改進(jìn)粒子瀝濾法制備PLA徑向梯度多孔支架

張?jiān)偅徟d厚，吳述平，蔣久信，張高文，劉嘉寧

（湖北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

可降解聚合物多孔支架的孔尺寸不僅對(duì)細(xì)胞的粘附、遷移和生長(zhǎng)有重要影響，而且也會(huì)影響組織的生長(zhǎng)和再生［1－2］.要滿足不同組織細(xì)胞的良好生長(zhǎng)，則需要提供具有不同孔尺寸的支架［3］.為了研究不同孔尺寸對(duì)某一組織細(xì)胞生長(zhǎng)情況的影響，研究者采用三維打?。?］、紡絲法［5］、離心法［6］、相分離法［7］、疊層法等方法制備了孔徑軸向／徑向梯度變化的多孔支架材料.在前期的研究中，本課題組采用溶劑澆鑄／真空揮發(fā)／粒子瀝濾法（solvent casting／vacuu m volatilization／porogen leaching，SC／VV／PL）制備了結(jié)構(gòu)均勻的三維多孔支架［9－10］.本方法不僅克服了傳統(tǒng)的SC／PL方法只能制備厚度2 mm左右的薄膜樣品的缺點(diǎn)，而且能更快更徹底地?fù)]發(fā)掉有機(jī)溶劑.在此基礎(chǔ)上，還利用同一裝置，采取LBL方法制備了孔徑軸向梯度變化的多孔支架［11］.本研究依然采用前期研究工作中的主體裝置，借助不同內(nèi)徑的布氏漏斗作模具，經(jīng)過(guò)二次澆鑄工藝制備了孔徑、孔隙率徑向梯度變化的多孔支架，對(duì)支架孔的形貌、孔隙率和壓縮模量等進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

聚乳酸（PLA），M（Mn）＝80 kg／mol，Tg＝57℃、Tm＝160℃，深圳市光華偉業(yè)實(shí)業(yè)有限公司；氯仿，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；無(wú)水乙醇，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.Na Cl，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，經(jīng)分級(jí)篩研磨成粒徑范圍為：＜210μm；210～310μm；310～420μm.

1.2 梯度多孔支架的制備

本實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)的溶液澆鑄／粒子瀝濾法［9］制備孔徑徑向梯度變化的多孔支架（圖1）：實(shí)驗(yàn)室的溫度控制在（27±2）℃，將篩分好的Na Cl顆粒加入PLA的氯仿溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）中，充分?jǐn)嚢枋筃a Cl分散均勻；然后將糊狀的混合物小心轉(zhuǎn)入帶吸濾瓶的布氏漏斗中（圖1a），并用活塞密封漏斗，布氏漏斗中間放置的一端封閉的玻璃管是為了控制所成型的產(chǎn)物為圓筒狀樣品；裝置靜置20 min，待混合物的表面流平后，將吸濾瓶與真空泵連接，使剩下的溶劑在（0.08±0.01）MPa的壓力下從混合物的下表面揮發(fā)（圖1b）；待揮發(fā)完溶劑，從布氏漏斗中取出PLLA／NaCl復(fù)合物，移除玻璃管，得到圓筒狀樣品（圖1c）；然后將圓筒狀樣品再次放入另一較大內(nèi)徑的布氏漏斗中，在圓筒中加入第二種PLLA／CHCl3／Na Cl混合物，在圓筒與布氏漏斗之間填充第三種PLLA／CHCl3／NaCl混合物（圖1d）；再次經(jīng)靜置、真空揮發(fā)過(guò)程得到三層的PLLA／Na Cl復(fù)合物（圖1e、f）；將復(fù)合物浸入去離子水中，每4 h換一次水，直到置換出的水中用硝酸銀溶液檢測(cè)不到氯離子為止；最后將多孔支架置于鼓風(fēng)干燥機(jī)中30℃干燥24 h，再轉(zhuǎn)入真空干燥箱于30℃下干燥24 h，所有樣品存放于真空干燥器中避免降解.將樣品徑向從內(nèi)到外的三層分別記為L(zhǎng)1、L2和L3，混合物中PLA用量、Na Cl用量和粒徑見(jiàn)表1.

圖1 制備原理圖

表1 不同層的NaCl孔徑及用量

為了準(zhǔn)確測(cè)定各層的孔隙率、孔徑和力學(xué)性能，采用SC／VV／PL［10］方法、按各層的組成另外制備結(jié)構(gòu)均勻的三維支架樣品，利用這些組成均勻的樣品的性能來(lái)代表梯度材料各層的相關(guān)性能.

