專利名稱：一種多層多孔支架及其制備方法
技術領域：
本發明屬于生物材料和組織修復技術領域，具體涉及一種多層的多孔支架及其制 備方法。
背景技術：
多孔支架可以廣泛應用于組織修復、細胞培養載體、傷口敷料、藥物控釋載體等領 域。尤其是具有高孔隙率的聚合物多孔三維支架，已經發展成為組織工程和原位組織再生 的重要組成部分。現有技術公開了組織工程的基本原理是從人體組織提取一定的正常細胞，培養 增殖后，在體外與可降解多孔支架構建細胞材料復合體，再將這種復合體植入組織缺損處， 隨著材料降解和細胞外基質的不斷分泌和組織的不斷形成，重建新的與自身形態和功能相 適應的組織和器官，達到組織修復的目的。因此多孔支架在組織重建過程中具有相當重要 的地位。此外，直接植入多孔支架、利用體內的細胞自行修復組織的組織誘導技術(或稱 原位組織再生)也依賴于合適的多孔支架材料。關于組織工程支架或組織誘導支架的制作和成型技術，目前已經有比較豐富的途 徑和手段。例如，纖維紡織技術、粒子脫除技術、氣體發泡技術、相分離技術、微球燒結技術 等。不同的生物材料和制備手段得到的組織工程支架，其孔形態、孔隙率、比表面積和降解 速率等重要指標都有差異。例如，靜電紡絲獲得的無紡布結構，適合于皮膚血管等薄層組織 的構建；粒子去除獲得高孔隙率的三維支架，可應用于骨和軟骨組織工程；利用微球燒結 的方法，可以得到高強度的支架，但空隙率不高，適合于骨組織的修復。而在組織重建過程 中，支架的結構特點能夠影響到新生組織的結構和功能，因此針對不同組織的重建需要孔 結構與之相適應的多孔支架。人體器官比較復雜，并非由單一的組織構成，而臨床上需要采用組織工程修復的 病灶，常包含有多層組織的嚴重缺損。不同組織的形態、結構、力學性能有很大差別，不同類 別的細胞生長增殖和組織重建速率也有差異。因此就需要根據這些缺損組織的特點，設計 不同孔隙率、孔結構和降解速率相結合的支架材料。另外，在組織工程實踐過程中，即便對 單一組織的修復，也需要考慮其與周圍組織之間的配合。譬如，在軟骨修復的臨床實例中， 除了要實現軟骨組織的修復，重建的軟骨和下層骨組織的連接成為關鍵的問題。否則，重建 軟骨與骨基體間的界面連接將成為組織修復的薄弱環節。另外，在皮膚、長干骨等組織的修 復中，都需要構建多重形態的復雜仿生組織。而依靠之前所述單一的支架致孔成型工藝，一 般只能制備單種材料、單一孔結構的支架。在面對復雜組織的構建的臨床需求時，具有與缺 損組織相似的多層結構、各層性能獨立可調、且整體上仍然相互連通的支架的需求量更大。為了獲得與復雜組織構建相適應的多層結構，從組織修復的角度考慮，多層的多 孔支架之間有時需要具有良好的連通性。若簡單地將兩個預先制備的多孔支架予以連接很 容易導致支架之間缺乏連通。

發明內容
本發明的目的在于提供一種多層多孔支架及其制備方法。具體涉及一種由多層支 架粘合、且層與層之間具有良好連通孔結構的多層多孔支架。本發明提供了一種具備連通性的多層的多孔支架。本發明采用一種含致孔粒子的 粘合劑，制備一種層與層之間結構獨立可調，且層與層之間的孔保持連通的支架材料。其核 心是選擇適合的多孔材料，直接使用或者按要求剪裁后，通過可致孔的粘合劑粘合，固化后 除去致孔劑，制成具有相互連通多層結構和復雜外形的多孔支架。具體而言，本發明提供的多層多孔支架，其特征在于，具有多層結構，且構成支架 主體的各層間含有多孔的過渡層、使得上下層的孔之間相互連通。每一層可以是采用粒 子溶出、纖維紡織、相分離、氣體發泡或微球燒結等中的任意一種或幾種技術制備的多孔支 架。組成該支架的一層或多層的孔徑為10-900 ym，孔隙率20% -99%，復合支架中每一層 的孔結構形貌和孔隙率獨立可調，不同層的孔徑和孔隙率可以相同、也可以不相同，支架各 層之間通過使用含致孔劑的粘合劑連接。本發明中，采用由聚合物、溶劑和致孔粒子組成的混合物作為粘合劑。在層與層之 間的粘結面上涂敷粘合劑后，將粘結面相合，施加壓力。粘合劑中的溶劑通過擴散作用，將 支架表層孔壁部分溶解融合，待溶劑揮發后，粘合層固定，不同層的聚合物就通過中間的粘 合層連接起來。最后采用粒子去除的方法，將粘合層的粒子溶出，即得到層與層間相互連通 的多孔復合支架。本發明提出的多層多孔支架，其特征在于采用具有多孔結構的過渡層將相互獨立 的多孔支架層與層連接成整體，且層與層之間的孔具有連通性。連接層厚度一般在o. 5mm
