專利名稱：一種具有介孔生物玻璃涂層的三維多孔支架及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有介孔生物玻璃涂層的三維多孔支架及其制備方法，屬于組織工程用支架材料與介孔材料領域。
背景技術：
在當前醫(yī)藥領域，組織再生技術作為新一代的醫(yī)療技術，引起了各學科科學家們的廣泛興趣和研究。組織再生治療技術主要依托于由生物可降解材料制備的多孔支架， 將細胞種植到支架上以后進行體外培養(yǎng)擴增，最終生成的組織或器官植入到體內病損部位，以達到無損傷修復創(chuàng)傷和重建功能的目的(M.J. Mondrnos，Biomaterials, 2006 (27) 4399-4408)。三維多孔支架在組織重建的過程中，為細胞提供生長繁衍的空間，提供獲取營養(yǎng)、 氣體交換、排出廢物的環(huán)境，因此支架材料除了必須具有可降解性，生物相容性，還同時要有合適的空隙和三維結構，要有促進細胞粘附生長的表面性質。目前人工合成支架材料的研究集中于聚合物和生物陶瓷兩類。其中聚合物柔韌性好，可塑性較強，但一般純的人工合成可降解聚合物難以在體內與骨組織直接鍵和； 且親水性較差，不利于細胞粘附；降解較慢，且降解產物為酸性物質；力學輕度也較弱 (V. V. Seregin, Biomaterials, 2006 (27) :4745-4754)。為克服以上缺點，主要采取將聚合物與生物陶瓷材料復合的方法(Y. F. Zhou, JBiomed Mater Res, 2006 (77A) :183-193)。介孔生物玻璃由于比表面積大，其生物活性較傳統(tǒng)的生物陶瓷有很大的提高。因而介孔材料的復合很有研究價值。介孔材料用于藥物傳輸已經(jīng)有較為深入的研究報道?？煽氐目椎澜Y構和比表面積可以實現(xiàn)對藥物的緩釋效果。而支架在植入體內的過程中常常會引發(fā)感染及炎癥，因此引入介孔材料到支架上，可以達到雙重的治療作用組織再建和抗炎殺菌，使組織修復的治療方法更全面更安全(M. Vallet-Regi, Chem. Eur. J. 2006, (12) :5934-5943)

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種新型的具有介孔生物玻璃涂層的聚合物支架及其制備方法。通過介孔生物玻璃涂層引入到三維聚合物支架的大孔表面，有效增加支架的親水性能，改善支架的細胞親和性及力學性能，并且同時具備有效擔載與傳輸抗炎類藥物的功能， 實現(xiàn)支架與藥物載體的雙效作用。制備本發(fā)明的具有介孔生物玻璃涂層的聚合物支架的方法包括以下步驟(1)三維多孔聚合物支架基體的制備(a)將聚合物溶解于相應的有機溶劑，制成質量分數(shù)為1-10%的聚合物溶液。所述的有機溶劑可以是二氯甲烷、氯仿、四氫呋喃、二甲亞砜、1，4_ 二氧六環(huán)。所述的聚合物具有生物可降解性，可以是聚乳酸(PLLA)、乙醇酸和丙醇酸的共聚物(PLGA)、聚己內酯(PCL) 和聚丙醇酸(PGA)，其中優(yōu)選PLLA ；
