組織工程用三維多孔支架制備技術研究進展

蔣靜智，賈 超，郭彥書

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

組織工程用三維多孔支架制備技術研究進展

蔣靜智，賈 超，郭彥書

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

綜述了近幾年組織工程用三維多孔支架的制備技術及研究成果，傳統(tǒng)技術包含微球燒結法、溶液澆鑄/粒子瀝濾法、熱致相分離/冷凍干燥法、靜電紡絲法、快速成型法等；超臨界技術包括超臨界CO2發(fā)泡法、超臨界CO2乳劑制模法、超臨界CO2靜電紡絲法、超臨界輔助相分離法、超臨界CO2溶劑去除法、離子液體聚合物混合干燥法等。重點評述了超臨界流體技術在組織工程用三維支架制備中的發(fā)展前景。

組織工程；三維多孔支架；制備技術；超臨界流體

組織工程(tissue engineering)是應用生命科學與工程學的原理與技術，在正確認識哺乳動物的正常及病理2種狀態(tài)下的組織結構與功能關系的基礎上，研究開發(fā)用于修復、維護、促進人體各種組織或器官損傷后的功能和形態(tài)的生物替代物的一門新興學科。組織工程在臨床醫(yī)學上有著誘人的應用前景，包括減少對器官捐獻的依賴、減少大的外科修復手術、避免長期化療等。現(xiàn)今組織工程研究的核心是建立由細胞、生物材料支架和生長因子所構成的三維復合體。其中，由生物材料所構成的細胞支架的作用是為細胞增殖提供空間，使細胞按照生物材料支架的構型在生長因子的作用下分化、增殖，最終成為所要求的組織或器官，達到修復創(chuàng)傷和重建功能的目的。因此，三維多孔支架的制備是組織工程化人體器官的前提條件。本文綜述了近幾年國內外在組織工程支架制備技術方面的研究成果和研究現(xiàn)狀，特別對新興的超臨界流體技術進行了重點介紹。

1 組織工程多孔支架傳統(tǒng)制備方法

1.1微球燒結法

微球燒結法往往通過物理或化學作用將制備的微球連接在一起。微球燒結法主要有熱力燒結法、溶劑/非溶劑燒結法和微球偶聯(lián)法。

WANG等利用熱力燒結法制備出具備一定孔隙率的聚乳酸-聚乙醇酸共聚物(PLGA)燒結支架[1]。BROWN等采用溶劑/非溶劑法將微球燒結成PLGA支架，支架的孔隙率達到30%，改變溶劑/非溶劑的比例可調節(jié)孔隙率[2]。van TOMME等采用微球偶聯(lián)法，以葡聚糖為原料，制備出了聚合凝膠支架，該支架適合用于注射[3]。

1.2溶液澆鑄/粒子瀝濾法

溶液澆鑄/粒子瀝濾法將聚合物溶解在溶劑中，加入一定粒徑且不溶于有機溶劑的制孔粒子，形成均勻的有機溶液，將溶液澆鑄成型，待溶劑揮發(fā)后，形成了支架，再將支架浸入可溶解制孔粒子但不溶解聚合物的溶劑中，將粒子瀝出，得到不含粒子的復合高分子支架。

GONG等在此技術基礎上加以改進，采用溶劑澆鑄/真空揮發(fā)/粒子瀝濾技術制備了干燥的聚乳酸(PLA)三維多孔支架[4]。此技術不僅拓展了傳統(tǒng)溶液澆鑄/粒子瀝濾技術的應用，而且還可以制備出管狀、梯度支架。這種方法制備的復合支架可以調節(jié)孔徑和孔隙率，但是支架不能太厚，過程中引入有機溶劑，且殘留量高，這對細胞的生長有一定的危害，同時該方法的制備周期比較長。

