的基体，还可以为新器官的生长成形提供模板。以聚乳酸为代表的 聚a 羟基酯，以其优异的生物相容性、生物降解性和可加工性，在制备 组织工程支架材料方面得到了广泛的应用。 本文以聚l 乳酸( p u a ) 为基本材料，以四氢呋喃( 佃) 和异丁 醇( i b a ) 的混合物为溶剂，利用热诱导相分离技术制备了多孔双连续网 格结构的组织工程支架。采用扫描电子显微镜( s e m ) 观察所得支架材 料的断面形态，并用i m a g e p r o p l u s ( 4 5 ) 软件分析断面的孔径，并计算 出断面的平均孔径。 实验结果表明，采用热诱导相分离技术制备的p u a 多孔支架，可 以得到微孔双连续结构，孔与孔之间有良好的连通性；并且多孔支架的 孔径以及孔之间的连通性与陈化温度、淬火温度、聚合物溶液浓度以及 溶剂性质有关。 在o 5h 的陈化时间下，多孔材料的平均孔径随实验中陈化温度的降 低先增加后减小，在3 0 陈化时，多孔材料的平均孔径最大，孔的连通 性也最好。当陈化温度小于2 0 或大于4 0 时，多孔材料基本无孔。 多孔材料的平均孔径随淬火温度( 1 5 4 0 ) 的降低先稍有降低， 再增加到最高，后又降低。淬火温度为3 0 时，孔之间的连通性以及孔 的微观形态最好。 在同一混合溶剂比例下，制备的多孔材料的平均孔径随聚合物浓度 ( 0 0 5 0 1 0g m l ) 的增加先增加后减小，在0 0 6g m l 时出现一最大值。 孔之间的连通性随溶液浓度的增加由差变好，最后又变差，在峰值对应 的浓度下连通性最好。当溶液浓度太低( 如浓度为o 0 4g m l 时，难以 得到完整的支架材料，或得到的材料机械强度太低，没有实际应用价值。 然而，当溶液浓度高于o 1 0g m l 时，得到的材料孔隙率太低甚至无孔， 也不具备实际应用价值。 武汉工程大学硕士学位论文 当改变混合溶剂比例时，随着混合溶剂中i b a 含量的增加，溶剂的 溶解能力显著降低，但凝胶能力增加。i b a 的含量为1 0 、2 0 ( v v ) 时，材料的孔径较大且孔之间的连通性好；i b a 的含量为3 0 时，只有 0 0 8 0 1 0g m l 浓度下的聚合物溶液在淬火后能形成完好的凝胶，得出 的支架孔径较大但孔之间的连通性差，o 0 8g m l 的支架材料的孔基本呈 闭合状态。当i b a 的含量高于3 0 ( v 加) 时，聚合物很难溶解，制备的 聚合物溶液在淬火后均形成的形态类似沉淀，经s e m 扫描，材料基本无 孔。 通过与本实验组其它两实验结果相比较发现，当保持混合溶剂组分 之一及其所占的比例不变，另一组分换成其它溶剂时，所制备的支架材 料的孔径及孔的连通性随溶液浓度变化的趋势基本一致，随着浓度的增 加，平均孔径均先增加后减小，孔与孔之间的连通性也由差变好，最后 又变差。 本文在实验数据基础上，探讨了影响因素与双连续网格材料孔径大 小以及孔之间连通性的内在规律，并建立了部分参数与孔径大小之间的 数学模型。 关键词：组织工程多孔支架热诱导相分离p u a四氢呋喃 异丁醇 l i a b s t r a c t a b s t r a c t t h e b i o d e g r a d a b l es c a f f o l d sf o rt i s s u ee n g i n e e r i n ga r ep l a y i n gak e yr o l e i nm a k i n gt h et i s s u ee n g i n e e r i n gw o r k so rn o t b yd e s i g na n da d j u s t i n gt h e m i c r o s t r u c t u r e s ，t h es c a f f o l d sa r ea b l et oe n h a n c ec e l la d h e s i o n ，g r o w t ha n d d i f f e r e n t i a t i o n a l i p h a t i cp o l y e s t e r s ，o fw h i c hr e p r e s e n t a t i v ei sp o l y ( l - l a c t i c a c i d ) a n da r eb i o c o m p a t i b l e ，b i o d e g r a d a b l e ，a n dg o o dp r o c e s s a b i l i t y , a r e w i d e l y - u s e ds c a f f o l d i n gp o l y m e r si nt i s s u ee n g i n e e r i n gn o w a d a y s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a na t t e m p tw a sm a d et od e v e l o pp o r o u sp o l y m e r i c s c a f f o l du s i n gp