專利名稱：天然高分子復(fù)合多孔纖維支架及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種天然高分子復(fù)合多孔纖維支架及其制備方法，涉及一種可用于細胞生長支架及組織修復(fù)再生材料及其制備方法，屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
組織工程支架材料的制備方法是組織工程實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。多孔支架材料(特別是孔隙率高于90% )因其具有相互連通的孔結(jié)構(gòu)，為材料外部和內(nèi)部同時提供適于細胞的生長分化及其代謝產(chǎn)物與營養(yǎng)物質(zhì)的交換的環(huán)境，被認為是最具有發(fā)展前景的組織工程支架材料。致孔劑濾浙法是最常用的多孔支架制備方法，包括溶液澆鑄-致孔劑濾浙法， 擠出成型-致孔劑濾浙法等。胡平等通過在支架成型過程中加入致孔劑，并在支架成型后將致孔劑萃取出來，制備了一種組織和器官修復(fù)用多孔支架(ZL 00105638.7)。丁建東等采用溶液澆鑄_粒子濾浙法，將具有雙峰或多峰分布的致孔劑粒子與高分子溶液混合制備多孔支架(ZL 01126477.2)。致孔劑可以是多聚磷酸鈉、氯化鈉或氯化鉀 (ZL 200610016190. 1)，還有以冰顆粒作為致孔劑，通過冷凍干燥法制備多孔支架材料 (200510122920. 1,200610026086. 0)，更有以惰性氣體等作為致孔劑制備可植入的多孔支架材料(US2006003179-A1)。相分離法一般通過將溶液冷卻到溶劑熔點以下產(chǎn)生相分離， 再由真空干燥制備多孔支架。US5723508-A提供了一種冷凍干燥乳液制備模壓多孔支架的方法。相分離法也常與致孔劑濾浙法結(jié)合，胡平等對生物相容性聚合物聚(3-羥基丁酸酯)、3_羥基丁酸酯和3-羥基己酸酯共聚物、聚乳酸、乳酸和羥基乙酸共聚物，提出了一種通過相分離粒子濾浙制備多孔支架的方法(ZL00105637.9)。近年來研究者發(fā)現(xiàn)纖維織物常常具有通孔結(jié)構(gòu)，且比表面積大，通過溶劑把纖維層粘接起來，可以形成三維多孔支架。 W02010044758-A1提供了一種用于骨組織工程的生物可吸收支架材料，其支架內(nèi)部是多孔聚合物纖維，外部是可吸收纖維網(wǎng)。W02007024125-A1、US2008233162-A1提供了一種由靜電紡絲技術(shù)制備三維多孔纖維支架的方法，該支架可作為粘附細胞的植入材料用于組織修復(fù)再生。模仿細胞外基質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)和生物功能，以生物相容性和降解性好的天然高分子蛋白質(zhì)、多糖或含蛋白質(zhì)的共混物構(gòu)建的組織工程支架，具有其它材料不可比擬的優(yōu)越性。 天然高分子中很多蛋白，如彈性蛋白和膠原蛋白，是細胞外基質(zhì)的主要成分，是組織支架的重要調(diào)節(jié)蛋白，影響細胞的粘附、生長、繁殖。纖維蛋白原是凝血系統(tǒng)的重要成分之一，纖維蛋白原在體內(nèi)經(jīng)凝血酶作用轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維蛋白發(fā)揮其凝血和止血功能，并參與體內(nèi)一系列病理、生理過程，如炎癥、組織損傷、修復(fù)等。谷物蛋白則來源廣泛、價廉易得，更適合于廣泛應(yīng)用，是近年來倍受關(guān)注的一類天然高分子生物材料。透明質(zhì)酸是以游離形式廣泛分布于結(jié)締組織的細胞外基質(zhì)中的天然高分子多糖，也是細胞外基質(zhì)的主要成分之一，不僅在維持組織形態(tài)和保持組織抗壓縮性及張力方面具有重要作用，還對細胞具有多種作用，如保護細胞，影響細胞移動、增殖和分化，影響細胞的吞噬功能，屏蔽細胞膜上的機械感受器等。