左右o組成各層支架的基質材料包括高分子材料、無機材料、生物衍生材料或者它們之 間的復合物，不同層之間的基質材料可以相同、也可以不相同。所述的基質材料是具有自粘接性、可溶解性、可塑性的天然或合成高分子材料，既 包括可降解的高分子，也包括不可降解的高分子材料。每一層支架的基質材料還包括高分 子材料之間的共聚物或共混物以及高分子材料與生物衍生材料、無機材料等之間的復合 物。本發明中，組成多孔支架主體的高分子材料包括聚乳酸、聚羥基乙酸、聚羥基丁酸 酯、聚己內酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚二氧六環、殼聚糖、海藻酸鹽、透明質酸鹽、膠 原、明膠、絲素蛋白等可降解聚合物，以及由它們之中的兩種或兩種以上組成的共聚物或共 混物的任何一種；也可以是聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、 尼龍、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚硅氧烷等不可降解聚合物，以及由它們 之中的兩種或兩種以上組成的共聚物或共混物的任何一種。本發明所述的粘合劑，其特征在于由聚合物、溶劑和致孔粒子組成。其中的聚合物 組分可以是可降解的聚乳酸、聚羥基乙酸、聚羥基丁酸酯、聚己內酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、 聚酸酐、聚二氧六環、殼聚糖、海藻酸鹽、透明質酸鹽、膠原、明膠、絲素蛋白以及它們之中兩 種或兩種以上組成的共聚物或共混物的任何一種；也可以是不可降解的聚苯乙烯、聚氯乙 烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、尼龍、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚硅氧烷，以及由它們之中的兩種或兩種以上組成的共聚物或共混物的任何一種。粘合劑中的溶劑組分(即溶劑A)，可以是丙酮、丁酮、三氯甲烷、二氯甲烷、四氫呋 喃、苯、甲苯、二甲苯、乙二醇、環己酮、二氧六環、N，N-二甲基甲酰胺、甲酸、苯甲醇、環己烷 中的任何一種或幾種的混合物。所述的溶劑A對粘合劑聚合物組分以及支架主體材料有良 好的溶解性，但不會改變其結構和性能；對致孔粒子不溶解且不改變其結構和性質；具有 合適的揮發性，在真空條件下可以完全脫除。本發明中，溶劑B對聚合物不溶或基本不溶，對致孔粒子有良好的溶解能力，且具 有合適的揮發性，在真空條件下可以被完全脫除，通常采用戊烷、己烷、庚烷、辛烷、環己烷 或水中的任何一種或幾種的混合物。本發明中，粘合劑中的致孔粒子溶于溶劑B，但不溶于溶劑A。所述致孔粒子包括 無機鹽、多糖、有機小分子化合物或者由它們組成的混合物，粒子可以是規則的球型也可以 是不規則的多面體，粒徑在10-900 y m范圍內。粘合劑中溶劑A的所占體積分數通常為 20% -70%，較佳的范圍是30% -50% ；致孔粒子的用量范圍為混合物的20wt% -99wt%, 較佳的范圍是70wt% -95wt%。本發明采用粘合劑粘結的方法制備所述的多層多孔支架，通過下述步驟，1、將聚合物原料、聚合物的溶劑(溶劑A)和致孔粒子攪拌混合后，獲得多層支架 的粘合劑；2、將預先制作好的多孔支架的各組成部分直接使用或者依照組織缺損形態進行 適當剪裁以獲得整齊潔凈的粘結面；3、將支架粘合劑涂覆到各層支架的粘結面上，形成連接層，然后將待粘接的另一 層支架放置在上面，并施加壓力，待溶劑揮發后定型；4、經過一段時間定型完成后，除去壓力，根據需要添加新的支架層，可重復上一步 操作；5、對相互連接的多層支架實施粒子脫除工藝，用溶劑B將連接層的粒子溶出；干 燥去除殘余溶劑后，制得具有相互連通孔結構的多層復合多孔支架。