1.3 性能測(cè)試

采用液體置換法［11－12］測(cè)定支架的孔隙率.測(cè)試原理：將重量wdry干燥的多孔支架放入玻璃瓶中，連接真空泵抽真空，用注射器將乙醇注入玻璃瓶中，快速通入大氣，使乙醇在壓力作用下進(jìn)入支架空隙，通過(guò)數(shù)次抽真空／通大氣過(guò)程使支架中空隙完全被乙醇占滿.然后將此支架放入一個(gè)預(yù)先已經(jīng)盛滿乙醇的稱量瓶中，稱重wwet，孔隙率

式中：wdry為支架干重；wwet為支架濕重；ρPLA為聚乳酸密度，1.270 g／mL；ρethanol為無(wú)水乙醇密度，0.790 g／mL.所測(cè)得的孔隙率結(jié)果均由軟件Orign 7.0分析得到其平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差.

從剖開的圓柱狀梯度樣品的中心部位取樣，使用TGA（Perkin－El mer TGA－7）檢測(cè)支架中溶劑和致孔劑的殘留質(zhì)量，試驗(yàn)溫度為20～400℃，升溫速率10 K／min，氮?dú)饬魉贋?0 mL／min，樣品重量為12 mg，利用Per kin－El mer軟件計(jì)算微分熱失重曲線（DTGA）.

用手術(shù)刀沿圓柱橫截面切取2～3 mm厚的樣品，切面噴金，在20 k V下用掃描電子顯微鏡（JSM－6390LV，日本JEOL公司）下觀察支架橫截面的孔形貌；平均孔尺寸利用圖片分析軟件Nano measurer 1.2.5對(duì)SEM 照片進(jìn)行分析得出.

用鉆孔器鉆取直徑13.0 mm，高度15.0 mm的圓柱形樣品，利用材料蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)（Creep Testing Machine，CMT－4204，MTS SYSTEMS CO.LTD）在室溫下測(cè)試支架的壓縮彈性模量，每組測(cè)試5個(gè)樣品取平均值并分析其標(biāo)準(zhǔn)偏差.

2 結(jié)果與討論

圖2為PLA原料和梯度支架樣品的TGA與DTGA曲線，PLA原料和多孔PLA支架的TGA與DTGA曲線非常類似，最大熱失重速率均在270～400℃之間，當(dāng)溫度達(dá)到400℃時(shí)，重量損失均約為100%，這一結(jié)果說(shuō)明多孔支架中沒(méi)有明顯的致孔劑和溶劑殘留.在以往研究中，本方法所制備的多孔支架經(jīng)MTT法檢測(cè)也證實(shí)不具有細(xì)胞毒性［10］.

圖2 PLA原料和梯度支架樣品

圖3為支架掃描電鏡照片，由從圓心向圓周拍攝的多張圖片組合而成.從圖中可以看出：支架斷面上均勻分布著大小不同的孔，且孔與孔之間具有良好的相互連通性；孔徑從圓心到圓周逐漸變大，呈現(xiàn)明顯的梯度結(jié)構(gòu)；在層與層之間不存在明顯的界限.由此可見(jiàn)本方法能夠成功制備出孔徑梯度變化的多孔支架.

圖3 支架掃描電鏡照片

圖4是梯度多孔支架不同層的應(yīng)力－應(yīng)變曲線.在較小應(yīng)力作用下，材料顯示線性彈性行為，當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增大（30%～40%），應(yīng)力較為均勻地增加，但應(yīng)變大于40%后，應(yīng)力迅速增加.梯度支架不同層的平均孔徑、孔隙率及壓縮模量如圖5所示.

圖4 支架不同層的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖5 支架不同層的平均孔徑、孔隙率及壓縮模量

從圖中可以看出：孔徑與所采用的Na Cl粒徑相符，說(shuō)明支架中的孔是由Na Cl粒子濾除后形成，由此證明可以根據(jù)組織工程的需要，通過(guò)控制Na Cl粒徑來(lái)控制梯度支架不同層的孔徑；由圓心到圓周的L1、L2、L3層的孔隙率分別為（87.9±1.2）%、（91.4±0.9）%和（94.9±0.5）%，由此可知不同層的孔隙率可以通過(guò)致孔劑的用量進(jìn)行調(diào)節(jié)，但如果致孔劑所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)太少時(shí)，難以完全從支架中濾除；從圓心到圓周，各層的壓縮模量呈下降趨勢(shì)，這主要是由于孔隙率增大造成的.另外，孔徑增大導(dǎo)致支架質(zhì)量分布不均勻，也會(huì)對(duì)支架力學(xué)性能帶來(lái)不利影響.

3 結(jié)論

采用改進(jìn)的SC／PL法成功制備了孔徑、孔隙率徑向梯度變化的三維多孔支架，梯度材料各層的孔徑、孔隙率可通過(guò)調(diào)節(jié)致孔劑的尺寸及用量進(jìn)行控制，且支架孔與孔間具有良好的相互連通性；梯度多孔支架的壓縮模量處于（1.96±0.24）～（2.40±0.1）MPa之間，致孔劑用量和致孔劑粒徑的變化均會(huì)導(dǎo)致支架力學(xué)性能的變化；TGA測(cè)試結(jié)果證實(shí)支架不存在致孔劑和溶劑殘留.

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