超临界流体技术制备聚乳酸组织工程三维多孔支架实验研究

蒋静智 等 ： 超临界流体技术制备聚乳酸组织工程三维多孔支架实验研究
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２． ２ 操作参数对微观结构的影响 ２． ２． １ 操作温度的影响 图 ４ 为操作压力 １ 、 溶液浓度１ 质量分 ０ ＭＰ ａ ５％ （ ， 操作温度分别 为 ４ 数） ０， ４ ５， ５ ０ ℃的条件下利用超临 界流体诱导相分离过程制备的组织工程 聚 乳酸多 孔支 架断面电镜 图 。 由 图 ４ 可 以 看 到 ， ３种温度下均可成 且制备的多孔支架孔径 功制备组织工 程 用 多 孔 支 架 ，
２ 结果与讨论
２． １ 三维多孔支架制备的可行性 基于 Ｓ ｃ Ｃ Ｏ ２ 诱导相分离过程制备多孔材料的诸多 分别以聚乳酸和聚甲基丙烯酸甲酯为模型材料 ， 优点 ， 以丙酮 、 二氯甲烷为溶剂 ， 实验研究了该技术制备组织 由于实验 工程用多孔支架的可行性 。 最初实验研究中 ， 技术不成熟 ， 很难得到完全干燥的固体多孔支架 。 经过 多次的验摸索和实验技术的调整 ， 一是在高压釜和一 级分离釜之间设置一特殊阀门 ， 即可保证两釜间一定的 又能保证循环干燥和泄压过程的平稳运行 ， 易于 压差 ， 实现对孔径的控制 ； 二是为保证得到一定孔隙率和完全 根据浇铸溶液的厚度 ， 对静态保压时 干燥的多孔支架 ，
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的浇铸容器中 ， 再将浇铸容器快速放入已升至一定温 度的 高 压 釜 中 ， 缓慢通入 Ｃ 保压 Ｏ ２ 至 超 临 界 状 态， 打开入 ６ ０ｍ ｉ ｎ。 然后 开 启 高压 釜的 Ｓ ｃ Ｃ Ｏ ２ 出 口阀 门 ， 开启 柱 塞 泵 ， 使Ｃ 以 一 定 质 量 循 环 流 速流 口阀门 ， Ｏ ２ 经高压釜 、 一级分离釜 、 二级分离釜 、 质量 流量 计 、 单向

基金项目 ： 河北省自然科学基金资助项目 （ ） ； 河北省教育厅科学研究重点支持资 助 项 目 （ ； 河北科技大 ２ ０ １ ２ ２ ０ ８ ０ ４ ９ Ｚ Ｄ ２ ０ １ ４ ０ １ １） 学基金资助项目 （ ） ２ ０ １ ２ ０ ０ ３ ９ 收到初稿日期 ： 收到修改稿日期 ： 通讯作者 ： 蒋静智 ， ： ２ ０ １ ６ １ ０ ２ ６ ２ ０ １ ７ ０ １ ０ ３ Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ２ ６． ｃ ｏ ｍ ｚ ｈ ｉ ２ ０ ０ ０＠１ ｊ ｊ 作者简介 ： 蒋静智 （ ， 女， 河北阜城人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要从事微孔功能材料制备与应用研究 。 万方数据 １ ９ ７ ２－ ）
阀， 直至与气瓶出来的 Ｃ Ｏ２ 在 混合 器 混 合 后 通 入 高 压 釜溶解支架中的溶剂 ， 最终形成干燥的多孔 支架 ； 继续 循环干燥一定时间至多孔支架干燥完 全 ； 关 闭柱 塞泵 ， 缓慢泄压至压力 为 零 ， 即可得到组织工程用三维多孔 支架 。