o l y ( l - l a c t i ca c i d ) ( p l l q t h ep r o c e s s i n go fp u a s c a f f o l d w a sc a r r i e do u tb yt h e r m a l l yi n d u c e dp h a s e s e p a r a t i o nm e t h o d ，u s i n ga m i x t u r eo ft e t r a h y d r o f u r a n ( t h f ) a n di s o b u t y la l c o h o l ( i b a ) a ss o l v e n t p o r e m o r p h o l o g y w a s a n a l y z e db ys c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) a c c o r d i n g t os e m m i c r o g r a p h s ，t h ea v e r a g ep o r ed i a m e t e rw e r ea n a l y z e da n d c a l c u l a t e db yi m a g e p r o - p l u s ( 4 5 ) s o f t w a r e t h ep l l as c a f f o l d s ，p r e p a r e db yt h e r m a l l yi n d u c e dp h a s es e p a r a t i o n ， w e r e h i g h l yp o r o u s a n dh a d g o o d i n t e r c o n n e c t e d p o r e s t r u c t u r e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s c o n f i r m e dt h a tt h em i c r o - s t r u c t u r eo ft h e p r e p a r e d s c a f f o l d sd e p e n d e do na g i n gt e m p e r a t u r e ，q u e n c h i n gt e m p e r a t u r e ，p o l y m e r c o n c e n t r a t i o na n dp r o p e r t yo fs o l v e n t w h e na g i n gt i m ew a s0 5h ，t h ea v e r a g ep o r ed i a m e t e ro fs c a f f o l d s i n c r e a s e da tf i r s t ，t h e nd e c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s i n go fa g i n gt e m p e r a t u r e t h ea v e r a g ep o r ed i a m e t e ra n dt h ec o n t i n u i t yo fp o r e so fs c a f f o l d sw a s o p t i m a lw h e na g i n ga t3 0 c w h e na g i n gt e m p e r a t u r ew a sl o w e rt h a n2 0 。c o rh i g h e rt h a n4 0 c ，t h e r ew a sn op o r ei nt h es c a f f o l d s i n i t i a l l yt h ea v e r a g ep o r ed i a m e t e ro fs c a f f o l d sd e c r e a s e dl i g h t l y , t h e n i n c r e a s e dt ot h eh i g h e s tp o i n t ，a n df i n a l l yd e c r e a s e da g a i nw i t ht h ed e c r e a s i n g o fq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e t h ea v e r a g ep o r ed i a m e t e ra n dt h ec o n t i n u i t yo f p o r e sw a so p t i m a lw h e nq u e n c h i n g a t - 3 0 u n d e rt h es a m e p r o p o r t i o n o fm i x e d s o l v e n t ，w h e nt h e p o l y m e r i i i 