甲殼素及其衍生物是一種天然高分子線形多糖，具有良好的生物相容性、生物降解性、抗菌性、促使傷口愈合等特性。因此，構(gòu)建以天然高分子蛋白質(zhì)、多糖或含蛋白質(zhì)的共混物為主要成分的多孔支架，并且該支架存在納米纖維結(jié)構(gòu)以模擬細胞外基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的基于組成和結(jié)構(gòu)仿生的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架，是較理想的組織工程支架材料。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種具有球形孔洞與納米纖維結(jié)構(gòu)的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架，是一種具有很高孔隙率、良好力學性能和孔隙連通結(jié)構(gòu)的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架。技術(shù)方案本發(fā)明的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架具有兩種孔徑分布范圍的孔洞，球形孔洞的尺寸為100微米-500微米，纖維結(jié)構(gòu)孔洞的尺寸為500納米-20微米；復(fù)合成該支架的天然高分子包括明膠、絲素蛋白、玉米蛋白、藻酸鹽、殼聚糖、透明質(zhì)酸、葡聚糖中的一種或多種物質(zhì)的混合物。該支架為塊狀結(jié)構(gòu)，厚度為2毫米-100毫米。該復(fù)合多孔纖維支架還包括支架有機成分的添加劑，該添加劑是鈣磷鹽、二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋅、氧化鉀、氧化鎂、氧化鈣或碳纖維中的一種或多種物質(zhì)的混合物，添加劑的含量為有機成分質(zhì)量的 0.01% -10%。該復(fù)合多孔纖維支架還包括支架有機成分的添加劑，該添加劑是纖維蛋白、 細胞生長因子、骨生長因子、維生素、多肽或酶中的一種或多種物質(zhì)的混合物，添加劑的含量為有機成分質(zhì)量的0.01% -10%。該支架用作組織修復(fù)再生材料或凝血材料。本發(fā)明的的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架的制備方法依次包括下列步驟1.)將質(zhì)量濃度0.的聚乙烯醇水溶液倒入熔化的石蠟中，高速攪拌后經(jīng)標準篩分級得不同直徑分布范圍的石蠟微球；2.)將步驟1)制備的石蠟微球裝入模具，預(yù)熱1-6小時，將質(zhì)量濃度0. 1% -30% 的天然高分子溶液倒入模具中浸沒石蠟微球，隨后置于超低溫冰箱中冷凍24小時；3.)取出凍結(jié)成塊的石蠟微球和天然高分子混合物，浸泡于溶劑中，浸泡時間為 24小時以上，且每隔8小時更換一次溶劑；4.)將所得材料真空干燥后浸泡在正己烷中以洗去材料中的石蠟微球，浸泡時間為24小時以上，將材料真空干燥后即可制得復(fù)合多孔纖維支架材料。所述步驟3)中的溶劑是甲醇、乙醇、異丙醇、水或二氧六環(huán)中的一種或多種。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明通過調(diào)整致孔劑石蠟微球的直徑和天然高分子溶液的濃度，得到具有球形孔洞與納米纖維結(jié)構(gòu)的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架。