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1、大 学本 科 毕 业 论 文（设计） 题目:可降解生物多孔支架材料的制备与性能姓名: 专业: 学院: 学号: 指导教师: 职称： 讲师 2009年 5月 11日XX大学本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目可降解生物多孔支架材料的制备与性能 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。 毕业论文（设计）作者签名： 日期：2009年 5月 11日目录【摘要】2【关键词】21前言21.1组织
2、工程支架材料21.2组织工程多孔支架制备要求31.3组织工程三维多孔支架的制备及孔结构形态31.3.1组织工程多孔支架的致孔方法和技术31.4组织工程三维多孔支架的力学性能51.5研究思路52.实验部分62.1本实验所用到的试剂及仪器62.2测试样品支架制备-常温模压/粒子浸出法72.3磷酸盐缓冲液（PBS）配制92.4多孔支架结构形态的表征92.4.1多孔支架孔结构的形态分析92.4.2多孔支架表面亲水测试92.4.3多孔支架湿态下的力学性能测试93.数据分析与处理103.1多孔支架孔结构的形态分析103.1.1盐粒掺量与PDLLA多孔材料表面形貌的关系103.1.2多孔支架材料的孔隙率测量
3、113.2多孔支架表面亲水测试分析123.3多孔支架湿态下的力学性能测试分析134结论16【参考文献】175.致谢18【Abstract】19【Key Words】19可降解生物多孔支架材料的制备与性能【摘要】制作具有良好三维多孔结构的可降解三维多孔细胞支架是组织工程的关键技术之一。本论文探讨了一种新型聚合物支架制作方法-常温模压/粒子浸出法。首先制成聚合物溶液，利用非溶剂快速聚沉的方法得到聚合物/羟基磷灰石/氯化钠三元混合体系，然后将三元混合体系沉积层在糊状下模压成型，干燥后浸滤除盐。采用密度法测定其空隙率；表面和内部结构、孔径分布由扫描电镜观察得到。结果表明利用此种方法制作的PDLLA及P
4、DLLA/HA支架孔隙率达到90.0和孔径在150-300m之间,三维支架结构稳定，孔径和孔隙率等各项参数可控制。掺入羟基磷灰石(HA),提高了支架材料的润湿和力学性能。润湿状态下，材料的力学性能明显下降，但纳米羟基磷灰石的添加明显延缓了材料强度和刚性的衰减。【关键词】 可降解聚合物 多孔支架 外消旋聚乳酸(PDLLA) 湿态力学性能 1前言组织工程是用细胞和细胞外基质替代物再造组织或器官的新方法，将使组织器官缺损的治疗进入制造组织或器官的新时代。新兴的组织工程利用可降解材料做成三维支架，对细胞外基质结构和功能进行仿生，起到细胞外基质替代物的重要作用，在形成或长出相应的组织或器官后材料就自动降
5、解消失，巧妙地解决了异体排斥问题。用于制备支架的材料有胶原、多聚糖、聚己内酯、聚乳酸(PLA)及其共聚物（PLGA）等一系列可降解聚合物1。另一为材料科学家所广泛研究的课题是包括羟基磷灰石（HA）和生物活性玻璃的生物陶瓷。如果将二者有机的结合起来，形成新一代生物医用材料（即第三代生物材料）2，不仅保持生物学活性特点，同时又不会象惰性物移植那样为病患者带来二次手术痛苦，生物材料在完成其使命后充分降解并直接由代谢排出体外。目前, 新一代生物材料已成为国际上材料前沿领域一个十分活跃的研究方向,在组织工程中已开始有广泛的临床应用。1.1组织工程支架材料组织工程的要素和关键技术之一为细胞外基质替代物-具
6、有特定形状和相连孔结构的可降解三维多孔细胞支架。多孔支架的孔结构、表面性质、力学性能和降解行为主要由支架材料的性质和支架的制备所决定，并对其功能的实现起着非常关键的作用。其基本原理和方法是将在体外培养扩增的正常组织细胞种植到具有良好生物相容性且在体内可逐步降解吸收的组织工程多孔支架上，形成细胞一支架复合物，细胞在支架上增殖、分化，然后将此复合物植入机体组织病损部位，在体内继续增殖并分泌细胞外基质，伴随着材料的逐步降解，形成新的与自身功能和形态相适应的组织和器官，从而达到修复病损组织和器官的目的。组织工程多孔细胞支架的生物相容性取决于所用材料的生物相容性和支架的表面性质，其多孔结构和外形主要由支
7、架制备方法决定，其表面理化性质和形态则主要取决于所用材料的性质和制备方法，也可通过其它方法加以改进。支架的力学性质和降解速率则由材料的分子量及其分布、组成、结晶性、亲疏水性和支架的孔隙率、孔尺寸、孔形态等因素决定，植入体内后还与植入部位的微环境有关。织工程支架材料是指能与组织活体细胞结合并能植入生物体的材料，它是组织工程化组织的最基本构架。1.2组织工程多孔支架制备要求在组织工程中多孔支架起到细胞外基质的作用，是对细胞外基质的结构和功能的仿生。除可注射性材料以外，大多数组织工程支架必须预先制成多孔支架。组织工程多孔支架需要满足以下要求：（1）良好的生物相容性，即无明显的细胞毒性、炎症反应和免疫
