改进粒子沥滤法制备PLA径向梯度多孔支架

张裕刚，龚兴厚，吴述平，蒋久信，张高文，刘嘉宁

（湖北工业大学化学与环境工程学院，湖北 武汉430068）

可降解聚合物多孔支架的孔尺寸不仅对细胞的粘附、迁移和生长有重要影响，而且也会影响组织的生长和再生［1－2］.要满足不同组织细胞的良好生长，则需要提供具有不同孔尺寸的支架［3］.为了研究不同孔尺寸对某一组织细胞生长情况的影响，研究者采用三维打印［4］、纺丝法［5］、离心法［6］、相分离法［7］、叠层法等方法制备了孔径轴向／径向梯度变化的多孔支架材料.在前期的研究中，本课题组采用溶剂浇铸／真空挥发／粒子沥滤法（solvent casting／vacuu m volatilization／porogen leaching，SC／VV／PL）制备了结构均匀的三维多孔支架［9－10］.本方法不仅克服了传统的SC／PL方法只能制备厚度2 mm左右的薄膜样品的缺点，而且能更快更彻底地挥发掉有机溶剂.在此基础上，还利用同一装置，采取LBL方法制备了孔径轴向梯度变化的多孔支架［11］.本研究依然采用前期研究工作中的主体装置，借助不同内径的布氏漏斗作模具，经过二次浇铸工艺制备了孔径、孔隙率径向梯度变化的多孔支架，对支架孔的形貌、孔隙率和压缩模量等进行研究.

1 实验部分

1.1 实验原料

聚乳酸（PLA），M（Mn）＝80 kg／mol，Tg＝57℃、Tm＝160℃，深圳市光华伟业实业有限公司；氯仿，分析纯，天津市福晨化学试剂厂；无水乙醇，分析纯，国药集团化学试剂有限公司.Na Cl，分析纯，国药集团化学试剂有限公司，经分级筛研磨成粒径范围为：＜210μm；210～310μm；310～420μm.

1.2 梯度多孔支架的制备

本实验采用改进的溶液浇铸／粒子沥滤法［9］制备孔径径向梯度变化的多孔支架（图1）：实验室的温度控制在（27±2）℃，将筛分好的Na Cl颗粒加入PLA的氯仿溶液（质量分数为10%）中，充分搅拌使Na Cl分散均匀；然后将糊状的混合物小心转入带吸滤瓶的布氏漏斗中（图1a），并用活塞密封漏斗，布氏漏斗中间放置的一端封闭的玻璃管是为了控制所成型的产物为圆筒状样品；装置静置20 min，待混合物的表面流平后，将吸滤瓶与真空泵连接，使剩下的溶剂在（0.08±0.01）MPa的压力下从混合物的下表面挥发（图1b）；待挥发完溶剂，从布氏漏斗中取出PLLA／NaCl复合物，移除玻璃管，得到圆筒状样品（图1c）；然后将圆筒状样品再次放入另一较大内径的布氏漏斗中，在圆筒中加入第二种PLLA／CHCl3／Na Cl混合物，在圆筒与布氏漏斗之间填充第三种PLLA／CHCl3／NaCl混合物（图1d）；再次经静置、真空挥发过程得到三层的PLLA／Na Cl复合物（图1e、f）；将复合物浸入去离子水中，每4 h换一次水，直到置换出的水中用硝酸银溶液检测不到氯离子为止；最后将多孔支架置于鼓风干燥机中30℃干燥24 h，再转入真空干燥箱于30℃下干燥24 h，所有样品存放于真空干燥器中避免降解.将样品径向从内到外的三层分别记为L1、L2和L3，混合物中PLA用量、Na Cl用量和粒径见表1.

图1 制备原理图

表1 不同层的NaCl孔径及用量

为了准确测定各层的孔隙率、孔径和力学性能，采用SC／VV／PL［10］方法、按各层的组成另外制备结构均匀的三维支架样品，利用这些组成均匀的样品的性能来代表梯度材料各层的相关性能.

