多孔聚乳酸作为组织工程支架材料研究报告与进展

1、浙江大学材料科学与工程系 结课论文 多孔聚乳酸作为组织工程支架材料的研究与进展 学号：21126032 姓名： 万军 2019年4月10日 多孔聚乳酸作为组织工程支架材料的研究与进展 1. 引言 单个的乳酸分子中有一个羟基(-0H)和一个羧基(-COOH)，当多个乳 酸分子在一起时，一个乳酸分子的 -OH 与另一个乳酸分子的 -COOH 脱水缩合， 其-COOH再与别的分子的-0H脱水缩合，就这样形成了聚合物，称为聚乳酸 (PLA)，也称为聚丙交酯。聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物， 原料来源充分而且可以再生。聚乳酸的生产过程无污染，而且产品可以生物降 解，实现在自然界中的循环，因此是

2、理想的绿色高分子材料。 聚乳酸具有优异的生物相容性和生物可降解性，以及良好的抗拉强度及延 展度。聚乳酸薄膜具有良好的透气性、透氧性及透二氧化碳性，它也具有隔离 气味的特性。一般的生物可降解塑料的表面易附着病毒及霉菌，故有安全及卫 生的隐患，而聚乳酸是唯一具有优良抑菌及抗霉特性的生物可降解塑料。 在20世纪80年代中期，美国的 Robert Lan ger和Joseph Vacant提出一个新 的概念，即在一种可生物降解的支架材料上种植人体活细胞，使之在生长因子 的作用下，再生成为组织。 1987年，美国科学基金会( National Science Foundation, NSF)在加利福尼亚

3、Lake Tohoe举行的专家讨论会上提如“组织工 程” 一词。1988年，NSF的一个专门工作小组对组织工程的内涵做出以下界 定：“应用工程科学和生命科学的原理和方法，认识哺乳动物正常和病理组织 与器官的结构 +功能关系，并开发具有生物活性的人工替代物，以恢复、维持或 改善组织、器官的功能”。组织工程学是生命科学和工程学交叉融合形成的新 学科，是生命科学发展史上的又一里程碑，组织工程学的诞生标志着医学将走 出组织移植和器官移植的范畴，步入制造组织和器官的崭新时代 1。 组织工程核心就是将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于生物相容性良好 并可被机体吸收的多孔三维生物材料上形成活性复合体，植入机

4、体组织、器官 的病损部分，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和 功能方面与相应器官、组织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目 的。因此对组织工程材料和支架有如下一些性能要求 2： 无毒及组织相容性； 高孔隙率且内部联通的三维结构，能为细胞生长、养分交换和代谢产 物的流通提供足够的空间； 可控生物降解性和生物吸收性，支架的降解与吸收要和细胞及组织的 生 长速率相匹配； 适合细胞吸附、增殖、分化的表面化学性能； 足够的机械性能，满足在体内环境中的受力需求； 材料要容易加工成型； 易于消毒。 多孔聚乳酸满足上述要求，可以作为良好的组织工程材料，用于构建骨组织 工程构架。 在

5、组织织工程研究中，骨组织工程支架具有以下主要作用 2： 1）支架植入人体内后，可以把细胞传送到人体所需的部位，为工程化的组织 提供了一个赖以存在的空间，可引导组织的再生和成长； 2）大多数哺乳动物的细胞都是固着型的细胞，如果不给它们提供一个附着的 基质，它们就难以存活，支架具有高负载性和高效性，可以作为模板，使细胞 到达并固着于特定部位； 3） 支架还起到机械支撑作用，可抵抗外来的压力，并维持组织原有的形状和 组织的完整性； 4） 支架可以作为宿主免疫系统分子或细胞的物理屏障，从而避免人体的免疫 反应； 5）理想的支架能诱导特定的细胞功能，引导和调节细胞间的相互作用； 6） 支架的结构和形貌能

6、控制再生组织的结构、尺寸和形貌，还能促使再生组 织的形成； 7）支架还可作为活性因子的载体，为细胞的生长、分化和增殖提供养分。 2. 多孔聚乳酸支架材料制备技术的发展历程 自 1987 年美国科学基金会在华盛顿举行的生物工程小组会上提出“组织工 程”一词以来，组织工程方面的研究得到了突飞猛进的发展3。 目前，制备高度多孔支架材料的方法很多，归纳起来主要有溶液浇铸/粒子 沥滤、快速成型、气体发泡、相分离 / 乳化、静电纺丝和热致凝胶化与其他方法 结合等。这些方法各有特点，难度大小也有所不同。国内外研究者在这方面都 作了大量研究。 1988年， Murdoch 和 Loomis 描述了 PLA 溶

