粒子沥滤法制备多孔PLLA组织工程支架及降解性能研究

赵 娜，于佳禾，马志刚，胡 生，查汪艺

(湖北理工学院 化学与化工学院，湖北 黄石 435003)

粒子沥滤法制备多孔PLLA组织工程支架及降解性能研究

赵 娜，于佳禾，马志刚，胡 生，查汪艺

(湖北理工学院 化学与化工学院，湖北 黄石 435003)

选用左旋聚乳酸(PLLA)为原料，CHCl3为溶剂，NaCl颗粒为致孔剂制备多孔PLLA支架。通过降解实验研究了降解过程中支架吸水率、失重率、降解液pH值、拉伸强度和断裂伸长率的变化。实验结果表明：所制备的支架是互相贯通的多孔结构；随着降解时间的增加，支架吸水率和失重率呈现明显上升趋势，降解液pH变化量逐渐上升，斜率基本保持不变，支架的强度和断裂伸长率快速衰减，制备的PLLA组织工程支架具有良好的可降解性。

组织工程支架；左旋聚乳酸；多孔；降解

0 引言

组织工程学的核心是构建一个用生物材料和体内细胞组成的有活力的活体组织，起到对受损器官的重新建立，并使其恢复结构功能和原本形态的作用[1-2]。

组织工程中的支架材料能够为细胞生长提供依附，使细胞或组织的生长更为便利。细胞的生长需要足够的营养物质和能够完成代谢的场所，所以组织工程支架需要有相互贯通的多孔结构和适合的力学性能为细胞提供支撑和生长的空间。支架材料在完成修复和替代体内的组织或器官后要可降解，在降解过程中产生的降解产物对人体无大的影响，生物相容性高[1-3]。

组织工程支架的制备方法有纤维粘接法、溶剂浇铸/粒子沥滤法[4]、乳化/冷冻干燥法[5]、烧结微球法[6]、气体发泡法[7]、3D 打印技术[8-9]、熔融沉积制造技术[10]等。

本研究选用溶剂浇铸/粒子沥滤法制备组织工程支架[4]，此方法简单、易操作，能够制备出孔径和孔隙率均可控的组织工程支架。该方法是用无机盐粒子、冰晶粒、石蜡等不溶于有机溶剂的颗粒作为致孔剂制备多孔支架，能够通过改变致孔剂的量调节孔隙率，改变致孔剂粒子的尺寸以改变孔隙大小[11]。其缺点是无法控制孔隙形状，孔隙间的关联性不高。

左旋聚乳酸(PLLA)是一种特殊的具有优秀生物相容性和生物降解性的高分子材料，在体液中可以通过酯键水解实现降解，降解产物能被生物体吸收和代谢，最终产物为CO2和H2O。PLLA是被FDA批准的可用于人体的可降解高分子材料，已被广泛地应用于生物医药领域，如药物控制释放系统、骨科内固定装置、细胞培养和医疗外科缝合线[12-13]等，是一种制备组织工程支架的理想材料。

本研究选用PLLA为原料，CHCl3为溶剂，NaCl颗粒为致孔剂制备多孔组织工程支架，并详细研究其力学性能和降解性能，为PLLA组织工程支架的应用提供部分数据支持。

1 实验部分

1.1 基本原理

本实验采用的方法为Mikos等提出的溶剂浇铸-粒子沥滤法[4]，溶剂浇铸与粒子沥滤结合可制备出孔径可控的聚合物支架。首先将PLLA溶于CHCl3中，混入一定量研磨好的NaCl颗粒，待CHCl3挥发后用水将支架内的NaCl固体颗粒溶解出来，原先NaCl颗粒占据的位置就形成了无规则的孔隙，从而制备出多孔PLLA支架。

1.2 原料及仪器

1)原料：NaCl(分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)；KH2PO3(分析纯，天津市广成化学试剂有限公司)；Na2HPO3·12H2O(分析纯，西陇化工股份有限公司)；PLLA(重均分子量：26万～36万)。

2)仪器：扫描电子显微镜(SU8000，Hitachi)；微机控制电子万能试验机(CMT413，深圳市新三思材料检测有限公司)；精密pH计(PHS-W，上海般特仪器有限公司)；培养箱(PH030A，上海一恒科学仪器有限公司)。