1.3熱致相分離/冷凍干燥法

熱致相分離/冷凍干燥法是在一定的條件下將聚合物溶解在溶劑中，然后進行冷卻直至發(fā)生相分離，通過適合的方法將溶劑除去，即得到聚合物三維多孔結構。

WU等通過冷凍干燥法制備了明膠多孔管狀支架，改變明膠濃度或增加交聯(lián)劑可將管狀支架的寬度和長度分別控制在50～100 μm和100～500 μm[5]。CARDEA等通過熱致相分離法制備出殼聚糖管狀支架，并且表面沒有塌陷，支架的直徑約為50 nm，壓縮模量為150 kPa[6]。

1.4快速成型法

快速成型法是按一定的厚度對三維軟件設計出的三維曲面或實體模型分層，形成二維截面信息。即先進行離散，再對離散得到的數(shù)據(jù)處理、加工，產生數(shù)控代碼，電腦根據(jù)產生數(shù)控代碼控制數(shù)控系統(tǒng)，以平面加工方式加工出每一個薄層，然后黏接成型。目前快速成型法主要分為熔融堆積成型法、三維打印法、選擇性激光燒結法、三維生物描繪法和低溫沉積制造法。

ESHRAGHI等利用選擇性激光燒結法制備出實體和多孔聚己內酯骨支架[7]。HABERSTROH等利用三維打印法制備了PLGA、磷酸三鈣(TCP)/膠原和TCP/膠原/殼聚糖復合水凝膠3種骨支架[8]。HAO等利用單噴頭低溫沉積制造技術制備出孔隙率為90%、孔隙直徑為300～350 μm的PLGA/β-TCP支架[9]。XU等以珍珠粉/PLGA為原料，利用低溫沉積制造法制備出一種新型骨支架[10]。雖然快速成型法制備的多孔支架形狀、孔隙率等可以預先設計，但對工藝操作的要求較高，過程中不易實現(xiàn)對孔徑和孔隙率的控制。

1.5靜電紡絲法

靜電紡絲法使用電場來控制聚合物纖維生成，然后將纖維沉積到一個基板上，得到三維多孔支架。過程中聚合物溶液或熔融的聚合物會造成電荷不平衡，在溶液中施加一足夠高的電壓，產生的靜電壓力抵消了表面張力和液體的拉伸力，在臨界點處液流從表面爆發(fā)出來，產生泰勒錐。當液體分子凝聚力足夠高時，可產生帶電的液體流束，電場指引液體流束到達基板，溶劑蒸發(fā)，產生纖維。靜電紡絲法工藝簡單，應用范圍廣，可制備納米和微米級孔徑的多孔支架。

JEONG等利用該技術制備出了海藻酸鈉/殼聚糖納米纖維支架，隨著殼聚糖含量的增加，支架的溶脹程度有所下降[11]。DHANDAYUTHAPANI等利用靜電紡絲法制備出殼聚糖/明膠共混支架，研究了聚合物溶液性質和工藝參數(shù)對纖維的影響[12]。SHALUMONA等利用此技術制備了殼聚糖/聚己內酯納米纖維支架，殼聚糖改善了支架的親水性，增加了其活性和對蛋白質的吸收[13]。

2 組織工程三維支架超臨界流體制備方法

傳統(tǒng)工藝雖然在三維多孔支架制備中取得了一定的研究進展，但總存在這樣或那樣的不足或缺點。基于超臨界流體的一些特殊性質：超臨界流體性質介于液體和氣體之間，其密度接近于液體，具有較大的溶解能力；其黏度接近于氣體，具有較好的流動性；改變超臨界流體的溫度和壓力，可以很大程度地改變其溶解性能；僅對超臨界流體改變操作條件(溫度和壓力)就可以方便地對實驗過程進行有效控制，一些學者開始致力于基于超臨界流體技術的組織工程用三維多孔支架制備研究工作[14-15]。

2.1超臨界CO2發(fā)泡法

超臨界CO2發(fā)泡法是將超臨界CO2溶解于聚合物熔體中，并使其飽和形成均相體系，然后通過泄壓或升溫的方法快速改變超臨界CO2在聚合物中的溶解度，使其進入熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，從而誘導大量的氣核在聚合物基體中形成而得到微孔結構。超臨界CO2發(fā)泡法過程很簡單，通常不用加入有機溶劑，但是不容易控制多孔結構的尺寸和形狀，因為發(fā)泡過程中孔的體積增大，外表面不會形成孔，孔與孔間的相通性差。