本發明中，獲得粘合劑時可以先將聚合物材料溶于溶劑A中，形成聚合物溶液，然 后將致孔粒子加入到高分子溶液中，攪拌混合均勻。本發明中，每一層支架的成型工藝可采用粒子致孔、無紡布編織、發泡成型、相分 離、三維打印以及粒子燒結技術中的任意一種或幾種。本發明支架粘合時，需要給予一定的壓力和時間使粘合層固化。可以在小型模壓 設備上實施，前提是不能破壞各層支架的結構，固化時間一般為幾分鐘到數小時不等，由所 使用溶劑A的揮發能力來決定。本發明得到粘合后的多層支架后，需要使溶劑A脫除，可以先在室溫空氣環境下 使溶劑A部分揮發，然后在真空條件室溫下完全脫除，一般在12-48小時。溶劑B應該大大 過量，一般為粘合劑使用量的50-1000倍。本發明中，將上述已脫除粒子的復合支架取出，室溫下空氣中使大部分溶劑揮發， 然后轉入真空條件下脫除剩余溶劑B。該過程一般持續12-48小時，真空烘箱不超過聚合物 的玻璃化轉變溫度，一般室溫狀態即可。本發明所制備的多層多孔支架適用于作為皮膚、骨/軟骨、血管、食道、氣管等組織工程修復所使用的細胞支架，用于皮膚、骨/軟骨、血管、食道、氣管等組織的人工構建。本發明與現有的復合支架制備技術相比，具有以下的優點和特點1、所制得的多層多孔支架層與層之間通過粘合層過渡連接，與普通的化學粘合劑 不同，本發明最終得到的粘合層也具有多孔結構，且與支架各層之間實現相互連通，適合于 組織重建過程中不同細胞的過渡和組織間的融合，避免了重建組織層與層之間的弱化分 罔。2、所制備的支架，不同層可以是不同材料、不同的致孔工藝，也可以是同一成型工 藝不同孔隙率支架，以及以上任意的組合，這種靈活多變的體系，在結構和功能仿生兩大方 向上均具有實際意義。3、本發明使用的粘合劑的聚合物組分是具有良好的生物相容性的材料，可以選擇 與支架主體相同的材料，也可以選擇其它適合組織工程材料，4、本發明還可以通過粘結技術，通過各部分拼接組合的方法，制造外形復雜的大 型多孔支架。5、本發明所涉及的制備方法中能最大限度避免有害物質的殘留，適合醫用植入器 件的制造。為了便于理解，以下將通過具體的附圖和實施例對本發明的進行詳細地描述。需 要特別指出的是，具體實例和附圖僅是為了說明，顯然本領域的普通技術人員可以根據本 文說明，在本發明的范圍內對本發明做出各種各樣的修正和改變，這些修正和改變也納入 本發明的范圍內。


圖1是多層支架在組織工程上的應用原理(以骨/軟骨修復為例)示意圖，其中 1、3是兩層不同降解周期的聚乳酸(PLA)多孔支架，2為多孔粘結層部分。圖2是通過采用石蠟球作為致孔粒子得到的孔徑350-455 u m、孔隙率90%的聚乳 酸和聚羥基乙酸的共聚物(PLGA)多孔支架掃描電鏡圖片。圖3是采用粘合方法將兩塊球形孔結構的PLGA多孔支架粘合后形成復合支架的 粘合界面掃描電鏡照片，粘合劑由PLGA/鹽粒子/ 二氯甲烷組成，中間寬400 u m左右的不 規則多孔區域為粘合層。孔徑350-455 u m,孔隙率90%。圖4是粘合前后孔隙率達90%的PLGA支架的外觀照片，a是粘合前的兩塊獨立支 架，b是粘合后形成的雙層復合支架。
具體實施例方式實施例1首先制備鹽粒和球形石蠟致孔粒子。鹽粒使用機械打碎后通過標準篩篩分，收集 不同粒徑范圍的粒子。石蠟微球使用l.Og明膠、20. 0g石蠟，加入到400ml去離子水中， 400rpm機械攪拌下加熱到80°C，然后加入300ml冰水淬冷，使蠟球固化。過濾，用去離子水 沖洗兩次，干燥后用標準曬篩分，收集不同粒徑范圍的粒子。接著準備粘合劑。將0.58分子量為30萬的？11^85/15溶解于8.01111二氯甲烷中， 將9. 5g粒徑350-455 u m的氯化鈉鹽粒子加入到高分子溶液中，混合攪拌均勻。