武汉工程大学硕士学位论文 c o n c e n t r a t i o n ( 0 0 5 0 1 0g m l ) i n c r e a s e d ，t h ea v e r a g ep o r e d i a m e t e ro f s c a f f o l d si n c r e a s e da tf i r s t ，t h e nd e c r e a s e d t h ea v e r a g ep o r ed i a m e t e ro f s c a f f o l d sw a sl a r g e s tw h e nt h ep o l y m e rc o n c e n t r a t i o nw a s0 0 6g m l c o n t i n u i t yo fp o r e sb e c a m eb e t t e ra tf i r s t ，a n dt h e nb e c a m ew o r s e ，w i t ht h e i n c r e a s i n go fp o l y m e rc o n c e n t r a t i o n c o n t i n u i t yo fp o r e sw a sb e s tw h e nt h e a v e r a g ep o r ed i a m e t e ro fs c a f f o l d sw a sl a r g e s t w h e np o l y m e r c o n c e n t r a t i o n w a st o ol o w ( e g o 0 4g i n l ) ，i tw a sh a r dt oo b t a i nw h o l es c a f f o l d so ri tw a s t o os o f tt oh a d a n y v a l u eo f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n w h e n p o l y m e r c o n c e n t r a t i o nw a sh i g h e rt h a no 10g m l ，t h ep o r o s i t yo ft h es c a f f o l d sw a s t o ol o wo re v e nh a dn op o r e i ta l s oh a dn ov a l u eo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n a st h ec o m p o s i t i o np e r c e n t a g eo fi b aw a sr i s e d ，t h es o l u b i l i t yo fs o l v e n t b e c a m el o w e re v i d e n t l ya n dt h ec a p a b i l i t yo ff o r m i n gg e lb e c a m es t r o n g e r f o rt h ec o m p o s i t i o np e r c e n t a g eo fi b aw a s1 0a n d2 0 ( v ) ，t h ea v e r a g e p o r ed i a m e t e rw e r el a r g e ，a n dt h ep o r e sw e r ec o n t i n u o u s f o rt h ec o m p o s i t i o n p e r c e n t a g eo f3 0 ( v v ) ，g e lc a nb ef o r m e do n l yw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n o f 0 0 8 - 0 1 0g m l w h e nt h ec o m p o s i t i o np e r c e n t a g eo fi b a w a sh i g h e rt h a n 3 0 ，t h es h a p eo ft h es o l u t i o na f t e rq u e n c h i n gw a sl i k ep r e c i p i t a t i o na n d a l m o s th a dn op o r ei ns c a f f o l d sb ys e m w h e nk e p tt h ec o m p o s i t i o np e r c e n t a g eo fo n eo ft h em i x e d s o l v e n ta n d c h a n g e da n o t h e rc o m p o n e n to ft h em i x e d s o l v e n t ，t h e t r e n do ft h e p o r e d i a m e t e