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1、 一 纤维支架 纤维支架是组织工程研究中最早采用的细 胞外基质替代物之一 主要由PGA或其共聚 物等结晶性聚合物纤维构成 利用纺织技 术将直径10 15 m的纤维制成织物或无纺 物 其孔隙率高达97 比表面积高达 0 05 m 1 但存在力学强度较差 承压时 会坍塌的缺点 三 支架制备技术 1 改进 1 雾化或喷雾涂曾 采用PLLA或PLGA溶液涂覆织物的方法 可使相 邻纤维间形成物理连结 从而使纤维支架稳定 耐压 2 热处理溶出 PGA 纤维浸在PLLA CH2Cl2 溶液中 溶剂挥发后PGA 嵌入到PLLA中 加热到两种聚合物熔点以上 PLLA 熔点低 先 熔化 充满PGA纤维网络所有空洞
2、 PLLA防止纤 维网塌陷作用 交叉点的PGA 纤维熔融后物理 缠结在一起 用氯仿溶出 PLLA 通过织物提高机械性能 类似孔结构 2 纤维网状结构 加工示意图 A PGA B PLLA 3 二 多孔支架 松质骨结构 4 1 粒子致孔法 最常用的是溶液浇注 粒子浸滤 聚合物溶液与均一的盐晶混合 溶剂挥发后形成固体的聚合物 盐复合物 浸没在水中去除盐 可控孔隙率达93 厚度 2mm 当盐晶含量为70 90 时 有均匀的联孔结构 5 致孔剂粒子可采用氯化钠 酒石酸钠和柠檬酸钠 等水溶性无机盐或糖粒子 也可用石蜡粒子或冰 粒子 溶液浇铸 粒子浸滤法制备多孔支架时易形成致 密的皮层 若浇铸后不断地振动
3、至大部分溶剂挥 发 可防止粒子沉降 抑制表面皮层的形成 非溶剂聚沉 粒子致孔法简单 适用性广 孔隙率和孔尺寸易 独立调节 是一个通用的方法 得到了广泛的应 用 但致孔时往往需用到有机溶剂 6 形成气体的盐致孔 水溶性致孔剂致孔 冰晶致孔 Guoping Chen et al Development of biodegradable porous scaffolds for tissue engineering Materials Science and Engineering 2001 C 17 63 9 Morphology of cross sections of PLLA sponges
4、 7 2 热致相分离 TIPS 相分离法是指将聚合物溶液 乳液或水凝胶在 低温下冷冻 冷冻过程中发生相分离 形成富溶 剂相和富聚合物相 然后经冷冻干燥除去溶剂而 形成多孔结构的方法 因而 相分离法又往往称 为冷冻干燥法 按体系形态的不同可简单地分为乳液冷冻干燥 法 溶液冷冻干燥法和水凝胶冷冻干燥法 8 均向聚合物溶液 高温 低温 淬火热力学状态 参数 溶液浓度 冷冻温度 冷冻时间和 冷冻速率等 液 液相分离相图 9 Porous PDLLA Bioglasss composite scaffolds prepared by TIPS bimodal and anisotropic pore s
5、tructures composed of tubular macropores of 100 m interconnected with micropores of 10 50 m in diameter 冷却到L S相平衡线以下干燥 溶液冷冻干燥 10 Whang K et al A novel method to fabricate bioabsorbable scaffolds Polymer 1995 36 837 42 真空干燥 液氮 去离子水 乳液 聚合物 去离子水 冷冻干燥 乳液冷冻干燥 11 Ming Hua Ho et al Preparation of porous sc