(2)本發(fā)明提供的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架中球形孔洞保證了支架的孔隙連通結(jié)構(gòu)，納米纖維結(jié)構(gòu)則模擬了細胞外基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，在組成和結(jié)構(gòu)上進行仿生，是較理想的組織工程支架材料。(3)本發(fā)明提供的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架在具有很高孔隙率的同時保持了良好的力學性能和孔隙連通結(jié)構(gòu)，適于細胞的生長分化及其代謝產(chǎn)物與營養(yǎng)物質(zhì)的交換， 可以用于細胞、組織培養(yǎng)。
(4)本發(fā)明提供的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架可以含有無機成分鈣磷鹽、二氧化硅、二氧化鈦、碳纖維等，可以明顯改善支架的生物相容性和力學性能等，是較理想的組織修復(fù)再生材料，特別是硬組織修復(fù)再生材料和創(chuàng)傷凝血材料。(5)本發(fā)明提供的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架具有良好的生物降解性，在其有機成分中加入細胞生長因子等添加劑，具有優(yōu)異的細胞親和性與生物相容性。(6)本發(fā)明提供的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架制備方法中多采用醇、水等無毒無害溶劑，符合環(huán)境保護要求，適合于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。


圖1復(fù)合多孔纖維支架的照片。圖2復(fù)合多孔纖維支架的掃描電鏡照片，放大倍數(shù)X50。圖3復(fù)合多孔纖維支架的掃描電鏡照片，放大倍數(shù)X1000。圖4復(fù)合多孔纖維支架的掃描電鏡照片，放大倍數(shù)X10000。
具體實施例方式本發(fā)明的一種天然高分子復(fù)合多孔纖維支架具有兩種孔徑分布范圍的孔洞，球形孔洞的尺寸為100微米-500微米，纖維結(jié)構(gòu)孔洞的尺寸為500納米-20微米。該支架為塊狀結(jié)構(gòu)，厚度為2毫米-100毫米。天然高分子復(fù)合多孔纖維支架的制備方法依次包括下列步驟1)將質(zhì)量濃度0. 1% 的聚乙烯醇水溶液倒入熔化的石蠟中，高速攪拌后經(jīng)標準篩分級得不同直徑分布范圍的石蠟微球。2)將步驟1)制備的石蠟微球裝入模具，預(yù)熱1-6小時。將質(zhì)量濃度0. 1% -30% 的天然高分子溶液倒入模具中浸沒石蠟微球，隨后置于超低溫冰箱中冷凍24小時。3)取出凍結(jié)成塊的石蠟微球和天然高分子混合物，可首先進行交聯(lián)或不交聯(lián)，然后浸泡于溶劑中，溶劑是甲醇、乙醇、異丙醇、水、二氧六環(huán)中的一種或多種，浸泡時間為24 小時以上，且每隔8小時更換一次溶劑。4)將所得材料真空干燥后浸泡在正己烷中以洗去材料中的石蠟微球，浸泡時間為 24小時以上。將材料真空干燥后即可制得復(fù)合多孔纖維支架材料。天然高分子復(fù)合多孔纖維支架的有機成分為明膠、絲素蛋白、玉米蛋白、藻酸鹽、 殼聚糖、透明質(zhì)酸、葡聚糖中的一種或多種物質(zhì)的混合物。支架的無機成分為鈣磷鹽、二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋅、氧化鉀、氧化鎂、氧化鈣、碳纖維中的一種或多種物質(zhì)的混合物。有機成分的添加劑是纖維蛋白、細胞生長因子、骨生長因子、維生素、多肽、酶中的一種或多種物質(zhì)的混合物，添加劑的含量為有機成分質(zhì)量的0.01% -10%。該支架可用于細胞生長支架及組織修復(fù)再生材料。