ra n dc o n t i n u i t yo fp o r e so ft h es c a f f o l dt ot h ec o n c e n t r a t i o no f p o l y m e r s o l u t i o nw a st h es a m e ，b yc o m p a r i n gw i t ho t h e re x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td a t a ，t h er e l a t i o n s h i po fi n f l u e n c i n gf a c t o r s a n dt h e p o r es h a p ea n d s i z ed i s t r i b u t i o no ft h ep o r o u ss c a f f o l d sw a s i n v e s t i g a t e d ，a n dam a t h e m a t i c sm o d e l o fp a r to fi n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h e p o r es i z ew a sa l s op r o p o s e d k e y w o r d s ：t i s s u ee n g i n e e r i n g ；p o r o u ss c a f f o l d ；t h e r m a l l yi n d u c e dp h a s e s e p a r a t i o n ；p l l a ；t e t r a h y d r o f u r a n ；i s o b u t y la l c o h o l i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乏劣 郦年j 月坯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即： 我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 王务 力易年岁月艿日 艚狮躲庐孝 沙 年rr 谚e t 引言 引言 随着科学技术的发展，与人类健康休戚相关的生物医学方面的研究 越来越受到人们的重视。生物医学材料学是生物医学科学中的重要分支， 它是生物、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘学科。 近年来，生物医用材料的研究与发展突飞猛进，从人工器官到高效、 定向的高分子药物控制释放体系的研究，几乎遍及生物医学各个部门， 对国民经济的发展己显示出十分重要的作用。 以聚0 【羟基酯( 聚乳酸p l a 、聚羟基乙酸p g a 以及它们的共聚物 p l g a ) 为代表的可生物降解高分子材料，以其良好的生物相容性、生物 可降解性和可加工性，在生物医学领域得到了广泛的应用。可生物降解 高分子材料最早被用作手术缝合线、外科矫正材料和骨固定装置，从7 0 年代开始又被大量用作可植入人体体内长效缓释药物的载体。8 0 年代后 期，人们开始尝试将其做成多孔三维支架，使生物体的细胞在支架上繁 殖生长，形成相应的组织或器官，由此提出了一个崭新的科学研究领域 组织工程。 组织工程是应用生命科学与工程学的原理和方法来设计、组建、维 护人体细胞和组织的生长，以恢复受伤的组织或器官的功能。与人造器 官不同，那些根据机械或化学原理制成的人造器官不可能具有全部生物 功能，不能完全有效地替代原有组织器官。而在组织工程培育的人工器 官中，经过培养增殖人体组织细胞，人为加入的原组织工程骨架结构最 终可全部或部分被人体内新生长的组织所取代，能够形成真正意义上的 人体器官，从而使患者完全康复。随着组织工程研究的不断深入和发展， 它必将给生物医学带来革命性变化。 第1 章文献综述 1 1 组织工程简介 第1 章文献综述 组织工程( t i s s u ee n g i n e e r i n g ) 一词最早是由美国国家科学基金会正 式提出和确定的。它是指应用生命科学和工程学的原理，研究开发用于 修复或改善人体病损组织或器官的结构、功能的生物活性替代物的一门 学科【1 】。其基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞吸附于一种 具有优良细胞相容性并可以被机体降解吸收的生物材料上面形成复合 物，然后将细胞一生物材料复合物植入人体组织或器官的病损部位，在 作为细胞生长支架的生物材料逐渐被机体降解吸收的同时，细胞不断增 殖、分化，形成新的并且其形态、功能方面与相应组织、器官一致的组 织，从而达到修复创伤和重建功能的目的【2 1 。 组织工程的发展为组织或器官的修复与再建提供了可能。种子细胞、 可降解的支架材料以及细胞生长调节因子并称为组织工程的三大基本要 素。组织工程的核心为：建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具 有生命力的活体组织，用来对病损组织进行形态、结构和功能的重建并 达到永久性替代【3 4 】。 