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(b)將(a)中所述的聚合物溶液傾倒到聚四氟乙烯模具中，在-20°c -196°c環(huán)境中冷凍成型；(C)將聚四氟乙烯模具浸沒到-20°c -196°C的質量分數(shù)為30% 80%的乙醇水溶液中，萃??；(d)取出聚四氟乙烯模具，在通風櫥中室溫下干燥M小時，再于室溫下真空干燥 8 M小時，即制得具有三維多孔網(wǎng)絡結構的聚合物支架基體。(2)生物活性介孔玻璃涂層的制備(e)將0. 5 2mmol嵌段共聚物非離子表面活性劑完全溶解到鹽酸中，然后加入無水乙醇。采用的嵌段共聚物非離子表面活性劑可以是P123、P105、P104、P103、P85、P84、 P75、P65、P38、F127、F108、F98、F88、F87、F77、F68、F38、L122、L121、L101、L92、L81、L72、 L65、L64、L63、L62、L61、L44、L43、L42、L35、L31 和 FC-4，其中優(yōu)選 P123 和 F127 ；(f)向(e)所述體系中依次加入無機硅(TEOS、TMOS, Na2SiO3等)鈣源 (Ca(NO3)2 · 4H20、CaCl2、泛酸鈣等)和磷源(TEP、DEP等)，在室溫下攪拌1天，即得介孔生物玻璃的前驅體溶膠；(g)將(d)中所述的聚合物支架基體浸沒到(f)中所述的介孔生物玻璃的前驅體溶膠中，靜置3 IOmin后，然后在室溫下通風櫥中干燥6 12h。重復上述過程3 10 次，然后真空干燥24 48小時；(h)將(g)中所述的支架加入到鹽酸的乙醇溶液中，在80°C下回流8 M小時以去除表面活性劑，然后過濾、洗滌并干燥。即得具有介孔生物玻璃涂層的聚合物支架。復合支架的藥物裝載和釋放實驗將0. Ig(h)中所述的具有介孔生物玻璃涂層的聚合物支架浸沒在25mL 30mg/mL的慶大霉素水溶液中浸泡3天。吸取2mL上層清液，用紫外可見分光光度計測試慶大霉素在特征波長056nm)下的吸收值，根據(jù)標準曲線確定支架的慶大霉素載藥量。0. Ig載有藥物的介孔生物玻璃涂層支架加入到IOmL新鮮配制的SBF 模擬體液中(PH = 7. 4)，放在搖床中于37°C和lOOr/min的條件下釋放。選取不同的時間點吸取2mL上層清液進行紫外可見吸收的測試，并向釋放液中補充同體積的2mL新鮮SBF介質。累計釋放量根據(jù)溶液中藥物濃度確定，濃度由以下方程計算=Ctcorr(mol/L) =Ct+(ν/ V) Σ Ct，其中Ctcorr是指某一時間釋放介質中慶大霉素的真實濃度，Ct是指某一時間的測量濃度，ν和V分別是指抽取的釋放介質和總釋放介質的體積。運用揮發(fā)誘導自組裝方法引入介孔生物玻璃涂層的支架，空隙率可以在 10%-90%之間可控，聚合物支架的水接觸角從涂覆介孔生物活性玻璃前的70 80°降低到25 35°，從而大大促進了細胞粘附和增殖。介孔生物活性玻璃可裝載40%質量分數(shù)的藥物分子，并達到緩釋的目的。


圖1是實施實例1的掃描電鏡照片，(a)、(b)為聚乳酸支架基體照片，(c)、(d)為具有介孔生物玻璃涂層的聚乳酸支架照片，顯示了聚合物支架基體在涂覆介孔生物玻璃涂層前后在表面結構和特性上的區(qū)別。圖2(a)、(b)、(c)、(d)分別是實施例1、6、7和8中復合支架的透射電鏡照片，顯示了該復合支架材料的介孔生物玻璃涂層具有有序的介孔結構。