1.3 性能测试

采用液体置换法［11－12］测定支架的孔隙率.测试原理：将重量wdry干燥的多孔支架放入玻璃瓶中，连接真空泵抽真空，用注射器将乙醇注入玻璃瓶中，快速通入大气，使乙醇在压力作用下进入支架空隙，通过数次抽真空／通大气过程使支架中空隙完全被乙醇占满.然后将此支架放入一个预先已经盛满乙醇的称量瓶中，称重wwet，孔隙率

式中：wdry为支架干重；wwet为支架湿重；ρPLA为聚乳酸密度，1.270 g／mL；ρethanol为无水乙醇密度，0.790 g／mL.所测得的孔隙率结果均由软件Orign 7.0分析得到其平均值和标准偏差.

从剖开的圆柱状梯度样品的中心部位取样，使用TGA（Perkin－El mer TGA－7）检测支架中溶剂和致孔剂的残留质量，试验温度为20～400℃，升温速率10 K／min，氮气流速为20 mL／min，样品重量为12 mg，利用Per kin－El mer软件计算微分热失重曲线（DTGA）.

用手术刀沿圆柱横截面切取2～3 mm厚的样品，切面喷金，在20 k V下用扫描电子显微镜（JSM－6390LV，日本JEOL公司）下观察支架横截面的孔形貌；平均孔尺寸利用图片分析软件Nano measurer 1.2.5对SEM 照片进行分析得出.

用钻孔器钻取直径13.0 mm，高度15.0 mm的圆柱形样品，利用材料蠕变试验机（Creep Testing Machine，CMT－4204，MTS SYSTEMS CO.LTD）在室温下测试支架的压缩弹性模量，每组测试5个样品取平均值并分析其标准偏差.

2 结果与讨论

图2为PLA原料和梯度支架样品的TGA与DTGA曲线，PLA原料和多孔PLA支架的TGA与DTGA曲线非常类似，最大热失重速率均在270～400℃之间，当温度达到400℃时，重量损失均约为100%，这一结果说明多孔支架中没有明显的致孔剂和溶剂残留.在以往研究中，本方法所制备的多孔支架经MTT法检测也证实不具有细胞毒性［10］.

图2 PLA原料和梯度支架样品

图3为支架扫描电镜照片，由从圆心向圆周拍摄的多张图片组合而成.从图中可以看出：支架断面上均匀分布着大小不同的孔，且孔与孔之间具有良好的相互连通性；孔径从圆心到圆周逐渐变大，呈现明显的梯度结构；在层与层之间不存在明显的界限.由此可见本方法能够成功制备出孔径梯度变化的多孔支架.

图3 支架扫描电镜照片

图4是梯度多孔支架不同层的应力－应变曲线.在较小应力作用下，材料显示线性弹性行为，当应变继续增大（30%～40%），应力较为均匀地增加，但应变大于40%后，应力迅速增加.梯度支架不同层的平均孔径、孔隙率及压缩模量如图5所示.

图4 支架不同层的应力－应变曲线

图5 支架不同层的平均孔径、孔隙率及压缩模量

从图中可以看出：孔径与所采用的Na Cl粒径相符，说明支架中的孔是由Na Cl粒子滤除后形成，由此证明可以根据组织工程的需要，通过控制Na Cl粒径来控制梯度支架不同层的孔径；由圆心到圆周的L1、L2、L3层的孔隙率分别为（87.9±1.2）%、（91.4±0.9）%和（94.9±0.5）%，由此可知不同层的孔隙率可以通过致孔剂的用量进行调节，但如果致孔剂所占质量分数太少时，难以完全从支架中滤除；从圆心到圆周，各层的压缩模量呈下降趋势，这主要是由于孔隙率增大造成的.另外，孔径增大导致支架质量分布不均匀，也会对支架力学性能带来不利影响.

3 结论

采用改进的SC／PL法成功制备了孔径、孔隙率径向梯度变化的三维多孔支架，梯度材料各层的孔径、孔隙率可通过调节致孔剂的尺寸及用量进行控制，且支架孔与孔间具有良好的相互连通性；梯度多孔支架的压缩模量处于（1.96±0.24）～（2.40±0.1）MPa之间，致孔剂用量和致孔剂粒径的变化均会导致支架力学性能的变化；TGA测试结果证实支架不存在致孔剂和溶剂残留.

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