组织工程支架材料是根据材料用于人体的不同组织以及具体替代组 织具备的功能而设计的，针对不同的组织结构以及不同组织所具备的不 同功能，所设计的支架材料有很大的区别【5 】。 1 2 支架材料在组织工程中的作用 在组织工程中，支架材料起细胞外基质的作用，是对细胞外基质的 结构和功能的仿生。它不仅起支撑作用，保持原有组织的形状，而且还 起模板的作用，为细胞提供赖以寄宿、生长、分化和增殖的场所，从而 引导受损组织的再生和控制再生组织的结构。支架材料在组织工程中的 3 武汉工程大学硕士学位论文 具体作用主要如下【6 - 7 1 ： ( 1 ) 支架材料的结构和形貌控制再生组织的结构、尺寸和形貌，作为 连接细胞和组织的框架，引导组织生长成特定形态； ( 2 ) 作为信号分子的载体，将其运送到缺损部位，并作为缓释体使骨 诱导因子缓慢发挥作用，为工程化的组织提供一个赖以存在的空间，可 引导组织的再生和成长； ( 3 ) 作为骨组织繁殖分化和新陈代谢的场所，为细胞生长输送营养， 排除废物； ( 4 ) 支架表面特殊位点与组织起特异性反应，对不同类型细胞起“身 份鉴别”及选择黏附的作用； ( 5 ) 起机械支撑作用，可以抵抗外来的压力，并维持组织原有的形状 和组织的完整性； ( 6 ) 支架材料还可以作为活性因子的载体，可以用来承载一些生物活 性物质，如生长因子，为细胞的生长、分化和增殖提供养分。 1 3 组织工程对支架材料的要求 用于组织工程的支架材料是组织工程的基础，一般理想的组织工程 支架应满足以下几点要求【1 , 4 , 8 - 1 1 】： ( 1 )良好的生物相容性，无明显的细胞毒性、炎症反应和免疫排斥， 不会因邻近组织的排异反应而影响新组织的功能； ( 2 ) 可降解性及合适的降解速率，当移植的细胞或组织在受体内存活 时，支架材料可自行降解，降解吸收速率能与细胞、组织生长速率相匹 配； ( 3 ) 合适的孔尺寸、高的孔隙率和相连通的孔形态，以利于大量细胞 的种植、细胞和组织的生长、细胞外基质的形成、氧气和营养的传输、 代谢物的排泄以及血管神经的内长入； ( 4 )高的表面积、合适的表面物理化学性质和良好的细胞界面关系， 以利于细胞黏附、增殖、分化以及负载生长因子等生物信号分子； 4 第1 章文献综述 ( 5 ) 与植入部位组织的力学性能相匹配的结构强度，以在体内生物力 学微环境中保持结构稳定性和完整性，并为植入细胞提供合适的微应力 环境； ( 6 ) 便于加工成理想的二位或三维结构，可以获得所需的组织或器官 形状，易于重复制作，而且移植到体内后能保持原有形状。 ( 7 ) 易于消毒和保存，能在使用现行常规的y 射线照射、环氧乙烷熏 蒸、乙醇浸泡等消毒情况下，物理和化学性质没有大的改变。 本实验中所要达到的微孔双连续网格材料的物理结构是三维开放的 孔结构，孔与孔之间连续，支架与支架之间连续，满足组织工程对支架 的物理结构的要求，能让植入的种子细胞连成一片，发展成组织和器官。 本文将所制备出的样品简称为多孔支架材料。 1 4 组织工程中常用支架材料 组织工程支架材料是根据材料用于人体的不同组织以及具体替代组 织具备的功能所设计的，虽然由于人体组织结构的特殊性和不同组织所 具备的功能不同，所设计的组织工程支架材料相应种类众多。从目前的 发展情况看，目前研究较多的组织工程支架基质材料主要有天然材料、 合成高分子可降解材料以及它, f r i t h 互之间复合形成的复合材料。 天然无机物有磷酸三钙( t c p ) 、羟机磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，h a ) 、 双相钙磷陶瓷( h a 厂r c p ) 、珊瑚、松质骨基质等1 1 2 , 1 3 。天然有机物有胶 原( c o l l a g e n ) 1 4 , 1 5 】、氨基葡萄糖( g l y c o s a m i n o g l y c a n s ) 1 1 6 , 1 7 、藻酸盐 ( a l g i n a t e ) 、甲壳素【1 8 乏1 1 、纤维素、纤维蛋白、琼脂糖、明胶、硫酸，角 质素等等。 天然生物降解材料虽然具有某些优良性能，但存在一些不足，如力 学强度较差，性能随产品批次不同有差异。合成生物降解材料则具有高 强度、来源充足、易于加工等优点，被广泛用于组织工程领域。合成高 分子可降解材料有聚羟基乙酸( p g a ) 、聚羟基丙酸( 聚乳酸，p l a ) 及其共聚物( p l g a ) ；聚己内酯( p c l ) ；聚氨基酸( p o l ya m i n oa c i d ) 、 5 武汉工程大学硕士学位论文 医用聚氨酯( p u ) 、聚氨基酸、医用硅橡胶、聚甲基丙烯酸羟乙酯( p h e m a ) 等等。 单一材料构建的组织工程支架往往无法同时满足这些要求。因此， 利用具有不同性质的材料构建组织工程支架材料引起了人们的广泛关 注。不同材质之间的复合包括不同天然可降解高分子材料问的复合、合 成材料与天然可降解高分子材料间的复合、不同种类合成材料与可降解 高分子材料间复合、无机材料与可降解高分子材料间的复合等等【2 2 - 羽。 