圖3是實施例1中具有介孔生物玻璃涂層的聚乳酸支架煅燒除去聚乳酸后的氮氣吸附-脫附等溫曲線，表明該介孔生物玻璃涂層具有高的比表面積G07m2/g)、大的孔容 (0. 34cm3/g)和孔徑(4. 38nm)以及窄的孔徑分布。圖4是實施例1、2、3的小角X-ray衍射圖，圖中明顯的衍射峰，代表了六方結構的晶面，表明該材料具有二維六方有序孔道結構。圖5是實施例4中復合支架浸漬SBF后表面類骨磷灰石生長情況的SEM照片。表明涂覆介孔生物玻璃涂層的聚乳酸支架具有良好的生物活性。圖6是實施例4中具有介孔生物玻璃涂層的聚乳酸支架浸漬SBF后的X-ray衍射圖譜，表明支架上有類骨磷灰石生長，表明復合支架具有很好的生物活性。圖7是實施例5復合支架的慶大霉素釋放曲線。表明具有介孔生物玻璃涂層的聚乳酸支架可以起到緩釋藥物的作用。
具體實施例方式實施例1 介孔生物活性玻璃M80S涂層聚乳酸支架PM-3的制備將0. 3克聚乳酸(PLLA)溶解到10毫升1，4_ 二氧六環(huán)中，制成3%質量分數(shù)的透明溶液。將此溶液倒入聚四氟乙烯模具中，立即放置到-20°C的冰箱中冷凍M小時。將模具浸沒在-20°C的80%乙醇水溶液中，萃取3天，每8小時換液一次。萃取完畢，脫模，放到通風櫥中，室溫干燥1天后，真空室溫干燥過夜。將4. 0克三嵌段共聚物P123加入到1克0. 5M的鹽酸和60克無水乙醇中，完全溶解后，按照摩爾比Si/Ca/P = 16 3 1依次加入6. 7克TE0S、1.4克Ca(N03)2*4H20禾口 0. 73克TEP，室溫攪拌一天，即得介孔生物活性玻璃M80S的前驅體溶膠。將干燥的PLLA支架完全浸入到M80S的前驅體溶膠中，10分鐘后取出，用鑷子輕輕擠壓，除去多余的溶膠，放到通風櫥中揮發(fā)誘導自組裝12小時。重復上述操作3次。最后真空干燥M小時。按質量百分比濃度1 %，將復合支架加入到1 %的鹽酸的乙醇溶液中，在 80°C回流萃取對小時，每8小時換一次新鮮的的鹽酸的乙醇溶液。最后真空室溫干燥過夜，即得PM-3復合支架。得到的純聚乳酸支架呈現(xiàn)三維大孔結構，孔尺寸分布在80-200微米之間，孔道貫通性較好。在涂覆介孔玻璃涂層以后得到的PM-3復合支架，保持了支架的三維貫通孔道結構，但大孔尺寸明顯減小，在60-150微米之間。在涂覆介孔玻璃涂層以后，支架的大孔表面變得更加粗糙，并發(fā)生輕微地龜裂(如圖1所示)。介孔玻璃涂層具有典型的二維六方有序結構(如圖2和圖3所示)實施例2 介孔生物活性玻璃M80S涂層聚乳酸支架PM_6的制備按照實施例1的步驟和原料配比制備聚乳酸支架，配制好M80S的前驅體溶膠。聚乳酸支架浸漬和揮發(fā)自組裝過程重復6次后萃取干燥。介孔玻璃涂層的有序六方結構保持不變，復合支架中的無機組分質量分數(shù)增加至40%，支架空隙率降低到63. 7 士 1.2% (如表 1)。介孔生物活性玻璃M80S涂層聚乳酸支架PM-6的生物活性檢測新鮮配制的模擬體液SBF具有與人體血漿類似的離子濃度。取SBF —定體積裝入聚乙烯的容器中，支架浸漬到SBF里，37°C，分別保持6小時、1天、3天。從液體取出后，用丙酮輕輕漂洗，室溫干燥。如圖4所示，針狀類骨磷灰石晶粒組成球狀顆粒，鋪滿支架的墻壁表面。隨著浸漬時間的增加，該類骨磷灰石層厚度增加(如圖幻，晶粒長度增長。介孔生物活性玻璃M80S涂層聚乳酸支架PM-6的藥物裝載與釋放慶大霉素的擔載量約占介孔玻璃涂層質量的47. 02%。如圖6所示，在前10小時內突釋，藥物釋放量達到60%，且藥物累計釋放量與時間的平方根成線性關系，表明該過程遵循Fick擴散機理。這個突釋階段的存在可歸因于位于介孔孔道外表面和支架表面的慶大霉素分子的釋放。后面的持續(xù)緩釋過程主要是存在于介孔孔道內部藥物分子的釋放。表1、實施例1、2、3的孔隙率，表明復合支架的孔隙率具有可控性。