图 １ Ｓ ｃ Ｃ Ｏ ２ 诱导相分离过程流程示意图 Ｆ ｉ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃｄ ｒ ａ ｗ ｉ ｎ ｆ ｔ ｈ ｅＳ ｃ Ｃ Ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄｐ ｈ ａ ｓ ｅｓ ｅ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｇ１ Ｓ ｇｏ ｐ ２ｉ 间和动态干燥时间进行适当增减 ； 三是制备不同形状和 不同结构的支架模具 ， 强化其传质传热和干燥速度 ； 四 是在高压釜后设置了两组分离釜用以分离 Ｓ 溶解 ｃ Ｃ Ｏ ２ 的有机溶剂 ， 经两次分离的超临界流体基本已不含有机 保证 Ｃ 可得到几 溶剂 ， Ｏ ２ 和有机溶剂回收利用的同时 ， 乎完全干燥的多孔支架 。 现已成功制备了直径为 ４ｃ ｍ 左右 ， 厚度约为 １ｃ ｍ 的 多孔支架 。 图 ２ 和 ３ 即 为实 验 得到的聚乳酸和聚 甲基丙 烯酸甲酯 外观 和内部 孔结 构 电镜图 。 由图 ２ 和 ３ 看出 ， 利用 Ｓ ｃ Ｃ Ｏ ２ 诱导相分离过程 可成功制备组织 工程用 三维多孔支 架 。 且制备 的多 孔 且孔结构可控 、 支架不但具有三维立体的内外部结构 ， 孔道互通性好 、 孔隙率高 、 制备周期短 、 为组织工程用多 孔支架的制备提供了一条有效途径 。
蒋静智 等 ： 超临界流体技术制备聚乳酸组织工程三维多孔支架实验研究
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文章编号 ： （ ） １ ０ ０ １ ９ ７ ３ １ ２ ０ １ ７ ０ ５ ０ ５ １ ６ ９ ０ ５
超临界流体技术制备聚乳酸组织工程 三维多孔支架实验研究

蒋静智 ， 苗 凯， 崔海亭 ， 彭培英
（ 河北科技大学 机械工程学院 ， 石家庄 ０ ） ５ ０ ０ １ ８ 摘 要： 二氯甲烷为溶 理 想 三 维 支 架 的 构 建 是 组 织 工 程 化 人 工 器 官 成 功 的 前 提 条 件。以 聚 乳 酸 为 模 型 材 料， 利用超临界流体诱导相分离过程制备具有外部三维立体结构和内部三维互通的组织工 程支 架 ， 考察 了过 程制 剂， 备的可行性 ， 分析了操作参数如操作压力 、 温度和溶液浓度对孔的形态 、 结构和孔壁 的影响 。 结 果表明 ， 利用 超临 界流体诱导相分离过程可成功制备孔径分布均匀 、 互 通 性 好、 孔 隙 率 高 的 组 织 工 程 用 三 维 多 孔 支 架， 且制备周期 短， 工艺简单 。 随操作压力 、 温度和溶液浓度的增加 ， 支架孔径均逐渐减小 。 但过程中温度 太低 ， 压力或 初始 溶液 浓度太高均会导致聚合物富相内聚乳酸的快速结 晶 析 出 从 而 形 成 由 纳 米 级 聚 乳 酸 颗 粒 粘 结 在 一 起 的 支 架 孔 壁 。 本实验范围内较优的操作参数为 ： 高压釜压力 １ ， 温度 ４ 溶液浓度 ２ 质量分数 ） 。 ０ ＭＰ ａ ５ ℃， ０％ （ 关键词 ： 组织工程 ； 多孔支架 超临界流体 ； 中图分类号 ： ３ １ ８． ０ ８ Ｒ 文献标识码 ： Ａ ： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ １ ９ ７ ３ １． ２ ０ １ ７． ０ ５． ０ ３ １ ｊ 干燥过程中 料 。 该过程相分 离 与 干 燥 过 程 合 二 为 一 ， 不会产生汽 液界面 ， 因此过程 制 备 时 间 短 且 孔 结 构 无 获得的孔结构形态好 、 孔隙率高 、 互通 性强 ； 以上 坍塌 ， 优势 ， 使该技术 在 多 孔 材 料 制 备 方 面 展 示 了 广 阔 的 应 ］ １ ０ 用前景 ［ 。 但从现有的报 道 看 ， 大部分实验研究致力于厚度 不超过 １ ｍｍ 的 多 孔 膜 制 备 上 ， 将该技术用于三维外 部立体 结 构 支 架 制 备 是 否 可 行 呢？ 当 浇 铸 厚 度 增 大 后， 多孔支架是否可以完全干燥 ， 相分离对孔 结构 的影 响又如何？本文 以 聚 乳 酸 作 为 模 型 材 料 ， 利用 Ｓ ｃ Ｃ Ｏ ２ 诱导相分离技术及后续的循环干燥过程来制 备组 织工 程用三维多孔支架 ， 考察过程的可行性 ， 研究 过程 参数 对孔结构的影响规律 ， 进而找到最佳工艺条件 。
