组织工程用三维多孔支架制备技术研究进展

蒋静智，贾 超，郭彦书

(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)

组织工程用三维多孔支架制备技术研究进展

蒋静智，贾 超，郭彦书

(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)

综述了近几年组织工程用三维多孔支架的制备技术及研究成果，传统技术包含微球烧结法、溶液浇铸/粒子沥滤法、热致相分离/冷冻干燥法、静电纺丝法、快速成型法等；超临界技术包括超临界CO2发泡法、超临界CO2乳剂制模法、超临界CO2静电纺丝法、超临界辅助相分离法、超临界CO2溶剂去除法、离子液体聚合物混合干燥法等。重点评述了超临界流体技术在组织工程用三维支架制备中的发展前景。

组织工程；三维多孔支架；制备技术；超临界流体

组织工程(tissue engineering)是应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理2种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。组织工程在临床医学上有着诱人的应用前景，包括减少对器官捐献的依赖、减少大的外科修复手术、避免长期化疗等。现今组织工程研究的核心是建立由细胞、生物材料支架和生长因子所构成的三维复合体。其中，由生物材料所构成的细胞支架的作用是为细胞增殖提供空间，使细胞按照生物材料支架的构型在生长因子的作用下分化、增殖，最终成为所要求的组织或器官，达到修复创伤和重建功能的目的。因此，三维多孔支架的制备是组织工程化人体器官的前提条件。本文综述了近几年国内外在组织工程支架制备技术方面的研究成果和研究现状，特别对新兴的超临界流体技术进行了重点介绍。

1 组织工程多孔支架传统制备方法

1.1微球烧结法

微球烧结法往往通过物理或化学作用将制备的微球连接在一起。微球烧结法主要有热力烧结法、溶剂/非溶剂烧结法和微球偶联法。

WANG等利用热力烧结法制备出具备一定孔隙率的聚乳酸-聚乙醇酸共聚物(PLGA)烧结支架[1]。BROWN等采用溶剂/非溶剂法将微球烧结成PLGA支架，支架的孔隙率达到30%，改变溶剂/非溶剂的比例可调节孔隙率[2]。van TOMME等采用微球偶联法，以葡聚糖为原料，制备出了聚合凝胶支架，该支架适合用于注射[3]。

1.2溶液浇铸/粒子沥滤法

溶液浇铸/粒子沥滤法将聚合物溶解在溶剂中，加入一定粒径且不溶于有机溶剂的制孔粒子，形成均匀的有机溶液，将溶液浇铸成型，待溶剂挥发后，形成了支架，再将支架浸入可溶解制孔粒子但不溶解聚合物的溶剂中，将粒子沥出，得到不含粒子的复合高分子支架。

GONG等在此技术基础上加以改进，采用溶剂浇铸/真空挥发/粒子沥滤技术制备了干燥的聚乳酸(PLA)三维多孔支架[4]。此技术不仅拓展了传统溶液浇铸/粒子沥滤技术的应用，而且还可以制备出管状、梯度支架。这种方法制备的复合支架可以调节孔径和孔隙率，但是支架不能太厚，过程中引入有机溶剂，且残留量高，这对细胞的生长有一定的危害，同时该方法的制备周期比较长。

1.3热致相分离/冷冻干燥法

热致相分离/冷冻干燥法是在一定的条件下将聚合物溶解在溶剂中，然后进行冷却直至发生相分离，通过适合的方法将溶剂除去，即得到聚合物三维多孔结构。

WU等通过冷冻干燥法制备了明胶多孔管状支架，改变明胶浓度或增加交联剂可将管状支架的宽度和长度分别控制在50～100 μm和100～500 μm[5]。CARDEA等通过热致相分离法制备出壳聚糖管状支架，并且表面没有塌陷，支架的直径约为50 nm，压缩模量为150 kPa[6]。

1.4快速成型法

快速成型法是按一定的厚度对三维软件设计出的三维曲面或实体模型分层，形成二维截面信息。即先进行离散，再对离散得到的数据处理、加工，产生数控代码，电脑根据产生数控代码控制数控系统，以平面加工方式加工出每一个薄层，然后黏接成型。目前快速成型法主要分为熔融堆积成型法、三维打印法、选择性激光烧结法、三维生物描绘法和低温沉积制造法。