1.3 支架的制备

称取PLLA粉末50 g，称取并研磨NaCl颗粒10 g，充分混合。加入CHCl3溶剂200 mL，充分搅拌使其溶解形成粘稠液体。将液体倒入玻璃模具中，室温晾置24 h使表面CHCl3完全挥发。将支架固体裁成1 cm宽的条状，放入干燥箱内1 d，在65 ℃下干燥去除残留CHCl3溶剂。取出干燥后的支架，浸泡于蒸馏水中去除支架内的NaCl颗粒，在此过程中每6 h换1次蒸馏水，持续24 h。再将支架进行干燥完全去除支架内的水分。

1.4 支架的染色观察

将实验制备的支架样品做好标记，放入充满染色剂的烧杯中，使样品完全浸泡在染色剂中。将玻璃杯密封，使支架在溶液中浸泡24 h后，取出支架，室温下干燥，将支架切开观察支架中心是否被染色，以此来确定支架内微孔的连通性。

1.5 支架的微观形貌分析

用液氮冷却支架样品，淬断，用扫描电镜(SEM)观察样品淬断面的微观形貌。

1.6 支架的降解

将1.65 g KH2PO3和19.53 g Na2HPO3·12H2O溶解在1 000 mL水中配置成pH值为7.4的磷酸盐缓冲溶液。

将制备好的组织工程支架裁剪成宽度为1 cm、长度为8 cm左右的支架样本36份，全部称重(Wb)，分装在12个降解瓶内，加入配置好的降解液，放入培养箱中，培养箱温度设置为70 ℃。每过24 h取出1个降解瓶，将支架样品取出，擦干表面的水分，称重(Ww)，再放入干燥箱内干燥，完全干燥后再称重(Wd)。

按公式(1)计算吸水率(Wm)：

Wm=(Ww-Wd)/Wb×100%

(1)

按公式(2)计算失重率(Wl)：

Wl=(Wb-Wd)/Wb×100%

(2)

1.7 拉伸强度的测定

用电子游标卡尺测量样品的宽度和厚度，用电子万能试验机测试支架材料的拉伸强度和断裂伸长率，平行测3次，3次数据进行算术平均。实验拉伸速率均为 2.0 mm/min。

按公式(3)计算拉伸强度：

б=F/A0

(3)

其中б为拉伸强度(MPa)；A0为初始横截面积(m2)；F为拉伸力(N)。

断裂伸长率的计算公式为：

ε=△L/L

(4)

其中△L=L-L0；L为样品断裂时的长度；L0是原始长度。

2 结果与讨论

本研究用NaCl做致孔剂制备PLLA组织工程支架，研究支架的内部形貌、力学性能和降解性能，探究降解时间对支架的影响。

2.1 多孔PLLA组织工程支架的表面形貌分析

通过溶剂浇铸-粒子沥滤法可以制备出具有一定厚度的多孔PLLA组织工程支架，PLLA多孔支架如图1所示。将制备的多孔PLLA组织工程支架在染色剂下染色，染色后的支架内部形貌如图2所示，切开样品，晾干后肉眼观察支架内部的染色情况。

由图2可以看出，支架内部存在不规则的孔隙，这是由于NaCl颗粒被蒸馏水溶解之后所形成，且已经均匀地染色，说明染色剂可以从支架表面进入内部，证明所制备的支架是三维贯通的多孔结构[14]。支架断面的扫描电镜照片如图3所示，从图3中可以看出，支架内部存在很多大小不一的孔洞，大孔洞内壁还存在很多更小的孔洞，说明所制备的支架是三维多孔结构。但是孔洞结构在支架中分布不均匀，且孔径差别较大，在将来的研究中需要调整实验条件，获得孔洞结构分布更均匀的支架。从图3中还可以看到少量颗粒状物质，可能是未完全溶出的NaCl颗粒。

2.2 支架降解性能考察

将降解一定时间的样品支架从降解瓶中取出，用滤纸轻轻擦去支架表面的降解液，分别称取质量，然后放入真空烘箱干燥24 h后取出，测其质量并按照公式(1)计算吸水率，降解过程中平均吸水率的变化曲线如图4所示。

