專利名稱：泡沫炭生物支架及其制備方法和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種組織工程生物材料及其制備方法和應用，尤其涉及一種生物支 架及其制備方法和應用。
背景技術：
大規(guī)模動物細胞培養(yǎng)是組織工程、基因工程的基礎，大量的生物醫(yī)學實驗、體 外藥理學試驗也離不開體外細胞培養(yǎng)。目前國際上通用的二維平面細胞體外培養(yǎng)方式， 獲得細胞為平面單層細胞，細胞生命狀態(tài)與在真實人體內的三維立體結構完全不同，細 胞與細胞之間的相互空間位置、信號傳導與增殖調控和體內環(huán)境有很大區(qū)別，生命活動 將異于正常的細胞狀態(tài)并可能導致細胞組織的退變。因此，為實現(xiàn)未來具有突破性的高 密度的細胞培養(yǎng)方式，使細胞可以在三維空間上與鄰近細胞相互接觸、傳導信號，更加 真實地模擬人體內的細胞生長狀態(tài)，細胞培養(yǎng)方式必須采用三維培養(yǎng)。但是因為缺乏毛 細血管等傳質通道，體外細胞三維培養(yǎng)必然會遇到多層細胞間的傳質難題——多層細胞 間的氧氣、養(yǎng)分、生長因子及代謝產物無法輸送，細胞生長到一定厚度后即因其無法與 外界進行物質交換而死亡。為克服傳質難題實現(xiàn)細胞的大規(guī)模三維培養(yǎng)，細胞需要一 個“模板”——三維支架材料，該“模板”能指導細胞黏附增殖形成三維立體空間分 布，并利用支架材料上三維連通孔網(wǎng)絡進行氧氣、養(yǎng)分、生長因子的輸入及代謝產物的 輸出。目前被廣泛研究的三維支架材料，如聚己交酯(PGA)、聚左旋乳酸(PLLA)、 聚右旋乳酸(PDLA)、生物活性陶瓷等，具備高比表面積、三維連通孔網(wǎng)絡與生物相容 性，多用于體內小范圍組織缺損修復，但是由于這些支架材料的可降解性、可吸收性及 抗壓強度不高，難以真正用作體外細胞高密度、長時間培養(yǎng)的支架材料。而在大規(guī)模動 物細胞培養(yǎng)過程中，三維支架材料不僅需要合適的三維結構與良好的生物相容性，以能 夠使細胞正常地黏附增殖，還必須具有良好的化學、力學穩(wěn)定性，以保證細胞大規(guī)模培 養(yǎng)可在較長時間內維持正常。因此，迫切需要研發(fā)一種生物相容性良好的非降解多孔材 料作為體外細胞培養(yǎng)的支架材料。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種開孔率高、密度 低、對生物體無毒性、生物相容性好并能在體外細胞長期培養(yǎng)中保持機械性能穩(wěn)定的泡 沫炭生物支架，還相應提供一種該泡沫炭生物支架的制備方法和應用。為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案為一種泡沫炭生物支架，所述泡 沫炭生物支架是由酚醛樹脂形成的前驅體經(jīng)碳化而成，所述前驅體是酚醛樹脂在常壓下 經(jīng)發(fā)泡固化后形成。在上述的泡 沫炭生物支架中，其優(yōu)選具有三維的連通孔結構。在這種具有三維 連通孔結構的泡沫炭生物支架中，所述連通孔的孔徑范圍優(yōu)選為50微米 500微米，開孔率優(yōu)選為70% 90% (開孔率是指泡沫炭生物支架中氣泡所占體積與泡沫炭生物支架 的總體積之比)。作為一個總的技術構思，本發(fā)明還提供一種泡沫炭生物支架的制備方法，包括 以下步驟(1)配料取用酚醛樹脂，并向其中分別添加酚醛樹脂質量20% 30%的發(fā)泡 齊U、0.1 % 0.5%的乳化劑及0.5%~0.9%的填料，混合均勻得樹脂混合物；(2)發(fā)泡固化向所述樹脂混 合物中加入所述酚醛樹脂質量15% 20%的固化 齊U，混合均勻后立即置于水浴中發(fā)泡(常壓發(fā)泡)，再在水浴中進行預固化，得到預固化 體；(3)干燥固化將所述預固化體進行干燥以進一步固化，獲得泡沫炭前驅體；(4)碳化燒成隔絕空氣狀態(tài)下，對所述泡沫炭前驅體進行碳化燒成，得到泡 沫炭生物支架。