6、affolds by using freeze extraction and freeze gelation methods Biomaterials 2004 25 129 38 溶液 冷冻 凝胶 温度低于 溶液凝结点 Morphology of the chitosan and alginate scaffolds 水凝胶冷冻干燥 明胶 藻酸盐和壳聚糖等水凝胶 12 不同温度下 多步相分离粗化 提高孔尺寸 连通性 相分离 冷冻干燥法孔尺寸往往偏小 但该法 避免了高温 因而得到了研究者的重视 改进 13 3 气体发泡法 1 超临界流体技术 物理发泡法 该法将聚合物压成片 浸泡在高压二氧化碳中
7、 直至饱和 甚至超临界状态 然后降至常压 气体的热力学不稳定性导致气泡成核和增 长 形成多孔支架 超临界二氧化碳 SCCO2 无残留溶剂 制备非晶相聚合物支架 14 优点 不使用有机溶剂 因为残留在支架中的有 机溶剂对细胞有害 反应体系可以在比较低的温度下进行 30 40 C 便于药物和生长因子的粘附 缺点 支架的孔隙率和孔径不可控 由气体在固 体中溶解 释放过程的形态决定 连通率低 10 30 闭孔结构 可联合粒子浸滤法改进 15 2 化学发泡法 化学发泡法来制备多孔支架 采用的化学发 泡剂主要为碳酸盐类化合物 将聚合物溶 液 碳酸氢铵粒子混合物加入到模具中 待 溶剂部分挥发后直接浸入热水中
8、发泡 最后 经冷冻干燥可得到多孔支架 该法得到的多孔支架孔隙率超过90 孔相 连性好 孔尺寸约100 500 m 并避免了 表面皮层的形成 16 4 微球聚集法 将可降解聚合物微球加入模具中 加热至 玻璃化温度以上 保持一定时间后冷却 脱 模可制得烧结微球支架 热处理时微球相互接触处由于链运动而 连结在一起 冷却至室温后该结构被固定下 来 因而得到多孔的烧结微球支架 17 Fabrication process of a composite of PLAGA and BG The composite wasprepared in a 3 D porous scaffold by microsp
9、here sintering PVA LU et al J Biomed Mater Res 64A 465 474 2003 18 微球紧密堆积产生的 孔隙成为支架的孔 孔尺 寸范围为37 150 m 与微球尺寸成正比 孔隙 率则随微球尺寸增大略 有增加 为31 39 孔 相连性很好 该法优点在于孔相连性好 孔尺寸易调控 力学强度 大 微球可包裹药物 生长因子 进行可控释放 缺点则在于孔尺寸偏小 孔隙率亦低 19 5 静电纺丝 优点 操作简单 制品比表面积大 缺点 耗时长 效率低 可控性差 纤维难以排布规则 20 6 3D 印刷 浇铸聚合物粉基础 如 PLGA 按希望的分布点 印 微米体积的
10、溶剂液 滴 氯仿 当溶剂挥发时凝结的粉固化 重复以上操作 建立 3D 结构 摇出未凝结的粉 精确性结构型微孔聚合物或陶瓷支架 21 22 Typical morphologies of porous polymer foams produced by solid freeform fabrication technique23 快速成型法可一步形成支架的外形和相 连的多孔结构 是一种一体化制备方法 优点 成型时间短 利于自动化大规模生产 可根 据个体的不同 迅速制备出具有个体特征的 三维多孔支架 可制备各个部位具有不同孔结构的支架以 适应复合组织的不同要求 缺点 支架孔隙率偏低 通常小于80
11、改进 24 7 相连管状孔道支架 将糖纤维等水溶性纤维材料预先构建成具 有特定结构的三维 负 支架 负 支架经水 蒸汽处理后形成连结 将聚合物溶液滴在 负 支架上 冷冻使聚合 物溶液凝胶化 用水浸出糖纤维 冷冻干燥脱除溶剂 得到的多孔支架具有预 先设计的相连管状孔道结构 孔隙率高达90 以上 并具有纳米纤维孔壁结构 25 负 支架的构建既可手工完成 也可用 快速成型技术来实现自动化 与通常 的快速成型技术不同的是 首先形成的 是最终的多孔支架的 负 复制品 该支架的相连管状孔道结构更有利于 支架内的传质过程 其纳米纤维孔壁结 构则更有利于细胞粘附 26 支架设计及制备技术 制备技术加工 材料