ESHRAGHI等利用选择性激光烧结法制备出实体和多孔聚己内酯骨支架[7]。HABERSTROH等利用三维打印法制备了PLGA、磷酸三钙(TCP)/胶原和TCP/胶原/壳聚糖复合水凝胶3种骨支架[8]。HAO等利用单喷头低温沉积制造技术制备出孔隙率为90%、孔隙直径为300～350 μm的PLGA/β-TCP支架[9]。XU等以珍珠粉/PLGA为原料，利用低温沉积制造法制备出一种新型骨支架[10]。虽然快速成型法制备的多孔支架形状、孔隙率等可以预先设计，但对工艺操作的要求较高，过程中不易实现对孔径和孔隙率的控制。

1.5静电纺丝法

静电纺丝法使用电场来控制聚合物纤维生成，然后将纤维沉积到一个基板上，得到三维多孔支架。过程中聚合物溶液或熔融的聚合物会造成电荷不平衡，在溶液中施加一足够高的电压，产生的静电压力抵消了表面张力和液体的拉伸力，在临界点处液流从表面爆发出来，产生泰勒锥。当液体分子凝聚力足够高时，可产生带电的液体流束，电场指引液体流束到达基板，溶剂蒸发，产生纤维。静电纺丝法工艺简单，应用范围广，可制备纳米和微米级孔径的多孔支架。

JEONG等利用该技术制备出了海藻酸钠/壳聚糖纳米纤维支架，随着壳聚糖含量的增加，支架的溶胀程度有所下降[11]。DHANDAYUTHAPANI等利用静电纺丝法制备出壳聚糖/明胶共混支架，研究了聚合物溶液性质和工艺参数对纤维的影响[12]。SHALUMONA等利用此技术制备了壳聚糖/聚己内酯纳米纤维支架，壳聚糖改善了支架的亲水性，增加了其活性和对蛋白质的吸收[13]。

2 组织工程三维支架超临界流体制备方法

传统工艺虽然在三维多孔支架制备中取得了一定的研究进展，但总存在这样或那样的不足或缺点。基于超临界流体的一些特殊性质：超临界流体性质介于液体和气体之间，其密度接近于液体，具有较大的溶解能力；其黏度接近于气体，具有较好的流动性；改变超临界流体的温度和压力，可以很大程度地改变其溶解性能；仅对超临界流体改变操作条件(温度和压力)就可以方便地对实验过程进行有效控制，一些学者开始致力于基于超临界流体技术的组织工程用三维多孔支架制备研究工作[14-15]。

2.1超临界CO2发泡法

超临界CO2发泡法是将超临界CO2溶解于聚合物熔体中，并使其饱和形成均相体系，然后通过泄压或升温的方法快速改变超临界CO2在聚合物中的溶解度，使其进入热力学不稳定状态，从而诱导大量的气核在聚合物基体中形成而得到微孔结构。超临界CO2发泡法过程很简单，通常不用加入有机溶剂，但是不容易控制多孔结构的尺寸和形状，因为发泡过程中孔的体积增大，外表面不会形成孔，孔与孔间的相通性差。

SANTO等利用该方法制备出用来装载血小板溶解产物纳米粒子的PDLLA多孔支架，将分离出的细胞移植在该支架上，发现细胞可以维持生存能力[16]。YANG等制备出碳酸丙烯酯(PPC)多孔支架，加入一定量的氧化石墨烯提高热机械性能以满足组织工程的需要[17]。刘倩倩等利用此方法制备出PLGA共聚物的多孔结构[18]。

2.2超临界CO2乳剂制模法

超临界CO2乳剂制模法是PARTAP等在传统乳剂制模技术的基础上改进形成的[19]。利用超临界CO2不但可以作为制模的“油相”，而且可以作为从螯合形式释放Ca2+和藻朊酸盐交叉连接形成多孔水凝胶的酸性源。利用该技术已经成功制备了连通性好的多孔网状三维水凝胶支架，且多为开孔结构，并且与BUTLER等用乳剂制模法技术制得的支架平均孔径相似[20]。BING等用氟素表面活性剂制备出多孔CaCO3和聚丙烯酰胺的复合材料支架[21]。

超临界CO2乳剂制模法是一种制备三维聚合物多孔结构的技术，在制孔过程中往往使用大量的有机溶剂。

2.3超临界CO2静电纺丝法

超临界CO2静电纺丝法仍然是在传统静电纺丝基础上形成的。在该过程中，将聚合物溶液或熔融液注入到充满近临界或超临界CO2的贮液罐中，在超临界CO2的作用下，聚合物黏度降低，更易软化，易于聚合物纤维的形成。操作过程易于控制，与传统技术相比，操作温度低，制备的多孔支架孔径可控，孔隙率更高。

