孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架的制备方法

摘要

一种孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架的制备方法，其步骤是：A浆料的制备：将甲壳素的二甲基乙酰胺溶液与无机粉末混合，制成无机粉末/甲壳素浆料；B将支架模具底部的孔洞用滤纸封住，再将糖球颗粒堆积于支架模具中，然后进行热处理，随后冷却至常温；即得糖球堆积模板；C去掉滤纸，对糖球堆积模板进行湿化处理；D将A步的浆料注入C步的支架模具中，待浆料凝胶化后，在支架模具中得到凝胶状的模板支架，用去离子水中洗涤模板支架中的糖球和氯化锂；常温干燥，即得初胚；E将D步制得的初胚进行高温烧结处理，即得多孔支架。该方法制备的多孔支架宏孔孔壁表面具有微渠结构，有利于细胞的选择性粘附、干细胞分化以及组织的形成。

说明书

技术领域

本发明涉及一种孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架的制备方法，属于医疗器 械领域。

背景技术

由于多孔贯通的无机材料独特的三维多孔结构使之具有质量轻、密度小、比表面积大等 特点，而且其贯通的孔隙结构赋予其良好的渗透性，因此多孔贯通无机材料被广泛应用于骨 缺损修复中的骨组织工程支架。随着生物医学科学的发展，多孔贯通材料作为骨组织工程支 架的应用研究越来越多，其支架可调的宏孔结构及贯通的孔隙结构不仅有利于载入细胞、生 长因子、药物等元素，同时为新生组织的长入、增强组织与植入体之间的结合提供了良好的 条件，因而在具有良好的应用前景。

骨组织工程多孔支架的制备主要有如下几种方法：发泡法、有机泡沫浸渍法、造孔剂法 等。其中，造孔剂法操作简便、并可通过选用不同形状及大小的造孔剂来获得不同孔隙形状 和大小的材料制品，因此在制备组织工程多孔支架等领域应用较多。造孔剂法的原理是：先 将造孔剂与浆料混合形成支架模型，再使用溶出或烧结的方式去除造孔剂，即可获得骨组织 工程多孔支架。常用的造孔剂主要有盐颗粒、淀粉颗粒、碳酸氢铵、蜡球及聚甲基丙烯酸甲 酯(PMMA)颗粒等。其中盐颗粒和淀粉颗粒的颗粒大小不一，形状不规则，颗粒间的接触很 难形成面面接触的侨联结构；导致其作为造孔剂所制备的多孔支架的宏孔孔径大小不一，孔 隙分布不均，孔与孔之间贯通性差。碳酸氢铵颗粒较小，其作为造孔剂通常直接与浆料共混， 然后通过加热使其分解为气体创造孔隙；这种方法制备多孔支架易产生闭孔现象(即存在一 些宏孔与周围宏孔无连接)，导致孔隙间无贯通性，不利于组织的长入。蜡球及甲基丙烯酸甲 酯(PMMA)颗粒的大小可控，形状规则、均一，可制备宏孔孔径可调的多孔支架；但是为了 改善制备的多孔支架的宏孔之间的贯通性，需加入有机溶剂，促使颗粒微溶形成面面接触的 侨联结构；加入的有机溶剂会对支架的形成造成不利影响。

而且，通过以上造孔剂得到的骨组织工程多孔支架的宏孔孔壁为光滑表面，不利于细胞 的选择性粘附、干细胞分化以及组织的形成。所以，目前主要通过矿化、腐蚀及水热反应 等方式对无机材料支架的光滑表面进行处理，以构建微纳结构；但这几种方法都是在支架 制备以后，再对支架进行各种处理，步骤繁琐且极易改变支架的表面化学成分。

发明内容

本发明的目的是提供一种孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架的制备方法。该 方法制备的骨组织工程多孔支架的宏孔孔壁具有微渠结构，有利于细胞的选择性粘附、干细 胞分化以及组织的形成；且该方法成本低，操作简单，制备的多孔支架的宏孔孔隙大小、形 状及宏孔贯通性可控。

本发明实现其发明目的采取的技术方案是：一种孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多 孔支架的制备方法，其步骤是：

A、浆料的制备：将1份重量的甲壳素加入含5％-8％氯化锂的二甲基乙酰胺溶剂中持续 搅拌至溶解，再加入20-50份重量的无机粉末配制成无机粉末/甲壳素浆料；

B、糖球堆积模板的制备：将支架模具底部的孔洞用滤纸封住，再将粒径为400-1500μm 的糖球颗粒堆积于支架模具中，然后进行温度为50-70℃、时间为10-30min的热处理，随后 冷却至常温；即得到附着于支架模具内表面的糖球堆积模板；