1 5 聚乳酸的性质及其在组织工程中的应用 1 5 1 聚乳酸的性质 由于乳酸分子中有一个手性碳原子，因而有l - 、d 和d ，l 三种旋光 异构体。因此p l a 有四种存在形式，它们分别是左旋聚乳酸( p l l a ) 、 右旋聚乳酸( p d l 气) 、外消旋聚乳酸( p d u a ) 和内消旋聚乳酸( m e s o p l a ) ，其中m e s o - - p l a 很少应用于生物支架材料领域。结晶性的p u a 和p d l a 熔点高、机械强度大，熔点在1 7 0 , - , 1 8 0 。c ；p d l l a 是无定形材 料，机械强度较低，玻璃化转变温度在5 0 - - 6 0 c ( 取决于分子量的大小) 2 6 1o p l a 的降解主要是聚合物链上酯键的水解，其降解产物是被活体细 胞代谢盼乳酸，最后以c 0 2 和h 2 0 的形式排出体外，不会对细胞产生毒 性，也不会在体内聚集。因此，p l a 是一种生物相容性良好的高分子材 料。研究还表明，p l a 的端基对其水解起自催化作用。对半结晶性的 p u a ，其降解过程分两步：第一步水迅速渗透进无定形区引发水解，在 这一步大部分机械性能会损失；第二步结晶区水解。对无定形的p d l l a ， 只发生第一步的水解。水解的速度不仅与聚合物的化学结构、分子量及 分子量分布、形态结构和尺寸有关，而且依赖于水解环境。 p e a 类聚合物是热力学不稳定的，在高温下容易分解和水解，故其 加工条件较为苛刻。通过纯化( 溶解一沉淀，抽提) 和封端基都可以提高 6 第1 章文献综述 其热力学性能。 通过将p u a 、p d l a 和p d l l a 混合，可以在很宽的范围内调节p l a 的性能，使其能够广泛应用于生产、生活以及生物医学领域。 1 5 2p l a 在生物医学领域的应用 p l a 具有优良的生物相容性，无毒、可生物降解，降解产物不会对 细胞产生毒性，也不会在体内聚集。同时，聚乳酸及其共聚物具有良好 的物理、化学性能，其机械性能、降解速率等可通过控制分子量以及共 聚物的组成而方便的调节，并且很容易根据需要制成微球、纤维、膜、 支架等不同的形状。p l a 及其共聚物已得到美国食品和药品管理局( u s f o o da n dd r a ga d m i n i s t r a t i o n ，f d a ) 的认可，可用于临床医学领域。 p l a 在生物医学领域主要可用作医用缝合线、药物控制释放材料、 骨固定及组织修复材料以及组织工程支架材料。 ( 1 ) 医用缝合线：p l a 及其共聚物制成的外科缝合线，在伤口愈合后 会自动降解并被吸收，无需两次手术。如m a k e l a 等【2 7 】开发的自增强聚乳 酸单纤维缝合线经过2 8 0 天后仍能保持较高的强度，且伸长率较低，可 用于需较长时间支持强度的伤口缝合，如骨组织缝合。 ( 2 )药物控制释放材料：自1 9 7 0 年y o l l e s 等1 2 8 】率先将p l a 用作药物长效 释放制剂载体以来，聚乳酸及其共聚物被广泛应用于药物控制释放领域， 有效地拓宽了给药途径，减少给药次数和给药量，提高药物的生物利用 度，最大程度地减少药物对全身特别是肝、肾的毒副作用。目前正式上 市的聚乳酸及其共聚物类缓释制剂产品有：促黄体激素释放激素l h r h 类 药物、戈舍瑞林皮下植入剂( 商品名z o l a d e x ) 、亮丙瑞林肌肉注射混悬剂 ( 商品名e n a n t o n e 矛1 ：i l u p r o n ) 、皮下注射混悬剂( t a p 1 4 4 s r ) 、促甲状 腺激素释放激素t r h 类药物曲普瑞林( 商品名d e c a p e p t y l ) 、抗生素苯唑 西林( 商品名p r o s t a ps r ) 等【2 9 1 。 ( 3 ) 骨固定及组织修复材料：这类器件主要有脊椎融合器、固定螺丝、 铆钉、夹板和缝合线锚等【3 0 3 2 】。聚乳酸作为骨固定及组织修复材料，不 7 武汉工程大学硕士学位论文 仅能降解吸收，避免了愈合后二次手术，而且随着自身骨或组织的愈合， 聚乳酸材料的强度不断减弱，克服了应力遮蔽，提高了自身骨或组织的 修复效果。 ( 4 ) 组织工程支架材料：聚乳酸类可生物降解材料是目前最常用的组 织工程支架材料。与天然的细胞外基质如胶原蛋白和多糖等相比，聚乳 酸类材料不仅具有良好的物理机械性能，可通过调节分子量及分子量分 布以适应不同需要，而且加工手段丰富，可通过改变加工方法得到具有 合适形态结构的组织工程支架。 1 6 聚乳酸类组织工程支架的制备方法 白1 9 8 7 年在美国科学基金会举行的专家讨论会上正式确定了“组织 工程”一词以来，组织工程方面的研究得到了突飞猛进的发展。 在组织工程重建修复组织的研究中，支架材料是先导。支架材料选 定后，把各种不同性能的材料依据各自需要复合的组织细胞的要求构建 出特定的三维结构，支架中孔的形状、大小和孔隙率直接影响着种植细 胞的迁移、分化和增殖，而这些因素则随制备方法的不同而有很大变化， 加工质量直接关系到新组织功能的优劣。