LEE等发现在静电纺丝室中充满超临界CO2时聚合物会软化，同时黏度降低[22]。超临界CO2不仅代替了有机溶剂，而且也提高了纤维的质量，避免了聚合物结节的产生，利用该技术制备了聚二甲硅氧烷和聚乳酸纤维。MCHUGH等描述了近临界和超临界CO2在静电纺丝过程中的应用，并且制备出形状新颖的聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)开孔纤维[23]。

超临界CO2静电纺丝法是组织工程应用很广泛的一种方法，适合于生产膜结构，优点主要是运行速度快、溶剂消除完全、能生产出多孔细丝，但是机械阻力大、结构孔隙率不易控制。

2.4超临界辅助相分离法

超临界辅助相分离法就是将聚合物溶于有机溶剂中，然后浇铸在水溶性的固态制孔剂上，通过热诱导相分离得到聚合物凝胶，超临界CO2在循环流动时不断带走有机溶剂，并且干燥凝胶，再用水洗掉制孔剂，从而得到多孔结构。

NAM等运用此方法制备了各向同性的聚乳酸多孔支架，并且还得到了含有生物活性分子的PLGA支架结构[24]。超临界辅助相分离法已经可以用来得到高分子膜结构，这种结构用于过滤过程、催化过程和药物控制释放过程等。DUARTE等利用此方法制备出淀粉基聚合物多孔结构，其特殊的微观结构提高了运输特性，同时增强了细胞的黏附和增殖[25]。用此方法还制备了PLLA支架，并在支架中加入活性玻璃来提高它的机械性能。

该方法的主要缺点是很难获得三维结构，但是可以得到膜结构。

2.5超临界CO2溶剂去除法

超临界CO2溶剂去除法是将聚合物溶于有机溶剂中，同时加入合适的制孔剂，利用超临界CO2进行蒸发或冻干等方法去除有机溶剂，然后再把制孔剂沥滤出来，得到聚合物多孔支架。

WEI等利用该方法制备了高孔隙率的PLLA和PLLA/羟基磷灰石(HA)复合支架，该方法易于得到高孔隙率和连通性好的支架[26]。但在支架后续处理中，支架内部有机溶剂的消除、制备周期长等为该技术的应用带来一定的困难。

2.6离子液体聚合物混合干燥法

一些生物聚合物如壳聚糖等一般难于甚至不能溶于普通的有机溶剂中，利用上述方法很难得到这些生物材料的多孔支架。如果能将其溶于离子液体，则可以大大增加这些生物聚合物的应用范围。而离子液体聚合物干燥法正是在该基础上提出来的。TSIOPTSIAS等利用1-甲基-3-丁基咪唑三氟乙酸盐(BmimC)离子液体制备了含有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微粒和HA纳米微粒的纤维素多孔结构，在室温下保存24 h凝结，将其浸入水和甲醇离子液体消除溶剂，以二氯甲烷沥滤PMMA微粒，即可得到互联互通的纤维素多孔结构[27]。利用该方法，研究人员还将甲壳素溶解在1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐(BmimAc)中，形成凝胶，再将其浸入到乙醇中，将大量的BmimAc清除掉，通过索氏提取，在超临界CO2和不同浓度乙醇的抽取下，最终得到甲壳素的多孔三维结构[28]。

3 展 望

组织工程在人体修复方面开辟了一条新的道路。组织工程中，三维多孔支架起着中心作用，它为特定的细胞提供结构支撑，同时起到模板作用，引导组织再生。针对组织工程用三维多孔支架的传统制备技术和超临界流体技术及其研究成果进行了总结和归纳，综述了各不同制备技术的优点及存在的不足。

超临界流体技术多是在传统技术的基础上发展起来的，但由于其依靠超临界流体的诸多特性，使得形成的新的超临界流体技术呈现结构可控、工艺简单、制备周期大大缩短等优点，因此在组织工程支架制备方面展示了较好的应用前景。在支架制备技术上，虽然已经取得了一定的成果，但要想将组织化人工器官实现临床上的成功应用，仍有很长的路要走，在多孔支架的制备方面也需要研究者进行更深入的研究和发展。

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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

河北省自然科学基金(2012208049)；河北科技大学实验开放项目

蒋静智(1972-)，女，河北阜城人，副教授，博士，主要从事超临界流体技术方面的研究。

E-mail：jjzhi2000@126.com

TQ174

A

10.7535/hbgykj.2014yx0205

责任编辑：张士莹

蒋静智，贾 超，郭彦书.组织工程用三维多孔支架制备技术研究进展[J].河北工业科技，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.