由图4可知，吸水率随降解时间的延长呈现上升趋势。这是由于随着降解的进行，PLLA分子链发生断裂后降解为分子量更小的分子，降解过程是由PLLA中酯键的水解引起的，而酯键水解将产生羧基和羟基，造成降解产物的亲水性增加，因而吸水率增加。随着降解进行，更多的酯键水解，降解产物会吸收越来越多的降解液，因而吸水率迅速增加。

测量降解前后样品的质量，按照公式(2)计算失重率，降解过程中平均失重率的变化曲线如图5所示。

由图5可知，失重率随着降解过程的进行迅速增大，这是由于支架中存在孔隙，使降解液很容易渗入，导致降解过程在支架内部和表面同时进行。当降解较长时间以后，降解产物分子量已很小，当小到可以溶于水时，低分子量降解产物就会溶解进入降解液中，支架就会出现质量的降低。降解时间越长，低分子量的降解产物含量越大，因而支架质量越小，使得支架的失重率逐渐增加。

随着降解的进行，越来越多的酸性降解产物溶解在降解液中，会对降解液的pH值产生影响，可以通过测定降解前后降解液的pH值来考察降解液的pH值变化。将降解前降解液的pH值减去降解后降解液的pH值，可得降解液pH值的变化量，降解过程中降解液pH变化曲线如图6所示。

由图6可知，随着降解时间的增加，降解前后降解液pH值的变化量越来越大。这是由于PLLA降解产生的小分子降解产物乳酸及其不同聚合度的低分子量聚乳酸溶解在降解液之中，使得降解液的pH值不断下降。随着降解时间延长，降解产物中乳酸的含量逐渐增加，因而降解液的pH值逐渐下降。

由于实验时间限制，本次降解实验选择在70 ℃进行，这样可以在较短时间内观察到样品各种性能的变化。但是预计结果和在37 ℃进行长时间的降解相比是不同的。因为在较高温度下短时间内降解，低分子量的酸性降解产物可能没有足够的时间从材料内部扩散进入降解液，从而导致降解液的酸性上升程度会低于在37 ℃进行的长时间降解。

将降解后的支架利用万能力学试验机进行拉伸性能的测试，由于降解时间超过3 d的样品十分脆弱，已无法进行拉伸强度测试，所以本次实验只选取降解前3 d的样品进行拉伸强度的测定。

PLLA组织工程支架的原始拉伸力学性能曲线如图7所示。从图7中可以看出，支架的断裂为脆性断裂，表明PLLA组织工程支架是脆性材料，这是因为PLLA材料本身属于脆性材料，而且组织工程支架内部充满大小不同的孔隙，受力时，这些孔隙较薄弱，支架的断裂容易从此处开始。

用公式(3)计算拉伸强度，降解过程中拉伸强度的变化如图8所示。

由图8可知，随着降解时间的增加，支架的拉伸强度急剧下降，这是由于随着降解时间的增加，PLLA分子量降低，且降解过程使支架表面和内部出现更多的缺陷，导致样品强度下降。

用公式(4)计算断裂伸长率，断裂伸长率可反映支架的韧性好坏，一般来说，断裂伸长率越高，材料韧性越好。降解过程中断裂伸长率的变化曲线如图9所示。

由图9可知，随着降解时间的增加，支架的断裂伸长率急剧下降，说明支架韧性越来越低。这同样是由降解过程中支架的分子量下降和缺陷的产生所造成。

综合以上数据可知本实验所制备的多孔PLLA组织工程支架具有良好的可降解性，可以满足组织工程支架的初步要求。

3 结论

本研究使用粒子沥滤法制备多孔PLLA组织工程支架，对制备好的支架进行表面形貌的观察并进行降解实验，考察了降解过程中样品的吸水率、失重率、拉伸强度和降解液pH值的变化，得到的主要结论总结如下：

根据支架外貌和在显微镜下的观察可以看出，支架内部存在很多无规则的孔隙，这是NaCl颗粒溶解之后形成的，证明制备的支架为多孔结构。从染色实验结果中看出染色剂可以进入支架内部，证明支架的孔洞结构是互相贯通的。

经过12 d在70 ℃温度下的降解实验，可以得到以下结论：

1)支架的吸水率随降解时间的增加呈现上升趋势。

2)随着降解时间的延长，越来越多的低分子降解产物溶解进入降解液，因此支架失重率呈现上升的趋势，降解液的pH值不断下降。

对降解不同时间的样品进行了力学性能测试，得到的主要结论如下：

1)随着降解时间的增加，PLLA分子量变小，缺陷增多，因而拉伸强度急剧下降。

2)降解后材料变脆，支架的韧性呈现明显的下降趋势。

综上所述，本研究制备的多孔PLLA组织工程支架孔洞互相贯通，具有良好的可降解性，可为PLLA组织工程支架更好的应用提供部分数据支持。

[1] 方丽茹，翁文剑，沈鸽.骨组织工程支架及生物材料研究[J].生物医学工程杂志, 2003,20(1):148-152.