7、液自发形成凝胶的过程，并且 通过溶剂萃取及蒸发由凝胶得到了多孔结构。研究结果表明，凝胶的形成需要 在一定条件下持续一段时间，根据具体情况从几分钟到两周不等4 。 1990 年， De Ponti 等5研究了通过气体发泡制备可生物降解聚醇酸（如 PLLA ）支架材料的方法。 1992年，Coombes和Heckmad6通过凝胶浇铸技术制备了 PLLA和PLGA 共混多孔支架材料。该多孔支架材料最初的机械性能良好，其耐压强度和多孔 羟基磷灰石骨替代装置相当，可生物降解性和柔韧性显著优于陶瓷材料。降解 速度也得到一定程度的减缓。 1993 年， Mikos 等7提出以盐粒子作为致孔剂，通过致孔剂沥滤

8、技术制备 PLLA 多孔膜，此法通常被称为溶液浇铸 /粒子沥滤技术。也就是将一定量筛选 过的盐粒子（NaCI、酒石酸钠或柠檬酸钠）加入到 PLLA的氯仿（或二氯甲 烷）溶液中，搅拌使粒子分散均匀后浇铸到培养皿上，加热除去溶剂，经过真 空干燥除去残留溶剂。如果需要特定结晶度的产品，可以将除去溶剂后的 PLLA/ 盐混合物加热至 PLLA 的熔点以上，然后通过退火或淬火过程得到不同 结晶度的样品。膜的孔隙率高达 93%，中值孔径可达150叩。 1996年，Schungens等首次利用热诱导相分离技术中的固-液相分离技术 和液-液相分离技术制备微孔泡沫。将一定量的PLLA 溶于二氧六环中，形成澄 清

9、的聚合物溶液后迅速浸入液氮中淬火，经冰水浴真空干燥至无二氧六环后， 升温至室温再真空干燥，所得多孔材料的孔径在10-100 ym范围，孔隙率最高 可达 91%。以二氧六环 /水的混合物作为溶剂时，发生液 -液相分离，所得多孔 材料的孔径在1-10 ym范围，孔隙率最高可达93%。支架材料的孔的形态及机 械强度与聚合物浓度、分子链的规整性、聚合物分子量及冷却速率有关。 1997年，Park等9利用常压干燥转化技术制备 PLLA多孔膜。将PLLA溶 于二氯甲烷 -乙酸乙酯的混合物中，然后浇铸到PGA 编织网上，常压干燥即 可。在 PLLA 溶液中添加抗生素类药物，并研究这种支架对牙周组织再生的影

10、响，表现出了良好的性能。 Leong等10介绍了 1998年Kim等通过快速成型技术中的三维打印技术制备 了聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）多孔支架材料的方法。该技术是根据所需 支架的形状首先利用 CAD 系统制造支架的三维模型，再通过数据处理将三维模 型横截成一系列二维平面，用计算机控制材料层的重复沉积和加工的方法制备 3D支架的技术。所得支架的孔径在 45-150叩、孔隙率为60%。将其用于肝细 胞体外培养实验， 2d 后用电子显微镜观察到细胞成功地吸附在支架表面和内部 通道上，组织切片显示肝细胞在孔内部成功生长。 Harris 等11将气体发泡技术和致孔剂沥滤技术相结合制备了PLGA

11、多孔支 架。将 PLGA 和粒状 NaCl 混合，室温下压成片状，在高压 CO2 中浸泡直至平 衡，降至常压后将样品浸入蒸馏水中滤出 NaCl 颗粒，得到多孔支架材料。通过 调节聚合物 /盐粒的比例和盐粒的大小可改变聚合物支架的孔隙率、孔径以及孔 的连通性。传统的气体发泡法制备的多孔支架材料存在无孔的表皮，而采用在 高压 CO2 中浸泡平衡的办法可以解决这一问题，还可提高孔之间的连通性；同 时该法无需使用有机溶剂，不会因残留溶剂对细胞产生毒性。 Widmer12结合溶液浇铸和挤出技术，制备了 PLLA管道。首先利用溶液浇 铸技术制备了 PLLA/ 盐混合物圆片，然后将其放入特定的挤出装置中加热