SANTO等利用該方法制備出用來裝載血小板溶解產物納米粒子的PDLLA多孔支架，將分離出的細胞移植在該支架上，發(fā)現(xiàn)細胞可以維持生存能力[16]。YANG等制備出碳酸丙烯酯(PPC)多孔支架，加入一定量的氧化石墨烯提高熱機械性能以滿足組織工程的需要[17]。劉倩倩等利用此方法制備出PLGA共聚物的多孔結構[18]。

2.2超臨界CO2乳劑制模法

超臨界CO2乳劑制模法是PARTAP等在傳統(tǒng)乳劑制模技術的基礎上改進形成的[19]。利用超臨界CO2不但可以作為制模的“油相”，而且可以作為從螯合形式釋放Ca2+和藻朊酸鹽交叉連接形成多孔水凝膠的酸性源。利用該技術已經成功制備了連通性好的多孔網狀三維水凝膠支架，且多為開孔結構，并且與BUTLER等用乳劑制模法技術制得的支架平均孔徑相似[20]。BING等用氟素表面活性劑制備出多孔CaCO3和聚丙烯酰胺的復合材料支架[21]。

超臨界CO2乳劑制模法是一種制備三維聚合物多孔結構的技術，在制孔過程中往往使用大量的有機溶劑。

2.3超臨界CO2靜電紡絲法

超臨界CO2靜電紡絲法仍然是在傳統(tǒng)靜電紡絲基礎上形成的。在該過程中，將聚合物溶液或熔融液注入到充滿近臨界或超臨界CO2的貯液罐中，在超臨界CO2的作用下，聚合物黏度降低，更易軟化，易于聚合物纖維的形成。操作過程易于控制，與傳統(tǒng)技術相比，操作溫度低，制備的多孔支架孔徑可控，孔隙率更高。

LEE等發(fā)現(xiàn)在靜電紡絲室中充滿超臨界CO2時聚合物會軟化，同時黏度降低[22]。超臨界CO2不僅代替了有機溶劑，而且也提高了纖維的質量，避免了聚合物結節(jié)的產生，利用該技術制備了聚二甲硅氧烷和聚乳酸纖維。MCHUGH等描述了近臨界和超臨界CO2在靜電紡絲過程中的應用，并且制備出形狀新穎的聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)開孔纖維[23]。

超臨界CO2靜電紡絲法是組織工程應用很廣泛的一種方法，適合于生產膜結構，優(yōu)點主要是運行速度快、溶劑消除完全、能生產出多孔細絲，但是機械阻力大、結構孔隙率不易控制。

2.4超臨界輔助相分離法

超臨界輔助相分離法就是將聚合物溶于有機溶劑中，然后澆鑄在水溶性的固態(tài)制孔劑上，通過熱誘導相分離得到聚合物凝膠，超臨界CO2在循環(huán)流動時不斷帶走有機溶劑，并且干燥凝膠，再用水洗掉制孔劑，從而得到多孔結構。

NAM等運用此方法制備了各向同性的聚乳酸多孔支架，并且還得到了含有生物活性分子的PLGA支架結構[24]。超臨界輔助相分離法已經可以用來得到高分子膜結構，這種結構用于過濾過程、催化過程和藥物控制釋放過程等。DUARTE等利用此方法制備出淀粉基聚合物多孔結構，其特殊的微觀結構提高了運輸特性，同時增強了細胞的黏附和增殖[25]。用此方法還制備了PLLA支架，并在支架中加入活性玻璃來提高它的機械性能。

該方法的主要缺點是很難獲得三維結構，但是可以得到膜結構。

2.5超臨界CO2溶劑去除法

超臨界CO2溶劑去除法是將聚合物溶于有機溶劑中，同時加入合適的制孔劑，利用超臨界CO2進行蒸發(fā)或凍干等方法去除有機溶劑，然后再把制孔劑瀝濾出來，得到聚合物多孔支架。