均匀 ， 孔 间 互 通 性 好， 孔 隙 率 高。当 操 作 温 度 为 ４ ０℃ 时， 大部分 孔径在 １ 孔壁 有许多纳 微 米 级 ５ ０μ ｍ 左右 ， 的细小颗粒堆积而成 ， 孔壁粗糙 。 当温度升高到 ４ ５℃ 时， 多孔支 架 的 孔 径 略 有 减 小 ， 大 部 分 孔 径 在１ ２ ０μ ｍ 左右 ， 孔壁粗糙度减小 ， 部分孔壁上的细小颗 粒逐 渐被 光滑的壁面替代 。 当温度继续升高到 ５ 大 部分 ０ ℃时， 孔壁光滑 。 孔径在 １ ０ ０μ ｍ 左右 ，
１ 实验
１． １ 材料与仪器 聚乳酸 ， 深圳市易生新材料有限公司提 供 ， 分 子量 纯度 ９ 直径 ５ ｍｍ 左右的球形颗粒 ； 二 氯甲 ５０ ０ ０， ９％ ， 烷， 沈阳新兴 试 剂 厂 ， 分 析 纯； 去 离 子 水、 、 河 北科 Ｃ Ｏ ２ 技大学提供 ， 纯度 ９ ９％ 。 电子扫描电镜（ ， ｓ ｃ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｅ ｇｅ ｐ ， 日本日立公 司 ， 型 号： 日立 Ｓ 冷场发射扫 Ｓ ＥＭ） ４ ８ ０ ０， 描电镜 。 １． ２ 实验装置和流程 循环干燥过程实验装置如图１ Ｓ ｃ Ｃ Ｏ ２ 诱导相分离 所示 。 首先称取 一 定 质 量 的 干 燥 聚 乳 酸 颗 粒 ， 溶入二 氯甲烷溶剂中 ， 制成一定质量百分比浓度的溶液或胶 体溶液 ， 静置排除气泡后将溶 液慢 慢 倒 入 深 度 为 ２ｃ ｍ
０ 引 言
组织工程的核 心是 建立由细 胞和 生 物材料 构成 的 三维空间复合体 ， 其目前研究的主要内容集中在生物可 降解支架材料 、 种子细胞 、 体外培养条件方面 ， 其中理想 三维支架的构建是 组织 工程化人 工器 官 研究成 功的 前 ］ １ ２ 提条件 ［ 。 而理想的组织工程支架除具有良好的生物 相容性 、 适宜的降解性和有效的表面活性外 ， 还要求具 有合适体积 、 形状的三维外部立体结构 ， 以满足组织缺 损的修复和填充的需要 ， 以及高孔隙率且内部连通的三 维内部结构 ， 以便为种子细胞增殖 、 长入支架材料以及 养分 交 换 和 代 谢 产 物 的 排 出 提 供 良 好 的 空 间 和 通 ］ ３ ５ 道［ 。 这就要求科学工作者们除选用不同的基体材料 外， 还要从多孔材料的制备技术着手 ， 选用不同技术和 方法以及精确的工 艺参 数控制来 制备 满 足组织 工程 对 三维结构 、 降解速率和孔结构等要求的多孔支架 。 利用超临 界 Ｃ 作 为 非 溶 剂， 诱导聚合 Ｏ２ （ Ｓ ｃ Ｃ Ｏ ２） 物溶液发生 相 分 离 ， 即Ｓ 制备 ｃ Ｃ Ｏ ２ 诱 导 相 分 离 技 术， 具有 微 孔 结 构 的 聚 合 物 多 孔 材 料 ， 是超临界流体 ］ ６ ９ （ 应 用 领 域 的 又 一 研 究 热 点［ 。它是将要制成 Ｓ Ｃ Ｆ） 多孔材料的聚 合 物 溶 于 溶 剂 中 制 成 一 定 浓 度 的 溶 液 ， 该溶液与 Ｓ ｃ Ｃ Ｏ Ｓ ｃ Ｃ Ｏ ２ 充分接触 ， ２ 快速溶 于 溶 液 中 引 起聚合物溶液 发 生 相 分 离 ， 溶液即被分离成相互成亚 稳平衡的聚合物富相和聚合物贫相 ， 同时 ， 溶 液中 的 溶 剂会快速溶解于 Ｓ 聚合物富相不断发生玻璃 ｃ Ｃ Ｏ ２ 中， 化转变而固化 ， 聚合物贫相形成晶核并逐 渐长 大 ， 充满 多孔材料中的空隙 。 然后 ， 循环通入 Ｃ Ｏ ２ 对多孔材料 进行清洗和干 燥 ， 即可得到几乎无溶剂残留的多孔材