實施例1稱取熔點為55°C的塊狀石蠟10g，量取濃度0. 5%的聚乙烯醇溶液100 200ml， 將上述兩種物品置入溫度設(shè)置為80°C的烘箱中，保持一段時間，直至石蠟完全溶化，聚乙烯醇溶液溫度穩(wěn)定后，將聚乙烯醇溶液倒入盛有液體石蠟的燒杯中，高速攪拌，使石蠟分散成無數(shù)的石蠟小液滴。然后迅速倒入適量的冰水中，使石蠟小液滴速凝形成石蠟微球顆粒。用蒸餾水沖洗石蠟顆粒4 5遍，除去其中雜質(zhì)。把所得石蠟顆粒經(jīng)過國家標準篩分級，然后在真空干燥箱中干燥后密封保存?zhèn)溆谩７Q取一定量的明膠溶于50% (ν/ν)的乙醇/水溶液中，配制質(zhì)量濃度為10% (w/ v,g/ml)的明膠溶液。用恒溫磁力攪拌器不斷攪拌，直至溶液呈均勻透明液體。將制備的直徑大小為150-300 μ m的石蠟微球裝入模具中，在40°C的恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)熱2_4小時，使石蠟微球粘連成一整塊。將配制好的明膠溶液倒入預(yù)熱后的模具中，使其浸沒石蠟微球。然后把裝有石蠟微球和明膠溶液混合物的模具置于超低溫冰箱中，在-80°C的溫度下冷凍24 小時。取出凍結(jié)成塊的石蠟微球和明膠溶液混合物，浸泡于冰乙醇(_18°C)中12小時，而后在常溫下浸泡于1，4_ 二氧六環(huán)中24小時，且每隔8小時更換1，4_ 二氧六環(huán)一次。將所得材料真空干燥后浸泡在正己烷中，浸泡時間為24小時以上，且每8小時更換一次正己烷。 最后，將材料真空干燥后即可得呈海綿狀的明膠多孔纖維支架材料(附圖1)，用掃描電鏡觀察支架，發(fā)現(xiàn)其具有球形孔洞與納米纖維結(jié)構(gòu)(附圖2-圖4)。實施例2按實施例1所述方法制備石蠟微球。稱取一定量的明膠溶于20% (ν/ν)的乙醇/水溶液中，配制質(zhì)量濃度為5%， 10%,15%, 20%, 25% (w/v, g/ml)的明膠溶液。將制備的直徑大小為300-500 μ m的石蠟微球裝入模具中，在40°C的恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)熱6小時。將配制好的明膠溶液倒入預(yù)熱后的模具中，使其浸沒石蠟微球。然后把裝有石蠟微球和明膠溶液混合物的模具置于超低溫冰箱中，在-80°C的溫度下冷凍24小時。取出凍結(jié)成塊的石蠟微球和明膠溶液混合物，浸泡于冰乙醇(_18°C)中12小時，而后在常溫下浸泡于1，4-二氧六環(huán)中24小時，且每隔8小時更換1，4_ 二氧六環(huán)一次。將所得材料真空干燥后浸泡在正己烷中，浸泡時間為48小時，且每8小時更換一次正己烷。測得明膠多孔纖維支架材料的孔隙率(表1)。表1不同明膠溶液濃度制得的多孔纖維支架材料的孔隙率
明膠濃度(％)510152025孔隙率(％)87.896.497.994.893.5實施例3按實施例1所述方法制備石蠟微球。稱取一定量的玉米蛋白溶于65% (ν/ν)的乙醇/水溶液中，配制質(zhì)量濃度為20% (w/v, g/ml)的玉米蛋白溶液10mL，加入0. 5g羥基磷灰石，超聲分散均勻。將制備的直徑大小為300-500 μ m的石蠟微球裝入模具中，在40°C的恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)熱2_4小時。將配制好的玉米蛋白-羥基磷灰石溶液倒入預(yù)熱后的模具中，使其浸沒石蠟微球。然后把裝有石蠟微球和玉米蛋白羥基磷灰石混合物的模具置于超低溫冰箱中，在-80°C的溫度下冷凍48小時。取出凍結(jié)成塊的石蠟微球和玉米蛋白-羥基磷灰石混合物，浸泡于冰水(_18°C )中36 小時，且每隔8小時更換一次冰水。將所得材料真空干燥后浸泡在正己烷中，浸泡時間為24 小時以上，且每8小時更換一次正己烷。經(jīng)真空干燥后即可得具有球形孔洞與納米纖維結(jié)構(gòu)的玉米蛋白-羥基磷灰石多孔纖維支架材料。實施例4按實施例1所述方法制備石蠟微球。