目前制备细胞支架的方法按照 成孔原理，大概可以分为以下几类：纤维粘接、粒子沥滤法、熔融成型法、 气体发泡法、烧结微球法、电纺丝技术、快速成型技术和热诱导相分离 刍苣 寸o 1 6 1 纤维粘结法 纤维支架是组织工程研究中最早采用的细胞外基质替代物之一，主 要由p g a 或其共聚物等结晶性聚合物纤维构成。利用纺织技术将聚合物 纤维制成织物或无纺物，孔隙率高，但存在力学强度较差、承压时会坍 塌的缺点。将织物热处理或采用p u a 或p l g a 溶液涂覆织物的方法， 可使相邻纤维间形成物理连结，从而使纤维支架稳定、耐压。p g a 纤维 8 第1 章文献综述 支架易于借助阴模制成各种形状，现已成功地用于软骨等多种组织工程 领域。 1 9 9 3 年，m i k o sa g 掣3 3 】首次提出通过热处理过程将p g a 纤维网粘 结起来，得到孔隙率为8 1 的多孔支架。m i k o sa g 等将p g a 纤维网浸 入p u a 的氯仿溶剂中，待溶剂挥发后分段加热到两种聚合物的熔点之 上，使p g a 纤维在其相交处粘结在一起，然后选择一种只能溶解p u a 的溶剂将其溶解，即可得到多孔网状结构。 1 9 9 6 年，d j m o o n e y 等【3 4 】提出通过喷雾( s p r a yc a s t i n g ) 的方法将 p g a 无纺纤维网粘结起来，得到多孔管状结构。他们将p g a 无纺纤维网 围绕在聚四氟乙烯圆柱上形成管状物，缝合边界。p u a 和p l g a 分别溶 于氯仿形成一定浓度的溶液，将溶液以氮气为载体喷涂到旋转的p g a 纤 维网上。喷涂结束后，将预制管冷冻干燥除去残留溶剂，然后卸去聚四 氟乙烯圆柱，即可得到多孔支架。p g a 在氯仿中的溶解度很低，因此在 这一过程中p g a 纤维的形态基本保持不变。将牛的主动脉平滑肌细胞和 内皮细胞植入这种支架，可以观察到内部纤维组织的生长。 1 9 9 7 年，p a r ky j 等【3 5 】利用常压干燥相转化技术( i n a i rd r y i n gp h a s e i n v e r s i o nt e c h n i q u e ) 制备p u a 多孔膜。将p u a 溶子二氯甲烷一乙酸乙 酯的混合物中，然后浇注到p g a 编织网上，常压干燥即可。三组分聚合 物溶液( p l l a - - - - 氯甲烷一乙酸乙酯) 通过溶剂蒸发形成p u a 多孔膜， 支撑p u a 膜的p g a 纤维网在形成表面孔的时候起到重要作用。通过在 p u a 溶液中添加抗生素类药物，研究这种支架对牙周组织再生的影响， 表现出良好的性能。 1 6 2 粒子沥滤法 粒子沥滤法指首先将组织工程材料和致孔剂粒子制成均匀的混合 物，然后利用二者不同的溶解性或挥发性，将致孔剂粒子除去，于是粒 子所占有的空间变成孔隙。致孔剂粒子可采用氯化钠、酒石酸钠和柠檬 酸钠等水溶性无机盐或糖粒子，也可用石蜡粒子或冰粒子。 9 武汉工程大学硕士学位论文 1 9 9 4 年，m i k o sa g 等【3 6 】提出以盐粒子作为致孔剂，通过致孔剂沥 滤技术制备p u a 多孔膜，此法通常称作溶液浇铸一粒子沥滤技术 ( s o l u t i o nc a s t i n g - - p a r t i c u l a t el e a c h i n g ) 。也就是将一定量筛选过的盐粒子 ( n a c l 、酒石酸钠或柠檬酸钠) 加入到p u a 的氯仿( 或二氯甲烷) 溶 液中，搅拌使粒子分散均匀后浇注到培养皿上。真空干燥除去溶剂后， 将p 叫盐混合物在蒸馏水中浸泡除去盐粒子，再干燥除去水，得到多 孔材料。如果需要特定结晶度的产品，可以将除去溶剂后的p l l a 盐混 合物加热至p u a 的熔点以上，然后通过退火或淬火过程得到不同结晶 度的样品。通过上述方法制备多孔材料时，盐的除去率可达9 9 9 ，膜 的孔隙率高达9 3 ，中值孔径( m e d i a np o r ed i a m e t e r s ) 可达1 5 0 t m 。 1 9 9 6 年，d j m o o n e y 等【3 7 】又提出以c 0 2 气体物质作为致孔剂制备 p l g a 多孔支架，此法可避免使用有机溶剂，防止支架中残留的有机溶剂 对细胞产生毒性；并且c 0 2 无毒、价廉、性质稳定、无污染，具有经济 价值。他们将p l g a 粉末压成片状，在室温、5 5m p a 的c 0 2 中浸润7 2h ， 然后降至常压，溶解在聚合物中的c 0 2 迅速成核生长，形成了孔径约为 1 0 0 “m 、孔隙率高于9 3 的多孔支架。但是此法也有一定的缺陷：不能 精密控制支架的内部形态、有闭合的孔存在、对聚合物的类型有一定的 限制一一只能使用无定型聚合物，这在制备机械强度较高的支架时受到 了限制。 为了改善在多孔材料上细胞的吸附、物质的传递以及新组织的生长， 2 0 0 0 年，r u i y u nz h a n g 和p e t e rx m a t 3 8 1 以自制的具有一定三维结构的糖 致孔剂制备了p u a 大孔支架。致孔剂的制备方法如下，将糖粒加热至 完全熔化，用刀片沾取熔融的糖并拉成纤维状，室温下使纤维固化。