取兩塊用石蠟微球致孔的柱狀PLGA85/15多孔支架(高5mm，直徑10mm，孔隙率 90 %，孔徑350-455 u m)，將端部修平整。將粘合劑均勻地涂覆在其中一塊支架的粘接面上， 然后將另一塊支架的粘接面扣在涂覆了粘合劑的支架表面上。置模壓器具中，施加40N的 壓力，保持6小時。解除壓力將支架取出，在空氣中繼續揮發溶劑12小時后，轉入室溫下真 空度大于755mmHg的真空烘箱干燥24小時；將復合支架放入含有500ml去離子水的燒杯中 浸出粘合層中的致孔粒子，每4小時換一次水，48小時后用硝酸銀溶液檢測，浸出液不出現 白色沉淀，說明粒子已經除干凈。將復合支架從水中取出，濾紙吸水，空氣中室溫干燥24小 時后，轉入真空度大于755mmHg的真空烘箱干燥。制得有兩塊PLGA多孔支架組成，彼此連 通的復合多孔支架。孔隙率90%，孔徑350-455 u m。實施例2支架采用兩塊不同孔隙率得石蠟微球致孔的柱狀PLGA85/15多孔支架，其中一塊 孔隙率95%，另一塊85% (高5mm，直徑10mm，孔徑350-455 u m)，其余的條件與實施例1相 同，制得一塊由不同孔隙率材料組成的雙層多孔支架。實施例3支架采用兩塊不同致孔工藝得到的柱狀PLGA85/15多孔支架(高5mm，直徑10mm， 孔隙率90 %，孔徑350-455 u m)，其中一塊由氯化鈉鹽粒致孔，一塊由石蠟微球致孔，其余 條件與實施例1相同，制得一層規則球形孔，另一層不規則孔的復合多孔支架。實施例4準備三塊用石蠟微球致孔的柱狀PLGA85/15多孔支架(高5mm，直徑10mm，孔隙率 90 %，孔徑350-455 u m)，在第一塊和第二塊粘結后，再在第二塊上表面涂覆粘合劑，將第三 塊粘合上去，其余方法與實施例1相同，制得三層復合多孔支架。實施例5粘合劑粒子換作350-455 u m的石蠟微球，將兩塊石蠟微球致孔的柱狀PLGA85/15 多孔支架(高5mm，直徑10mm，孔隙率90%，孔徑350-455 u m)按實施例1方式粘合后，置于 索氏提取器內，用正戊烷為溶劑抽提48小時，取出支架室溫空氣干燥8小時，真空烘箱真空 度大于755mmHg室溫干燥48小時。得到粘合層為球形孔的雙層復合多孔支架。實施例6使用0.3g分子量為5萬的聚己 內酯(PCL)，溶解在10ml丙酮中，350-455 iim粒 徑的鹽粒子2. 7g，混合均勻制成粘合劑，其余方法與實施例1相同，制得由PCL連接的 PLGA85/15復合多孔支架。 8
權利要求
一種多層多孔支架，其特征在于，所述支架具有多層結構，支架各層間含有多孔的過渡層，支架上下層的孔之間相互連通；所述的過渡層通過下述方法制得采用由聚合物、溶劑和致孔粒子組成的混合物作為粘合劑，固化后除去粒子，形成相互連通的過渡層結構。
2.根據權利要求1所述的多層多孔支架，其特征在于，所述的多層多孔支架中的一層 或多層包含有孔徑10-900 ym、孔隙率20% -99%的多孔結構，不同層的孔徑和孔隙率相同 或不相同。
3.根據權利要求1所述的多層多孔支架，其特征在于，組成各層支架的基質材料包括 高分子材料、無機材料、生物衍生材料或者它們的復合物；組成不同層的基質材料相同或不 相同。
4.根據權利要求3所述的多層多孔支架，其特征在于所述的基質材料是具有自粘接 性、可溶解性或可塑性的天然或合成高分子材料。
5.根據權利要求3所述的多層多孔支架，其特征在于所述的高分子材料選自可降解的 高分子或不可降解的高分子材料或高分子材料與生物衍生材料或無機材料的復合物。
6.根據權利要求5所述的多層多孔支架，其特征在于所述的可降解的高分子材料選自 聚乳酸、聚羥基乙酸、聚羥基丁酸酯、聚己內酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚二氧六環、 殼聚糖、海藻酸鹽、透明質酸鹽、膠原、明膠或絲素蛋白或它們中的兩種或兩種以上組成的 共聚物或共混物。
7.根據權利要求5所述的多層多孔支架，其特征在于所述的不可降解的高分子材料選 自聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、尼龍、聚氨酯、聚甲醛、聚 乙烯醇、聚醋酸乙烯酯或聚硅氧烷或由它們中的兩種或兩種以上組成的共聚物或共混物。