[2] 顾忠伟.生物材料科学[M].2版.北京：科学出版社,2011：251-252.

[3] 李玲,向航.功能材料与纳米技术[M].北京：化学工业出版社,2002:225-226.

[4] MikosAG,BaoY,CimaLG,etal.Preparationofpoly(glycolicacid)bondedfiberstructuresforcellattachmentandtransplantation[J].JournalofBiomedicalMaterialsResearch,1993,27:183-189.

[5] Tu CF,Cai Q,Yang J,et al.The fabrication and characterization of poly (lacticacid) scaffolds for tissue engineering by improved solid-liquid phase separation[J].Polymers for Advanced Technology,2003,14:565-573.

[6] Borden M,Attawia M,Laurencin CT,et al.Tissue engineered microsphere-based matrices for bone repair,design and evaluation[J].Biomaterials,2002,23:551-559.

[7] 邓政兴,张润,李立华,等.生物材料制备新方法-超临界流体技术[J].化学世界,2004,45(2):99-102.

[8] Park A,Wu B,Griffith LG.Integration of surface modification and 3-D fabrication techniques to prepare patterned poly (L-lactide) substrates allowing regionally selective cell adhesion[J].Journal of Biomaterials Science Polymer Edition,1998,9(2):89-l10.

[9] 曹雪飞,宋朋杰,乔永杰, 甄平.3D打印骨组织工程支架的研究与应用.中国组织工程研究, 2015,19(25):4076-4080.

[10] Hutmacher DW.Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage[J].Biomaterials,2000,21:2529-2543.

[11] 薛丽,聂涛涛,马海云.聚乳酸组织工程支架结构的精密调控.高等学校化学学报,2015,36(7):1409-1415.

[12] 盛敏刚,张金花,李延红.环境友好新型聚乳酸复合材料的研究及应用[J].资源开发与市场,2007,23(11):1012-1014,1028.

[13] 陈蕾,戴红莲,闫玉华.聚乳酸及其复合材料的研究进展[J].生物骨科材料与临床研究,2005,2(4):45-48.

[14] Anita W,Shum T,Artuhur F Morphological and biomechanical characterization of poly (glycolic acid) scaffolds after in vitro degradation[J].Polymer Degradation and Stability,2003,81(1):141-149.

(责任编辑 高 嵩)

Preparation of Porous PLLA Scaffolds Using Particle-leaching Method and Study on Degradation Properties

ZhaoNa,YuJiahe,MaZhigang,HuSheng,ZhaWangyi

(School of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

In this paper,PolyL-lactic acid (PLLA) was chosen as the raw material,CHCl3as solvent,sodium chloride particles as pore forming agent to prepare porous PLLA scaffolds.The water absorption,weight loss rate,pH value,tensile strength and elongation at break of tissue engineering scaffold during degradation were studied by degradation experiments.The experimental results showed that the prepared scaffolds were interpenetrating porous structure,along with the increase in degradation time,both water absorption and weight loss rate showed a clear upward trend,which showed that the scaffold was obviously degraded in the degradation solution.The pH value of the degradation solution increased steadily and the gradient stayed the same.The strength and the breaking elongation of the scaffold rapidly decreased as the degradation process was carried out.The PLLA tissue engineering scaffolds had good biodegradability.

tissue engineering scaffold;PLLA;porous;degradation

2016-10-13

湖北省自然科学基金面上项目(项目编号：2012FFC020)；湖北理工学院校级科学研究项目(项目编号：11yjz03R)；湖北省教育厅科研计划指导性项目(项目编号；B20123004)。

赵娜，副教授，博士，研究方向：生物可降解医用高分子材料。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.02.007

O631.2+2

A

2095-4565(2017)02-0028-05