C、糖球堆积模板的湿化：去掉支架模具底部的滤纸，对支架模具中的糖球堆积模板进行 湿化处理；

D、支架初胚的制备：将A步的无机粉末/甲壳素浆料注入C步的支架模具中，待浆料凝 胶化后，在支架模具中得到凝胶状的模板支架，再用50-80℃的去离子水中浸泡洗涤模板支架 中的糖球和氯化锂；去离子水无色后常温干燥，即得初胚；

E、多孔支架的制备：将D步制得的初胚在1000-1200℃下烧结2-3h，即制得孔壁表面具 有微渠结构的骨组织工程多孔支架。

本发明的原理是：

B步将糖球堆积于支架模具中后，通过热处理，使糖球表面微溶，形成面面接触的桥联 结构，从而调节制备的多孔支架的贯通性。

C步对糖球堆积模板进行湿化处理后，糖球堆积模板表面上均匀吸附一定厚度的水相层。

D步将浆料注入到支架模板内，浆料中的甲壳素与糖球表面的水和空气中的水分反应， 形成凝胶，从而使无机粉末成型；再通过去离子水去除糖球，即制得支架初胚。

上述浆料中的甲壳素与糖球表面的水反应在糖球表面形成沟槽结构，其机理是：浆料与 糖球表面的水接触瞬间发生凝胶反应；未凝胶的浆料将越过糖球堆积模板表面上已发生凝胶 反应的突出部位继续向前流动。但是，继续流动的浆料无法与紧挨已发生凝胶反应的突出部 分前方的部分区域接触，从而无法在突出部分前方的部分区域发生凝胶反应，从而形成缝隙。 继续流动的浆料而在距已形成凝胶的突出部分一定距离处，再次与糖球表面的水接触，再次 瞬间发生凝胶反应；未形成凝胶的浆料继续流动，依次在糖球表面形成缝隙、凝胶交替的沟 槽结构，从而在支架初胚的宏孔孔壁上形成微渠结构。

最后E步通过高温烧结将支架初胚中的甲壳素和其他杂质残留去除干净，即得孔壁表面 具备微渠结构的骨组织工程多孔支架。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、通过先在糖球堆积模板表面上均匀吸附一定厚度的水相层，再注入浆料，最后烧结 可得到孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架；孔壁表面的微渠结构具有促进细胞的 选择性粘附，诱导干细胞分化以及组织形成，提高组织生长速度等作用；另外，微渠结构还 可增加多孔支架的比表面积，有利于药物以及生长因子的携载。

二、通过控制糖球堆积模板表面的水层厚度和浆料的注入的速度，即可调节多孔支架宏 孔孔壁表面所形成微渠的宽度及深度。

三、通过调节糖球堆积模板的热处理时间，即可调节糖球颗粒之间所形成的桥连结构， 从而获得不同程度贯通性的支架，调节方法简单，无需加入有机试剂。

四、除去造孔剂(糖球)时只需用去离子水清洗，不会带入其他有机溶剂，在减少污染 带入的同时还降低了成本。

本发明所述的B步中用的糖球颗粒的制备方法是：将蔗糖，果糖或白砂糖在90-110℃的 条件下熔融后，倒入盛有140-180℃的矿物油或植物油的反应釜中进行搅拌；20-40min后， 将冰浴处理的矿物油或植物油倒入所述反应釜中，停止搅拌，收集糖球；然后将糖球在分样 筛中过筛，选取所需尺寸的糖球，经正己烷清洗，即得。

进一步，本发明所述无机粉末包括羟基磷灰石粉末、磷酸三钙粉末、氧化铝粉末、纯钛 粉末和钛合金粉末

这些材料都是骨组织工程多孔支架的常用材料，化学性质稳定，生物相容性好，熔点高， 均可通过本发明所述的方法制备孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架。

进一步，本发明所述C步的湿化处理的具体操作是：将支架模具及其糖球堆积模板在湿 度为50％-90％的环境中静置6-24h。

又进一步，本发明所述C步的湿化处理的具体操作是：向支架模具中注入去离子水，使 其淹没糖球堆积模板，然后进行时间为10-60s、转速为800-1200r/min的离心处理。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

附图说明

图1为本发明实施例一制备的骨组织工程多孔支架。

图2为本发明实施例二制备的骨组织工程多孔支架

具体实施方式

实施例一

一种孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架的制备方法，其步骤是：

A、浆料的制备：将1份重量的甲壳素加入含6％氯化锂的二甲基乙酰胺溶剂中持续搅拌 至溶解，再加入30份重量的无机粉末配制成无机粉末/甲壳素浆料；

B、糖球堆积模板的制备：将支架模具底部的孔洞用滤纸封住，再将粒径为1500μm的糖 球颗粒堆积于支架模具中，然后进行温度为60℃、时间为20min的热处理，随后冷却至常温； 即得到附着于支架模具内表面的糖球堆积模板；