8.根據權利要求1-7所述的任一多層多孔支架，其特征在于所述的支架每一層的成型 采用粒子致孔技術、無紡布技術、發泡成型技術或相分離技術以及三維打印技術中的任意 一種或幾種制備，其中每一層支架的厚度為0. l-100mm。
9.一種多層多孔支架的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)將制作支架的聚合物原料、聚合物的溶劑和致孔粒子攪拌成混合物后獲得多層支 架的粘合劑，所述溶劑為溶劑A ；(2)將預先制得的多孔支架的各組成支架層直接使用或按所需形態剪裁，獲得粘結(3)步驟1)的粘合劑涂覆到粘結面上，形成連接層后，將待粘接的另一層支架置于其 上面，并施加壓力，待溶劑揮發后定型；(4)定型完成后，除去壓力，還需添加支架層，重復上一步操作；(5)對上述相互連接的多層支架實施粒子脫除，使用粒子的溶劑將連接層的粒子溶出， 干燥去除殘余溶劑后，得具有相互連通孔結構的多層復合多孔支架，所述粒子的溶劑為溶 劑B。
10.根據權利要求9的制備方法，其特征在于所述粘合劑中致孔粒子的用量范圍占混 合物的20wt% _99wt%，溶劑的體積分數為20% -70%，粘合層的厚度為0. 01_5mm。
11.根據權利要求9的制備方法，其特征在于所述粘合劑中的聚合物選自可降解的聚 乳酸、聚羥基乙酸、聚羥基丁酸酯、聚己內酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚二氧六環、殼 聚糖、海藻酸鹽、透明質酸鹽、膠原、明膠、絲素蛋白；或不可降解的聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、尼龍、聚氨酯、聚甲醛、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚 硅氧烷；或由它們中的兩種或兩種以上組成的共聚物或共混物的一種。
12.根據權利要求9的制備方法，其特征在于所述粘合劑中的溶劑A選自丙酮、丁酮、三 氯甲烷、二氯甲烷、四氫呋喃、苯、甲苯、二甲苯、乙二醇、環己酮、二氧六環、N，N-二甲基甲酰 胺、甲酸、苯甲醇或環己烷或其中的一種或幾種的混合物。
13.根據權利要求9的制備方法，其特征在于所述粘合劑中的致孔粒子選自無機鹽、多 糖、有機小分子化合物或由它們組成的混合物；所述的粒子是規則的球型或是不規則的多 面體,粒徑范圍為10-900 iim。
14.根據權利要求9的制備方法，其特征在于所述溶劑B選自戊烷、己烷、庚烷、辛烷、環 己烷或水中的一種或幾種的混合物。
15.根據權利要求9的制備方法，其特征在于所述粘合劑中致孔粒子的用量范圍占混 合物的 70wt% -95wt%。
16.根據權利要求9的制備方法，其特征在于所述粘合劑中溶劑所占體積分數是 30% -50%。
17.根據權利要求9的制備方法，其特征在于所述的粘合劑中溶劑對粘合劑聚合物組 分或支架基質材料有溶解性，不改變其結構和性能；對致孔粒子不溶解且不改變其結構和 性質；在真空條件下完全脫除。
18.權利要求1的多層多孔支架在制備修復皮膚、骨或軟骨、血管、食道或氣管組織的 細胞支架中的用途。
全文摘要
本發明屬于生物材料和組織修復技術領域，涉及一種多層的多孔支架及其制備方法。本發明選擇合適的多孔材料，按既定尺寸要求剪裁后，通過含聚合物/致孔粒子/溶劑組分混合的可致孔的粘合劑粘合，固化粘結后，除去致孔劑，制成具有相互連通多層結構的多孔支架。所述支架具有多層結構，支架各層間含有多孔的過渡層，支架上下層的孔之間相互連通；本發明適合于組織重建過程中不同細胞的過渡和組織間的融合，避免了重建組織層與層之間的弱化分離。適用于多層組織修復的仿生三維細胞支架及其它應用領域。
文檔編號A61L27/56GK101874751SQ200910050499
公開日2010年11月3日 申請日期2009年4月30日 優先權日2009年4月30日
發明者丁建東, 張正 申請人:復旦大學