WEI等利用該方法制備了高孔隙率的PLLA和PLLA/羥基磷灰石(HA)復合支架，該方法易于得到高孔隙率和連通性好的支架[26]。但在支架后續(xù)處理中，支架內部有機溶劑的消除、制備周期長等為該技術的應用帶來一定的困難。

2.6離子液體聚合物混合干燥法

一些生物聚合物如殼聚糖等一般難于甚至不能溶于普通的有機溶劑中，利用上述方法很難得到這些生物材料的多孔支架。如果能將其溶于離子液體，則可以大大增加這些生物聚合物的應用范圍。而離子液體聚合物干燥法正是在該基礎上提出來的。TSIOPTSIAS等利用1-甲基-3-丁基咪唑三氟乙酸鹽(BmimC)離子液體制備了含有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微粒和HA納米微粒的纖維素多孔結構，在室溫下保存24 h凝結，將其浸入水和甲醇離子液體消除溶劑，以二氯甲烷瀝濾PMMA微粒，即可得到互聯(lián)互通的纖維素多孔結構[27]。利用該方法，研究人員還將甲殼素溶解在1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽(BmimAc)中，形成凝膠，再將其浸入到乙醇中，將大量的BmimAc清除掉，通過索氏提取，在超臨界CO2和不同濃度乙醇的抽取下，最終得到甲殼素的多孔三維結構[28]。

3 展 望

組織工程在人體修復方面開辟了一條新的道路。組織工程中，三維多孔支架起著中心作用，它為特定的細胞提供結構支撐，同時起到模板作用，引導組織再生。針對組織工程用三維多孔支架的傳統(tǒng)制備技術和超臨界流體技術及其研究成果進行了總結和歸納，綜述了各不同制備技術的優(yōu)點及存在的不足。

超臨界流體技術多是在傳統(tǒng)技術的基礎上發(fā)展起來的，但由于其依靠超臨界流體的諸多特性，使得形成的新的超臨界流體技術呈現(xiàn)結構可控、工藝簡單、制備周期大大縮短等優(yōu)點，因此在組織工程支架制備方面展示了較好的應用前景。在支架制備技術上，雖然已經取得了一定的成果，但要想將組織化人工器官實現(xiàn)臨床上的成功應用，仍有很長的路要走，在多孔支架的制備方面也需要研究者進行更深入的研究和發(fā)展。

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Research progress of preparation technology for three-dimensional tissue engineering porous scaffold

JIANG Jingzhi， JIA Chao， GUO Yanshu

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

The preparation technologies and research results of three-dimensional porous scaffolds for tissue engineering in recent years are reviewed. The traditional technology includes microspheres sintering method, solvent casting/particulate leaching method, thermal induced phase separation/freeze drying, electrostatic spinning method, particle drain out method, melt casting, and rapid casting. Technologies based on supercritical fluids include supercritical CO2gas foaming method, supercritical CO2emulsion molding method, supercritical CO2electrostatic spinning method, supercritical auxiliary phase separation method, processes based on solvent elimination by supercritical CO2and drying of ionic liquid-polymer mixtures. The broad prospect for development of supercritical fluid technology in the preparation of tissue engineering scaffolds is commented.

tissue engineering; 3-D porous scaffold; preparation technologies; supercritical fluids

1008-1534(2014)02-0152-04

2013-07-27;

2013-09-11

河北省自然科學基金(2012208049)；河北科技大學實驗開放項目

蔣靜智(1972-)，女，河北阜城人，副教授，博士，主要從事超臨界流體技術方面的研究。

E-mail：jjzhi2000@126.com

TQ174

A

10.7535/hbgykj.2014yx0205

責任編輯：張士瑩

蔣靜智，賈 超，郭彥書.組織工程用三維多孔支架制備技術研究進展[J].河北工業(yè)科技，2014，31(2)：152-155.

JIANG Jingzhi， JIA Chao， GUO Yanshu.Research progress of preparation technology for three-dimensional tissue engineering porous scaffold[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(2):152-155.