C、糖球堆积模板的湿化：去掉支架模具底部的滤纸，对支架模具中的糖球堆积模板进行 湿化处理，具体操作是：将支架模具及其糖球堆积模板在湿度为70％的环境中静置24h；

D、支架初胚的的制备：将A步的无机粉末/甲壳素浆料注入C步的支架模具中，待浆料 自然凝胶化后，在支架模具中得到凝胶状的模板支架，再用60℃的去离子水中浸泡洗涤模板 支架中的糖球和氯化锂；去离子水无色后常温干燥，即得初胚；

E、多孔支架的制备：将D步制得的初胚在1200℃下烧结2h，即制得孔壁表面具有微渠 结构的骨组织工程多孔支架，如图1所示。

本例中所述无机粉末为羟基磷灰石粉末。

实施例二

一种孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架的制备方法，其步骤是：

A、浆料的制备：将1份重量的甲壳素加入含7％氯化锂的二甲基乙酰胺溶剂中持续搅拌 至溶解，再加入40份重量的无机粉末配制成无机粉末/甲壳素浆料；

B、糖球堆积模板的制备：将支架模具底部的孔洞用滤纸封住，再将粒径为1000μm的糖 球颗粒堆积于支架模具中，然后进行温度为55℃、时间为25min的热处理，随后冷却至常温； 即得到附着于支架模具内表面的糖球堆积模板；

C、糖球堆积模板的湿化：去掉支架模具底部的滤纸，对支架模具中的糖球堆积模板进行 湿化处理，具体操作是：向支架模具中注入去离子水，使其淹没糖球堆积模板，然后进行时 间为10s、转速为1200r/min的离心处理；

D、支架初胚的的制备：将A步的无机粉末/甲壳素浆料注入C步的支架模具中，待浆料 自然凝胶化后，在支架模具中得到凝胶状的模板支架，再用60℃的去离子水中浸泡洗涤模板 支架中的糖球和氯化锂；去离子水无色后常温干燥，即得初胚；

E、多孔支架的制备：将D步制得的初胚在1100℃下烧结2.5h，即制得孔壁表面具有微 渠结构的骨组织工程多孔支架，如图2所示。

本例中所述无机粉末为羟基磷灰石粉末。

实施例三

一种孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架的制备方法，其步骤是：

A、浆料的制备：将1份重量的甲壳素加入含8％氯化锂的二甲基乙酰胺溶剂中持续搅拌 至溶解，再加入50份重量的无机粉末配制成无机粉末/甲壳素浆料；

B、糖球堆积模板的制备：将支架模具底部的孔洞用滤纸封住，再将粒径为1200μm的糖 球颗粒堆积于支架模具中，然后进行温度为70℃、时间为10min的热处理，随后冷却至常温； 即得到附着于支架模具内表面的糖球堆积模板；

C、糖球堆积模板的湿化：去掉支架模具底部的滤纸，对支架模具中的糖球堆积模板进行 湿化处理，具体操作是：将支架模具及其糖球堆积模板在湿度为90％的环境中静置16h；

D、支架初胚的的制备：将A步的无机粉末/甲壳素浆料注入C步的支架模具中，待浆料 自然凝胶化后，在支架模具中得到凝胶状的模板支架，再用80℃的去离子水中浸泡洗涤模板 支架中的糖球和氯化锂；去离子水无色后常温干燥，即得初胚；

E、多孔支架的制备：将D步制得的初胚在1000℃下烧结3h，即制得孔壁表面具有微渠 结构的骨组织工程多孔支架。

本例中所述无机粉末为磷酸三钙粉末。

实施例四

一种孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架的制备方法，其步骤是：

A、浆料的制备：将1份重量的甲壳素加入含5％氯化锂的二甲基乙酰胺溶剂中持续搅拌 至溶解，再加入20份重量的无机粉末配制成无机粉末/甲壳素浆料；

B、糖球堆积模板的制备：将支架模具底部的孔洞用滤纸封住，再将粒径为400μm的糖 球颗粒堆积于支架模具中，然后进行温度为50℃、时间为30min的热处理，随后冷却至常温； 即得到附着于支架模具内表面的糖球堆积模板；

C、糖球堆积模板的湿化：去掉支架模具底部的滤纸，对支架模具中的糖球堆积模板进行 湿化处理，具体操作是：将支架模具及其糖球堆积模板在湿度为50％的环境中静置20h；