上述的泡沫炭生物支架的制備方法中，所述發(fā)泡劑優(yōu)選為正戊烷；所述乳化 劑優(yōu)選為十六烷基苯磺硫酸鈉；所述填料優(yōu)選為石墨粉；所述固化劑優(yōu)選為質量濃度 15% 25%的稀硫酸。上述的泡沫炭生物支架的制備方法中，所述水浴的溫度優(yōu)選控制在60°C 70°C,在所述水浴中發(fā)泡時一般攪拌5 10分鐘，所述預固化的時間在30分鐘以上。上述的泡沫炭生物支架的制備方法中，所述干燥時的溫度優(yōu)選控制在100°C 150°C,干燥時間優(yōu)選在24小時以上。上述的泡沫炭生物支架的制備方法中，所述碳化燒成時的溫度優(yōu)選控制在 800°C 1000°C，保溫時間優(yōu)選在3小時以上(升溫時間未計算在所述保溫時間內)。作為一個總的技術構思，本發(fā)明還提供一種上述的泡沫炭生物支架在體外細胞 培養(yǎng)上的應用，應用時針對不同細胞種類的需求將植有細胞的泡沫炭生物支架置于靜態(tài) 或動態(tài)的循環(huán)培養(yǎng)體系中培養(yǎng)。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1)利用非降解三維連通孔網(wǎng)絡結構的泡 沫炭作為細胞培養(yǎng)生物支架材料，不僅可以實現(xiàn)細胞體外高密度培養(yǎng)，降低細胞培養(yǎng)成 本，更能維持細胞體外培養(yǎng)時的功能化，實現(xiàn)高活性三維立體培養(yǎng)；2)本發(fā)明泡沫炭前 驅體的發(fā)泡過程中加入填料石墨，用于提高發(fā)泡效率與穩(wěn)定性，大大提高了發(fā)泡法制備 泡沫炭生物支架的開孔率。本發(fā)明的泡沫炭生物支架不僅具有長期穩(wěn)定的機械強度，且開孔率高、密度 低，所選用的碳材料由于本身的化學惰性，對生物體無毒，生物相容性好；且本發(fā)明泡 沫炭生物支架的三維空間結構有利于細胞在立體空間內相互聯(lián)系，從而更擬真地呈現(xiàn)細 胞在生物體內的生長狀況，是一類極具應用前景的體外細胞培養(yǎng)支架。


圖1為本發(fā)明實施例制得的泡沫炭生物支架材料的低倍形貌顯微照片。圖2為本發(fā)明實施例制得的泡沫炭生物支架材料的高倍形貌顯微照片。圖3為本發(fā)明實施例制得的泡沫炭生物支架材料的細胞附著顯微照片，其中a 圖 e圖分別為細胞種植后1小時、2小時、3小時、4小時、5小時五個時間點細胞附著于生物支架材料表面的顯微照片。
具體實施例方式實施例
一種如圖1 圖2所示的本發(fā)明的泡沫炭生物支架，該泡沫炭生物支架是由酚醛 樹脂形成的前驅體經(jīng)碳化而成，而前驅體是酚醛樹脂在常壓下經(jīng)發(fā)泡固化后形成。本實 施例的泡沫炭生物支架具有三維的連通孔結構，其連通孔的孔徑在220微米左右，開孔 率為80士2%。上述本實施例的泡沫炭生物支架的制備方法，主要包括以下步驟(1)配料取用100份的酚醛樹脂(本實施例中采用的是2130牌號酚醛樹脂)， 先加入30份的發(fā)泡劑正戊烷，然后分別加入0.5份的乳化劑十六烷基苯磺硫酸鈉和0.9份 的填料石墨粉(石墨粉過200目篩)，攪拌混合均勻得樹脂混合物；(2)發(fā)泡固化向步驟(1)得到的樹脂混合物中加入20份固化劑稀硫酸(質量 濃度為20%)，混合均勻后立即置于60°C水浴中發(fā)泡，發(fā)泡時攪拌5 10分鐘，然后在 水浴中預固化30分鐘，得到預固化體；(3)干燥固化將步驟(2)得到的預固化體置于150°C的鼓風干燥箱中進一步固 化24小時，獲得泡沫炭前驅體；(4)碳化燒成在隔絕空氣的狀態(tài)下，將干燥固化后得到的泡沫炭前驅體放到 陶瓷坩堝中，碳粉密封隔絕空氣，再將陶瓷坩堝置于電阻爐中進行碳化燒成，碳化燒成 的機制如下表1所示，燒成完成后得到泡沫炭生物支架。表1 實施例的碳化燒成機制