8、排斥；（2）合适的可生物降解吸收性，即与细胞、组织生长速率相适应的降解吸收速率。（3）合适的孔尺寸、高的孔隙率(90% )和相连的孔形态，以利于大量细胞的种植、细胞和组织的生长、细胞外基质的形成、氧气和营养的传输、代谢物的排泄以及血管和神经的内生长；（4）特定的三维外形以获得所需的组织或器官形状；（5）高的表面积和合适的表面理化性质以利于细胞粘附、增殖和分化，以及负载生长因子等生物信号分子；（6）与植入部位组织的力学性能相匹配的结构强度，以在体内生物力学微环境中保持结构稳定性和完整性，并为植入细胞提高合适的微应力环境3。1.3组织工程三维多孔支架的制备及孔结构形态除可注射性材料以外，大多数组织
9、工程支架必须预先制成多孔支架。组织工程多孔支架的制备方法决定了支架的孔结构和外形，同时支架结构对其力学性能、表面性质和降解性质也有较大的影响，因而从组织工程学科一开始兴起，组织工程支架的制备技术就受到研究者足够的重视，出现了多种多样的制备方法。组织工程多孔支架孔结构从制备方法上看，大孔尺寸、孔壁尺寸、孔壁内微细结构取决于致孔方法，而解剖外形和尺寸则取决于成型方法。因而，组织工程支架的制备通常分为致孔和外形成型两个层次，二者必不可少，相互结合才能制得满足要求的支架。因而，组织工程多孔支架的制备也主要有两个方面的问题需要解决，即获得相连的多孔结构和合适的外形4。1.3.1组织工程多孔支架的致孔方法
10、和技术1.3.1.1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1O15m 的纤维制成织物或无纺物，其孔隙率高达97%，比表面积高达0.05m-1，但存在力学强度较差、承压时会坍塌的缺点。将织物热处理或采用PLLA或PLGA溶液涂覆织物4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。PGA纤维支架易于借助于阴模制成各种形状，已成功地用于软骨等多种组织工程领域。纤维支架的不足之处在于孔隙率和孔尺寸不易控制，亦不易独立调节3。1.3.1.2粒子致孔法粒子致孔法指首先将组织工程材料和致孔剂粒子制成均匀
11、的混合物，然后利用二者不同的溶解性或挥发性，将致孔剂粒子除去，于是粒子所占有的空间变为孔隙。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。最常用的方法是，利用无机盐溶于水而不溶于有机溶剂、聚合物溶于有机溶剂而不溶于水的特性，用溶剂浇铸法将聚合物溶液盐粒混合物浇铸成膜，然后浸出粒子得到多孔支架。1.3.1.3相分离法冷冻干燥法用于制备组织工程多孔支架的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
12、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3。1.3.1.4气体发泡法气体发泡法可避免在制备支架时使用有机溶剂。该法将聚合物压成片，浸泡在高压二氧化碳中直至饱和，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，但孔为闭孔结构。若将发泡法与粒子浸出法相结合，则可制得相连的开孔结构的多孔支架。若将聚合物粉末和致孔剂粒子混合物在室温下模压制取圆片，则该法还可避免使用高温，有利于在温和的条件下引人生长因子。受控释放的生长因子可保持90%的生物活性，已用于平滑肌组织工程。发泡法中影响孔隙率和孔结构的因素主要有聚合物结晶性和分子量、平衡时间、放气速率等。结晶性
13、聚合物PLLA和PGA难以发泡，无定型聚合物PLGA易发泡；聚合物分子量越高越难以发泡，孔隙率越低；在高压气体中平衡时间越长，孔隙率越高；放气速率对孔隙率影响较小5。1.3.1.5烧结微球法 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。微球紧密堆积产生的孔隙成为支架的孔，孔尺寸范围为37150m，与微球尺寸成正比，孔隙率则随微球尺寸增大略有增加，为3139%，孔相连性很好。支架压缩模量为241349MPa，随微球尺寸减小而增大。该支架的孔隙
14、率与松质骨中组织分率(30%)相近，力学性能也与松质骨相当，因而可作为松质骨修复的“负”模板，修复完成后孔的部分成为组织，聚合物微球部分降解后成为松质骨的空隙。该法优点在于孔相连性好，孔尺寸易调控，力学强度大，缺点则在于孔尺寸偏小，孔隙率亦低 3。针对现有的支架制作方法如有机溶剂发泡法、三维喷涂法、相分离法、高压气体发泡法、浇注NaC1沥清法等，具体分析其存在缺点的原因如下：(1)有机溶剂残留。隐藏有破坏细胞及活性因子活性的危险；(2)高温拔丝损害分子稳定性，且喷涂技术难度大、成本高；(3)空隙分布不均匀。不利于成骨细胞附着、增殖和移行；(4)由于固有粘滞性限制，采用气体法和溶剂发泡等方法时开
15、孔率低。不利于细胞向支架深部移行及营养、代谢产物交换；(5)因聚合物溶液流动或者使用粘合剂将导致部分氯化钠颗粒被包裹，从而开孔率下降并且遗留潜在危害；(6)在溶剂浇注法中由于聚合物溶液与氯化钠密度不同。而出现氯化钠沉淀。导致空隙上下分布不均匀难以制作成大型稳定的支架。虽然沥取加高压气体法进行了改进。但是由于聚合物颗粒间结合相对松散,而且加工条件较高,使用仍有不便。表1.制备组织工程多孔支架的各种方法和技术的特点 制备方法材料要求孔尺寸(m)孔隙率(%)比表面积(m-1)孔形态其他纤维支架纤维20-100970.05相连性好，不规则孔力学强度差粒子致孔法可溶或热塑性30-50093-95不规则孔，高孔隙率时相连性 好孔隙率和孔径可独立调控相分离/冷冻干燥可溶20090-9750-1