D、支架初胚的的制备：将A步的无机粉末/甲壳素浆料注入C步的支架模具中，待浆料 自然凝胶化后，在支架模具中得到凝胶状的模板支架，再用50℃的去离子水中浸泡洗涤模板 支架中的糖球和氯化锂；去离子水无色后常温干燥，即得初胚；

E、多孔支架的制备：将D步制得的初胚在1100℃下烧结2.5h，即制得孔壁表面具有微 渠结构的骨组织工程多孔支架。

本例中所述无机粉末为纯钛粉末。

实施例五

一种孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架的制备方法，其步骤是：

A、浆料的制备：将1份重量的甲壳素加入含6％氯化锂的二甲基乙酰胺溶剂中持续搅拌 至溶解，再加入30份重量的无机粉末配制成无机粉末/甲壳素浆料；

B、糖球堆积模板的制备：将支架模具底部的孔洞用滤纸封住，再将粒径1500μm的糖球 颗粒堆积于支架模具中，然后进行温度为60℃、时间为20min的热处理，随后冷却至常温； 即得到附着于支架模具内表面的糖球堆积模板；

C、糖球堆积模板的湿化：去掉支架模具底部的滤纸，对支架模具中的糖球堆积模板进行 湿化处理，具体操作是：将支架模具及其糖球堆积模板在湿度为70％的环境中静置6h；

D、支架初胚的的制备：将A步的无机粉末/甲壳素浆料注入C步的支架模具中，待浆料 自然凝胶化后，在支架模具中得到凝胶状的模板支架，再用60℃的去离子水中浸泡洗涤模板 支架中的糖球和氯化锂；去离子水无色后常温干燥，即得初胚；

E、多孔支架的制备：将D步制得的初胚在1200℃下烧结2h，即制得孔壁表面具有微渠 结构的骨组织工程多孔支架。

本例中所述无机粉末为钛合金粉末。

实施例六

一种孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架的制备方法，其步骤是：

A、浆料的制备：将1份重量的甲壳素加入含7％氯化锂的二甲基乙酰胺溶剂中持续搅拌 至溶解，再加入40份重量的无机粉末配制成无机粉末/甲壳素浆料；

B、糖球堆积模板的制备：将支架模具底部的孔洞用滤纸封住，再将粒径为500μm的糖 球颗粒堆积于支架模具中，然后进行温度为55℃、时间为25min的热处理，随后冷却至常温； 即得到附着于支架模具内表面的糖球堆积模板；

C、糖球堆积模板的湿化：去掉支架模具底部的滤纸，对支架模具中的糖球堆积模板进行 湿化处理，具体操作是：向支架模具中注入去离子水，使其淹没糖球堆积模板，然后进行时 间为30s、转速为1000r/min的离心处理；

D、支架初胚的的制备：将A步的无机粉末/甲壳素浆料注入C步的支架模具中，待浆料 自然凝胶化后，在支架模具中得到凝胶状的模板支架，再用60℃的去离子水中浸泡洗涤模板 支架中的糖球和氯化锂；去离子水无色后常温干燥，即得初胚；

E、多孔支架的制备：将D步制得的初胚在1100℃下烧结2.5h，即制得孔壁表面具有微 渠结构的骨组织工程多孔支架。

本例中所述无机粉末为氧化铝粉末。

实施例七

一种孔壁表面具备微渠结构的骨组织工程多孔支架的制备方法，其步骤是：

A、浆料的制备：将1份重量的甲壳素加入含7％氯化锂的二甲基乙酰胺溶剂中持续搅拌 至溶解，再加入40份重量的无机粉末配制成无机粉末/甲壳素浆料；

B、糖球堆积模板的制备：将支架模具底部的孔洞用滤纸封住，再将粒径为500μm的糖 球颗粒堆积于支架模具中，然后进行温度为55℃、时间为25min的热处理，随后冷却至常温； 即得到附着于支架模具内表面的糖球堆积模板；

C、糖球堆积模板的湿化：去掉支架模具底部的滤纸，对支架模具中的糖球堆积模板进行 湿化处理，具体操作是：向支架模具中注入去离子水，使其淹没糖球堆积模板，然后进行时 间为60s、转速为800r/min的离心处理；

D、支架初胚的的制备：将A步的无机粉末/甲壳素浆料注入C步的支架模具中，待浆料 自然凝胶化后，在支架模具中得到凝胶状的模板支架，再用60℃的去离子水中浸泡洗涤模板 支架中的糖球和氯化锂；去离子水无色后常温干燥，即得初胚；

E、多孔支架的制备：将D步制得的初胚在1100℃下烧结2.5h，即制得孔壁表面具有微 渠结构的骨组织工程多孔支架。

本例中所述无机粉末为不锈钢粉末。