12、挤 出。孔径在150-300卩、，孔隙率只有83%。多孔材料管道能在降解 8d后保持 原有形状，不发生塌陷。 2000年，Senuma等13首次使用涡流盘雾化器制备了 PLA多孔支架，这是 一种全新的制备多孔支架材料的方法。所得材料的孔径为 100-400卩、。老鼠的 膀胱肌肉细胞在这种支架上的吸附和生长性能良好。 2001 年， Ma 等14用粘结成型的石蜡微球作为致孔剂制备了PLLA 多孔支 架，此法可增加支架孔隙间连通通道的尺寸，使细胞更易于在孔隙之间迁移， 但所得支架的孔隙粗糙、连通通道不规则。 2002 年， Li 等15 利用电纺丝技术制备了 PLGA 纳 M 纤维支架。支架的纤维

13、 直径为500-800 nm、孔隙率高、机械性能合适，和细胞外间质的形态类似。种 植在这种支架上的细胞能够保持其形态，并且纳 M 纤维的取向还能引导细胞的 生长。 2003年，Sundback等16结合铸模和热诱导相分离技术，制备了特殊结构形 态的聚合物支架。在室温下将 PLGA 溶于冰醋酸中，将溶液注入已经冷却至 - 40C的特殊模具中，溶液发生固一液相分离，低温干燥后得到和末梢神经结构 类似的管状多孔支架。根据模具的不同，管状支架可以制成 1个直径 1.35 mm 的管道，也可以制成100个直径0.08 mm的管道。 罗丙红 17对溶液浇铸 /粒子沥滤技术进行了改进，发明了一种新的多孔支架

14、 制造方法低热高压技术。将 PLGA 在液氮中冷冻后，经高速粉碎机粉碎， 筛取粒径为20-250 ym的颗粒，与同样粒径范围的粒状 NaCI按一定质量比混 合，将搅拌均匀的混合物模压成型，然后浸入蒸馏水中反复洗涤，待完全去除 NaCI 后减压干燥，得到多孔 PLGA 支架。此方法制备的支架孔壁非常薄，孔的 连通性很好，孔洞分布均匀，孔径为 200-250 ym，孔隙率大于90%。此法无需 使用有机溶剂，有利于在支架中负载活性因子。用酒精和藻酸钙对支架进行处 理可明显改善其亲水性和生物力学性能。 2004年，李世荣等18通过PLLA/二氧六环（DO）/四氢呋喃（THF）三元体 系的相分离过程，制

15、备了 PLLA 多孔泡沫。在三元体系中， DO 作为良溶剂，而 THF 作为不良溶剂， DO 和 THF 的比值决定了溶剂的溶解能力 ,而所得支架的形 态和结晶度取决于溶剂的溶解能力。 Yang等19利用热致凝胶化技术制备了 PLLA多孔支架，并将其用于神经组 织工程。所得支架的平均纤维直径为 150-250 nm、比表面积为16-27 ym-1、孔 隙率为 85%左右，和天然细胞间质的结构相似。在 PLLA 支架上进行神经干细 胞的体外培养实验，结果表明神经干细胞能在支架上分化，并且支架能促进神 经突的生长。 3. 小结 此后的一些研究绝大部分或是采用上述研究方法，或是进行了一定的改 进。聚

16、乳酸由丙交酯开环聚合制备，降解后生成乳酸，由于乳酸是体内三羟酸 循环的中间产物，最终以二氧化碳和水的形式排出体外，具有无毒、可靠的生 物安全性，被美国 FDA 批准用于临床，是迄今研究最广泛、应用最多的可降解 生物材料。 但是聚乳酸作为骨修复材料还存在本质缺陷： (1)降解单体集中释放，会使 培养环境酸度过高，降解产物容易引起周围组织的无菌性炎症反应；(2)细胞亲 和力弱，往往需要物理方法处理或加入某些因子才能黏附细胞；(3) 机械强度不 够高； (4)亲水性差等。 因而，通过复合的方法取长补短，以提高其强度、多孔度、可加工性，降 低其降解速度，是现阶段组织工程支架材料研究的必然选择。如聚乳酸

17、可与无 机陶瓷材料复合，综合两种材料的优点，既可以获得足够的强度和可加工性， 又保留了良好的生物相容性和可降解性。 参考文献 1 张涤生组织工程学现代生物生命科学的前沿J 中国工程科学，2000, 2(10)： 21-25 2 姚康德，尹玉姬组织工程相关生物材料 M 北京：化学工业出版社， 2003， 1-10 3 徐林海，焦向阳，季正伦组织工程J 国外医学生物医学工程分册， 2000,23(1)： 16 4 Coombes A G A, Heckman J D. Gel casting of resorbanle polymers: 1. Processing and application

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