權利要求
1.一種泡沫炭生物支架，其特征在于所述泡沫炭生物支架是由酚醛樹脂形成的前 驅體經(jīng)碳化而成，所述前驅體是酚醛樹脂在常壓下經(jīng)發(fā)泡固化后形成。
2.根據(jù)權利要求1所述的泡沫炭生物支架，其特征在于所述泡沫炭生物支架具有 三維的連通孔結構。
3.根據(jù)權利要求2所述的泡沫炭生物支架，其特征在于所述泡沫炭生物支架中連 通孔的孔徑范圍為50微米 500微米，開孔率為70% 90%。
4.一種泡沫炭生物支架的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)配料取用酚醛樹脂，并向其中分別添加酚醛樹脂質量20% 30%的發(fā)泡劑、 0.1%~0.5%的乳化劑及0.5 % 0.9 %的填料，混合均勻得樹脂混合物；(2)發(fā)泡固化向所述樹脂混合物中加入所述酚醛樹脂質量15% 20%的固化劑， 混合均勻后立即置于水浴中發(fā)泡，再在水浴中進行預固化，得到預固化體；(3)干燥固化將所述預固化體進行干燥以進一步固化，獲得泡沫炭前驅體；(4)碳化燒成隔絕空氣狀態(tài)下，對所述泡沫炭前驅體進行碳化燒成，得到泡沫炭 生物支架。
5.根據(jù)權利要求4所述的泡沫炭生物支架的制備方法，其特征在于所述發(fā)泡劑為 正戊烷；所述乳化劑為十六烷基苯磺硫酸鈉；所述填料為石墨粉；所述固化劑為質量濃 度15% 25%的稀硫酸。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的泡沫炭生物支架的制備方法，其特征在于所述水浴的 溫度控制在60°C 70°C，在所述水浴中發(fā)泡時攪拌5 10分鐘，所述預固化時間在30 分鐘以上。
7.根據(jù)權利要求4或5所述的泡沫炭生物支架的制備方法，其特征在于所述干燥時 的溫度控制在100°C 150°C，干燥時間在24小時以上。
8.根據(jù)權利要求4或5所述的泡沫炭生物支架的制備方法，其特征在于所述碳化燒 成時的溫度控制在800°C 1000°C，保溫時間在3小時以上。
9.一種如權利要求1 3中任一項所述的泡沫炭生物支架在體外細胞培養(yǎng)上的應用， 應用時針對不同細胞種類的需求將植有細胞的泡沫炭生物支架置于靜態(tài)或動態(tài)的循環(huán)培 養(yǎng)體系中培養(yǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種泡沫炭生物支架及其制備方法和應用。該泡沫炭生物支架由酚醛樹脂在常壓下發(fā)泡固化后形成的前軀體經(jīng)碳化而成。制備時先進行配料，然后置于水浴中發(fā)泡固化，再干燥固化得到前驅體，前驅體碳化燒成得到泡沫炭生物支架。該泡沫炭生物支架在體外細胞培養(yǎng)上進行應用時，針對不同細胞種類的需求將植有細胞的泡沫炭生物支架置于靜態(tài)或動態(tài)的循環(huán)培養(yǎng)體系中培養(yǎng)。該泡沫炭生物支架具有良好的開孔率和生物相容性，機械強度高，可以廣泛地應用在體外細胞培養(yǎng)中。
文檔編號A61L27/08GK102008747SQ20101058638
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權日2010年12月14日
發(fā)明者劉海蓉, 周征, 夏磊磊 申請人:湖南大學