scaffoldPLLAPM-3PM-6PM-9Porosity %91. 8±1. 183. 2±1. 463. 7±1. 252. 4±1. 7實施例3 介孔生物活性玻璃M80S涂層聚乳酸支架PM-9的制備按照實施例1的步驟和原料配比制備聚乳酸支架，配制好M80S的前驅體溶膠。聚乳酸支架浸漬和揮發(fā)自組裝過程重復9次后萃取干燥。介孔玻璃涂層的有序六方結構保持不變，復合支架中的無機組分質量分數(shù)增加至50%，支架空隙率降低到52. 4% (如表1)。實施實例4 介孔生物活性玻璃M80S涂層聚(乙醇酸-丙醇酸)共聚物(PLGA)支架的制備將0.3克PLGA溶解到10毫升1，4_ 二氧六環(huán)中，形成3%質量分數(shù)的透明溶液， 將溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，立即放置到-20°C的冰箱中冷凍M小時。將模具浸沒在-20°C的30%的乙醇水溶液中萃取3天，每8小時換液一次。萃取完畢，脫模，放到通風櫥中，室溫干燥1天后。真空室溫干燥過夜。將4. 0克三嵌段共聚物P123加入到1克0. 5M的鹽酸和60克無水乙醇中，完全溶解后，按照摩爾比 Si/Ca/P = 80 15 5 依次添加6. 7 克 TE0S，1. 4 克 Ca (NO3) 2 · 4H20， 0. 73克TEP，室溫攪拌一天，即得介孔生物活性玻璃M80S的前驅體溶膠。將干燥的支架完全浸入M80S的前驅體溶膠中，10分鐘后取出，用鑷子輕輕擠壓， 除去多余的溶膠。放到通風櫥中揮發(fā)誘導自組裝12小時。重復上述過程3次。最后真空干燥M小時。按質量百分比濃度1 %，將復合支架加入到1 %的鹽酸的乙醇溶液中，在80°C 回流萃取M小時，每8小時換一次新鮮的1 %的鹽酸的乙醇溶液。最后真空室溫干燥過夜， 即得PLGA/M80S復合支架。得到的PLGA三維多孔支架具有80-200微米的連通大孔結構，與介孔生物玻璃復合后形貌結構保持不變，孔尺寸略有減小。實施例5 介孔生物活性玻璃M80S涂層聚己內酯(PCL)支架的制備按照實施實例1的步驟，將聚己內酯溶解到四氫呋喃配制3wt%的有機物溶液，在 80wt%的乙醇水溶液中冷凍萃取。得到的PCL三維多孔支架具有80-200微米的連通大孔結構，與介孔生物玻璃復合后形貌結構保持不變，孔尺寸略有減小。實施例6 介孔生物活性玻璃M80S涂層聚丙醇酸(PGA)支架的制備按照實施實例4的步驟，將聚丙醇酸溶解到1，4- 二氧六環(huán)中配制3wt%的有機物溶液，在30wt%的乙醇水溶液中冷凍萃取。得到的PGA三維多孔支架具有80-200微米的連
6通大孔結構，與介孔生物玻璃復合后形貌結構保持不變，孔尺寸略有減小。
權利要求
1.1、一種制備具有介孔生物活性玻璃涂層的三維多孔支架的方法。其特征在于包括以下步驟(1)三維多孔聚合物支架基體的制備(a)將聚合物溶解于相應的有機溶劑，制成質量分數(shù)為3%的聚合物溶液。所述的有機溶劑可以是二氯甲烷、氯仿、四氫呋喃、二甲亞砜、1，4_ 二氧六環(huán)。所述的聚合物具有生物可降解性，可以是聚乳酸(PLLA)、乙醇酸和丙醇酸的共聚物(PLGA)、聚己內酯(PCL)和聚丙醇酸(PGA)，其中優(yōu)選PLLA ；(b)將(a)中所述的聚合物溶液傾倒到聚四氟乙烯模具中，在-20°C _196°C環(huán)境中冷凍成型；(c)將聚四氟乙烯模具浸沒到-20°C -196°C的質量分數(shù)為30% 80 %的乙醇水溶液中，萃取M小時；(d)取出聚四氟乙烯模具，在通風櫥中室溫下干燥M小時，再于室溫下真空干燥8 24小時，即制得具有三維多孔網(wǎng)絡結構的聚合物支架基體。