配制質(zhì)量濃度為10% (w/v, g/ml)的透明質(zhì)酸(平均分子量為10萬)水溶液。將制備的直徑大小為300-500 μ m的石蠟微球裝入模具中，在40°C的恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)熱6小時。將配制好的透明質(zhì)酸水溶液倒入預(yù)熱后的模具中，使其浸沒石蠟微球。然后把裝有石蠟微球和透明質(zhì)酸水溶液的模具置于超低溫冰箱中，在-80°C的溫度下冷凍24小時。取出凍結(jié)成塊的石蠟微球和透明質(zhì)酸混合物，浸泡于冰乙醇(_18°C )中48小時，且每隔8小時更換一次冰乙醇。而后在常溫下浸泡于1，4_ 二氧六環(huán)中24小時，且每隔8小時更換1，4_ 二氧六環(huán)。將所得材料真空干燥后浸泡在正己烷中，浸泡時間為48小時以上，且每8小時更換一次正己烷。經(jīng)真空干燥后即可得具有球形孔洞與納米纖維結(jié)構(gòu)的透明質(zhì)酸多孔纖維支架材料。實施例5按實施例1所述方法制備石蠟微球。取桑蠶繭用0. 1 % Na2CO3溶液以1 50的浴比(80g桑蠶繭、4gNa2C03、4000mL去離子水)在100°C下煮沸30分鐘，重復(fù)三次，在通風處晾干得脫除絲膠的絲素蛋白。以10% CaCl2的乙醇/水(v/v，8/2)溶液為溶劑溶解絲素蛋白，所得絲素-氯化鈣溶液以去離子水透析48小時，每6小時更換一次去離子水。經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)制得質(zhì)量濃度約8%的絲素蛋白水溶液，加入1.5mL 0.05mg/mL骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP-2)的磷酸鹽緩沖液(PBS)，攪拌均勻。將制備的直徑大小為150-300 μ m的石蠟微球裝入模具中，在40°C的恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)熱4小時。將絲素蛋白-骨形態(tài)發(fā)生蛋白水溶液倒入預(yù)熱后的模具中，使其浸沒石蠟微球。然后把裝有石蠟微球和絲素蛋白-骨形態(tài)發(fā)生蛋白混合物的模具置于超低溫冰箱中，在-80°C的溫度下冷凍24小時。取出凍結(jié)成塊的石蠟微球和絲素蛋白-骨形態(tài)發(fā)生蛋白混合物，浸泡于冰乙醇(_18°C )中48小時，且每隔8小時更換一次冰乙醇。而后在常溫下浸泡于1，4_ 二氧六環(huán)中24小時，且每隔8小時更換1，4_ 二氧六環(huán)。將所得材料真空干燥后浸泡在正己烷中，浸泡時間為48小時以上，且每8小時更換一次正己烷。經(jīng)真空干燥后即可得具有球形孔洞與納米纖維結(jié)構(gòu)的絲素蛋白_骨形態(tài)發(fā)生蛋白多孔纖維支架材料。實施例6按實施例1所述方法制備直徑大小為150-300 μ m的石蠟微球，在預(yù)熱時間均為2h 的條件下，以10% (w/v, g/ml)的明膠溶液濃度制得的多孔纖維支架材料，在此條件下制備出的多孔材料具有較高的連通性和孔隙率，并且此材料有較為適合的柔軟性和彈性。采用可吸收明膠海綿作為對照材料，分別對兔耳靜脈、兔耳動脈、兔肝臟部位的出血模型進行止血實驗，以平均止血時間作為評價項目，可得如表2所示的實驗結(jié)果。兩組材料在不同部位的止血時間相比較，其ρ值均小于0. 05，視為實驗結(jié)果有顯著差異。使用明膠多孔纖維支架材料進行止血時，可比明膠海綿的止血時間縮短近一倍，具有更為良好的止血效果。表2兩種止血材料在兔耳靜脈、動脈、肝臟的止血時間
權(quán)利要求
