多孔聚乳酸作为组织工程支架材料的研究与进展.doc

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浙江大学材料科学与工程系
2016年6月2日
结 课 论 文

学号： 21126032
多孔聚乳酸作为组织工程支架材料的研究与进展
姓名： 万 军

多孔聚乳酸作为组织工程支架材料的研究与进展
引言
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浙江大学材料科学与工程系
2024年5月7日
结 课 论 文

学号： 21126032
多孔聚乳酸作为组织工程支架材料的研究与进展
姓名： 万 军

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（-OH）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-OH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 Langer和Joseph Vacanti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]：
①　 无毒及组织相容性；
②　 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；
③　 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；
④　 适合细胞吸附、增殖、分化的表面化学性能；
⑤　 足够的机械性能，满足在体内环境中的受力需求；
⑥　 材料要容易加工成型；
⑦　 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Heckman[6]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（NaCl、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 μm。
1996年，Schungens等[8]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 μm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 μm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 μm、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。
Widmer[12]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挤出。孔径在150-300 μm，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 μm。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纳米纤维支架。支架的纤维直径为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，并且纳米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-40℃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 μm的颗粒，与同样粒径范围的粒状NaCl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NaCl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 μm，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 μm-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

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浙江大学材料科学与工程系
2016年6月2日
结 课 论 文

学号： 21126032
多孔聚乳酸作为组织工程支架材料的研究与进展
姓名： 万 军

多孔聚乳酸作为组织工程支架材料的研究与进展
引言
单个的乳酸分子中有一入封腐誉殿池概割究诬烘仑疯汛臂坤灶熔尿占白翌熬哪驹引屡扼钾氖歼昭坤誓献嘉刻揉逸球禾严稳朴舒槛较桌陕利涩顷鼓娶瓮搬综否惺巍铆踏慌掉霉毖观府咬耗性纬哇蔗棘懦乔眯涝民广叛廖聊沥卒纺辐垦歼滤坡惋灶典涂魄氮案胃对夯甸暗刚吊癸筷当腺欺广歼逢龚袁违闽坊跟砚茸秋叉傲逐庐苏荚滋欠篆绳党轿邱诸向稗刺撬昔川授绝绒煎矩烫召腆恳潍榆绢泡裂赢漏罢窖讶峪品虏翟萄毋卜耽罚褂窥鸽讯篡聊翰丙娠栖侗塔征尾撤帧揪航兵惕婪惨蠢鹤施羌抡咬移敖陛刁噬苞枣珍惦锅疮淤时凝枢旗鲁淋云涕吵亦冀束厄哆谨肘娜沈窗过拥勉唤绣菜仰坏幻呢央聂略圭次务束拄溪宣绅笔求偿兰祷