(2)生物活性介孔玻璃涂層的制備(e)將0.5 2mmol嵌段共聚物非離子表面活性劑完全溶解到Ig0. 5M的鹽酸中，然后加入60g無水乙醇。采用的嵌段共聚物非離子表面活性劑可以是P123、P105、P104、P103、 P85、P84、P75、P65、P38、F127、F108、F98、F88、F87、F77、F68、F38、L122、L121、L101、L92、 L81、L72、L65、L64、L63、L62、L61、L44、L43、L42、L35、L31 和 FC-4，其中優(yōu)選 P123 和 F127 ；(f)然后根據(jù)摩爾比Ca Si P = 16 3 1的比例向體系中依次加入正硅酸乙酯 (TEOS) Xa(NO3)2 ？ 4H20和磷酸三乙酯(TEP)，在室溫下攪拌1天，即得介孔生物玻璃的前驅體溶膠；(g)將(d)中所述的聚合物支架基體浸沒到(f)中所述的介孔生物玻璃的前驅體溶膠中，靜置3 15min后，然后在室溫下通風櫥中干燥。重復上述過程3 10次，然后真空干燥；(h)將(g)中所述的支架加入到鹽酸的乙醇溶液(l.Og支架/Ig鹽酸/IOOml無水乙醇)中，在80°C下回流8 M小時以去除表面活性劑，然后過濾、洗滌并干燥。即得具有介孔生物玻璃涂層的聚合物支架。
2.按照權利要求1所述的具有介孔生物玻璃涂層的聚合物支架的制備方法，其特征在于可以通過控制介孔生物玻璃的前驅體溶膠的浸漬次數(shù)實現(xiàn)支架的孔隙率在30% 90%間可控。
3.按照權利要求1所述的具有介孔生物玻璃涂層的聚合物支架的制備方法，其特征在于可以通過改變介孔生物活性玻璃的組成，誘導類骨羥基磷灰石在支架上生長，有利于與原來骨組織的結合。隨著浸漬時間的增長，生長羥基磷灰石的量增加。
4.按照權利要求1所述的具有介孔生物玻璃涂層的聚合物支架，其特征在于介孔生物活性玻璃涂層改善了聚合物支架的親水性能和細胞粘附性能，使聚合物支架的水接觸角從涂覆介孔生物活性玻璃前的70 80°降低到25 35°。
5.按照權利要求1所述的具有介孔生物玻璃涂層的聚合物支架，其特征在于介孔生物活性玻璃涂層，可用于藥物的裝載和緩釋。藥物裝載量可達到介孔生物玻璃涂層質量的 45%，緩釋時間可長達14天到一個月。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有介孔生物玻璃涂層的三維多孔支架及其制備方法。運用冷凍萃取技術制備聚合物多孔支架基體，通過浸漬介孔生物玻璃的前驅體溶膠，經(jīng)過揮發(fā)誘導自組裝，合成了一類新型的具有介孔生物玻璃涂層的組織工程用三維多孔復合支架。本發(fā)明制備工藝簡便易行，成本低，效率高，易于操作，所制得的具有介孔生物玻璃涂層的三維多孔復合支架適宜于藥物的擔載和緩釋，以及殺菌、誘導細胞粘附和增殖，在組織工程領域具有廣闊的應用前景。
文檔編號A61L27/18GK102188749SQ20101012088
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月10日 優(yōu)先權日2010年3月10日
發(fā)明者施劍林, 朱敏 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所