1.一種天然高分子復(fù)合多孔纖維支架，其特征在于該支架具有兩種孔徑分布范圍的孔洞，球形孔洞的尺寸為100微米-500微米，纖維結(jié)構(gòu)孔洞的尺寸為500納米-20微米；復(fù)合成該支架的天然高分子包括明膠、絲素蛋白、玉米蛋白、藻酸鹽、殼聚糖、透明質(zhì)酸、葡聚糖中的一種或多種物質(zhì)的混合物。
2 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架，其特征在于該支架為塊狀結(jié)構(gòu)，厚度為2毫米-100毫米。
3 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架，其特征在于該復(fù)合多孔纖維支架還包括支架有機成分的添加劑，該添加劑是鈣磷鹽、二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋅、氧化鉀、氧化鎂、氧化鈣或碳纖維中的一種或多種物質(zhì)的混合物，添加劑的含量為有機成分質(zhì)量的0. 01%-10%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架，其特征在于該復(fù)合多孔纖維支架還包括支架有機成分的添加劑，該添加劑是纖維蛋白、細胞生長因子、骨生長因子、維生素、多肽或酶中的一種或多種物質(zhì)的混合物，添加劑的含量為有機成分質(zhì)量的 0.01%-10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架，其特征在于該支架用作組織修復(fù)再生材料或凝血材料。
6.一種如權(quán)利要求1所述的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架的制備方法，其特征在于 所述方法依次包括下列步驟1.)將質(zhì)量濃度0.1%-1%的聚乙烯醇水溶液倒入熔化的石蠟中，高速攪拌后經(jīng)標準篩分級得不同直徑分布范圍的石蠟微球；2.)將步驟1)制備的石蠟微球裝入模具，預(yù)熱1-6小時，將質(zhì)量濃度0.1%-30%的天然高分子溶液倒入模具中浸沒石蠟微球，隨后置于超低溫冰箱中冷凍24小時；3.)取出凍結(jié)成塊的石蠟微球和天然高分子混合物，浸泡于溶劑中，浸泡時間為24小時以上，且每隔8小時更換一次溶劑；4.)將所得材料真空干燥后浸泡在正己烷中以洗去材料中的石蠟微球，浸泡時間為24 小時以上，將材料真空干燥后即可制得復(fù)合多孔纖維支架材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天然高分子復(fù)合多孔纖維支架的制備方法，其特征在于步驟3)中的溶劑是甲醇、乙醇、異丙醇、水或二氧六環(huán)中的一種或多種。
全文摘要
天然高分子復(fù)合多孔纖維支架是一種具有球形孔洞與納米纖維結(jié)構(gòu)的天然高分子支架材料，其中球形孔尺寸為100微米-500微米，纖維結(jié)構(gòu)孔尺寸為500納米-20微米，天然高分子是明膠、絲素蛋白、玉米蛋白、藻酸鹽、殼聚糖、透明質(zhì)酸、葡聚糖中的一種或多種物質(zhì)的混合物。該支架為塊狀結(jié)構(gòu)，具有很高孔隙率、良好力學性能和孔隙連通結(jié)構(gòu)，是一種可用于細胞生長及組織修復(fù)再生的生物醫(yī)用材料。天然高分子復(fù)合多孔纖維支架的制備方法為制備并篩選分級得不同直徑分布范圍的石蠟微球，裝入模具預(yù)熱，將天然高分子溶液倒入模具中浸沒石蠟微球并進行冷凍，然后于不同溶劑中發(fā)生相分離并洗去致孔劑，將材料真空干燥后即可制得多孔纖維支架材料。
文檔編號A61L27/54GK102178980SQ20111011537
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者劉雪峰, 姚琛, 李新松, 李月玲 申請人:東南大學