12、要求 孔径 m 孔隙率 结构 溶剂流涎盐沥滤流涎溶解30 300 90球状孔径 盐粒会残留 挤出沥滤模具热塑性50 500 80球状孔径 盐粒会残留 纤维粘合编织织物20 10090 热诱导相分离流涎溶解 100 97孔隙高度贯穿 微孔结构 超临界流体技术流涎非晶相 5010 30非贯穿孔 微孔结构 三维打印 固体自 由成型 溶解45 150 60 100 贯穿孔 三角 五角 蜂窝状 表 三维支架制备技术 27 三 注射型组织再生支架 软支架 可注射型支架是将一种具有流动性的 生物相容性良好的材料与异体或自体细胞 复合后注射到机体缺损部位 或直接注人 体内 材料到达缺损部位后能在原位形成 具有
13、一定机械强度 形状并且可与体液进 行交换的支架 支架通过注射完成植入 故可降低手术 难度 减少手术创伤 特别适用于微创伤 的修复 高长有 马列 医用高分子材料 P229 234 洪奕等 注射型组织再生支架的研究进展 生物医学工程学杂志 2007 24 2 463 465 28 可注射型支架在组织工程中应用的示意图 水凝胶具有在一定条件下可保持流动状态而在外部 的物理或化学刺激下可形成一定形状和强度的体型 材料的特性 因此成为可注射型支架的首选材料 29 水凝胶作为可注射型支架优点 具有良好生物相容性 水溶液环境有利于保护细胞以及营养物和 分泌产物的运输 易用细胞粘附配体进行改性 水凝胶作为可注
14、射型支架缺点 水凝胶的操作不易控制 机械强度较低 消 毒困难 30 1 温敏型水凝胶类可注射支架 温敏型水凝胶是指当一定浓度的溶液在 温度升高或降低到一定值时可迅速形成凝 胶 可分为升温型水凝胶和降温型水凝胶 由于温敏型水凝胶只需通过改变温度就 可凝胶化 大大降低了外界物质对细胞的 影响 因此用于可注射型支架具有一定的 优越性 例如 降温型 琼脂 升温型 PEO 胶原 PNIPAm接枝明胶 31 2 交联型水凝胶类可注射支架 指在添加助剂或者引发剂后 分子链间发 生交联形成水凝胶 交联方式有共价键交 联 离子键交联等 交联也可通过光引发 来进行 如 聚反丁烯二酸丙二醇酯 PPF 通过主链上 的
15、双键和含双键的单体或低聚物进行交联原位形 成凝胶 为减小温度 添加交联剂及引发剂 对细胞的 活性的影响 可采取微囊化复合改进 如 Payne 等将骨髓间质成骨干细胞微囊化后种植在水凝胶 以保持细胞活性 32 3 复合水凝胶型可注射型支架 以水凝胶为载体的可注射型支架主要用 于骨修复 一般是采用微粒与水凝胶材料 以适当比例共混 保持流动性 然后将混合 物注射到缺损部位后凝胶化 目前报道最多的是以羟丙基甲基纤维素 水凝胶与具生物活性的磷酸钙 BCP 复合以 制备可注射型骨替代物一 纤维素类水凝胶是一类升温型水凝胶 可以通过纤维素浓度来控制凝胶化的温度 范围 33 组织修复中的可注射型材料 分类可注
16、射型材料固化方式 无机材料磷酸钙陶瓷固化 天然高分子材料壳聚糖 海藻酸钠 胶原 明胶 琼脂 透明质酸 葡聚糖 甲基纤维素类 纤维蛋白 温敏型 引发剂引发 离子交联 光引发 温敏型 温敏型 温敏型 光引发 光引发 温敏型 温敏型 酶交联 合成高分子材料PEO PPF PNIPAM类 PEG类 PEO PPO PEO PLA PEG biotin PVA 光引发 光引发 引发剂引发 温敏型 温敏型 光引发 酶交联 M加成 温敏型 自组装 光引发 PPF 聚反丁烯二酸丙二醇酯 34 可注射型支架研究中存在的问题 如何提高水凝胶的强度 凝胶化的可控性 对于预制备降温型 交联型等水凝胶时与细 胞的复合问题等 35 Microspheres Biodegradable PLGA microspheres have been studied for delivery of chondrocytes for cartilage engineering Non porous PLGA microspheres could be used as i a microcarrier for cell expa