将 糖纤维摆放成一定的形状，即可得到实验所需的致孔剂。多孔支架的制 备方法是，将一定浓度的p i i 。a t h f 溶液滴入致孔剂中，冷冻使溶液形 成凝胶，用蒸馏水萃取出溶剂和致孔剂，再进行冷冻和冷冻干燥，即可 得到具有特定形态的p u a 多孔支架。显然，该方法仅限于多孔材料的 理论研究，不具商业应用价值。 2 0 0 1 年，p e t e rx m a 等人【3 9 , 4 0 又用粘结成型的石蜡微球作为致孔剂， 1 0 第1 章文献综述 制备了p u a 多孔支架。将熔融的石蜡倒入聚乙烯醇( p v a ) 溶液中，用 分散的方法得到蜡球。将一定粒径的蜡球放入塑料瓶中，用平板压住上 表面，加热使蜡球粘结形成内部相互连续的模型。待瓶子温度降至室温 后，向蜡球团中逐滴加入p u a 的二氧六环比啶( 1 - 1 ，v 加) 溶液，然 后迅速在2 5 0m m h g 、约3 7 条件下加热2 3m i n 以便除去蜡球团中的 空气。将聚合物蜡球团在7 0 。c 放置一夜使聚合物溶液发生相分离，然后 将分相的凝胶蜡球混合物分别在环己烷中浸泡除去溶剂和蜡球，再用环 己胺萃取出环己烷，并将凝胶进行冷冻和冷冻干燥，即可得到具有相互 连续的球形孔结构的纳米纤维细胞外基质。此法可增加支架孔隙间连通 通道的尺寸，使细胞更易于在孔隙之间迁移，但所得支架的孔隙粗糙， 连通通道不规则。 同年，a m a l d or s a n t o s 等【4 1 】以柠檬酸钠为致孔剂，用致孔剂沥滤技 术制备了p u a 多孔膜，并对其进行了生物评价。根据盐粒粒径的不同， 得到三种孔径( 4 5l x m ，1 8 0 一- - 2 5 0 “m 和2 5 0 - - 3 5 0 m ) 的膜，孔隙率 约为8 0 。体外测试结果显示，各种p u a 膜在促进细胞外基质( 如 型骨胶原和粘连蛋白) 生长方面都表现出相似的性能。 然而，使用致孔剂沥滤技术时，都存在残留的致孔剂对细胞产生毒 性的问题，为解决这一难题，g u o p i n gc h e n 等【4 2 ，4 3 】尝试用冰粒作致孔剂 进行研究。他们通过向液氮中喷射去离子水得到冰粒，然后将冰粒分散 在p u a 或p l g a 的氯仿溶液中，冷冻干燥后得到平均孔径为2 3 7l x m 、 孔隙率为9 5 的多孔支架。 为了进一步控制多孔支架的内部结构，2 0 0 3 年，陈际达】通过溶液 分散和离心粘结技术制备了新型水溶性球形致孔剂。他将甲基硅油加热 至2 4 0 2 5 0 ，分次加入一定量氯酸钠后，继续升温至2 7 0 ，此时氯 酸钠在甲基硅油中呈液态微球；迅速冷却甲基硅油使氯酸钠液态微球迅 速固化成固态微球；除去甲基硅油即可得到球形致孔剂。依次用氯仿和 乙醚洗涤致孔剂微球，然后干燥。将球形致孔剂放入自制模具中，在一 定条件下粘结，在1 0 0 0r m i n 条件下离心5m l n ，重复多次粘结、离心过 程，使致孔剂微球充分干燥，即可得到致孔剂微球粘结块。以这种致孔 武汉工程大学硕士学位论文 剂制备的p d l l a 多孔支架，孔径在2 2 0 - 6 0 0 m 范围，孔隙率在8 3 9 5 范围，孔之间相互连通且连通通道为圆形，通道直径可由粘结程度 控制。 2 0 0 4 年，m n a v a r r o 等【4 5 】将磷酸钙玻璃和p l a 混合，通过致孔剂沥 滤技术制备了p l 多孔支架。得到的支架具有相互连续的孔结构，孔隙 率高达9 7 。添加磷酸钙玻璃可显著提高支架的耐压性和生物灵敏性。 同年，h a i y a nl i 等【4 6 】在p d l l a 的氯仿溶液中加入硅灰石和粒状 n a c i ，利用致孔剂沥滤技术制备具有生物活性的硅灰石聚乳酸复合支架。 支架具有相互连续的大孔结构，孔径从几十微米到几百微米，孔隙率最 高可达9 5 。将支架浸入模拟体液中，7 天后在支架表面生成一层羟基 磷灰石；复合支架释放的c a 和s i 离子可以控制p d l l a 降解副产物的酸 性，3 个星期内可以保持模拟体液的p h 值在6 7 7 2 之间；另外，复合 支架中的硅灰石能够增强支架的亲水性。 1 6 3 熔融成型法 与粒子沥滤技术相似的另外一种工艺是熔融成型法，两者的工艺过 程类似，但熔融成型不需要使用有机溶剂，故所制备的骨架可用于生物 活性分子的控制释放，并且可以构造结构复杂的三维骨架。 2 0 0 4 年，b a s i ld f a v i s 等 4 7 禾1 j 用熔融技术，由两种可生物降解聚合 物的共连续混合物制备了p u a 多孔支架。将干燥后的p u a 和聚己内 酯( p c l ) 在2 0 0 下搅拌混合，5m i n 后放入液氮中淬火以保持其形态。 用醋酸萃取出p c l 后干燥至恒重，即可得到孔高度连续的p u a 支架。 如果在熔融混合和萃取过程之间加上退火过程，可增加多孔支架的孔径。 随着退火时间的延长，孔径从1 5l x m 增至8 “m ，孔隙率在5 0 - ，6 0 范围。随后他们又利用类似方法，通过p u a 一聚苯乙烯( p s ) 体系制备 了p u a 多孔支架。通过控制退火条件可以得到孔