CN111053951A - 一种弹性可降解3d打印多孔支架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物高分子材料领域，尤其涉及一种弹性可降解3D打印多孔支架及其制备方法。为了解决环缩醛基可降解生物材料中引入丙烯酸酯端基，未反应的丙烯酸酯基在体内容易与蛋白质上的氨基及巯基进行迈尔克加成反应，从而造成对周围组织的刺激及毒性，同时交联的丙烯酸酯基团在体内依然有可能降解产生酸性基团，导致局部酸性环境刺激周围组织并加速材料水解的问题，本发明提供一种弹性可降解3D打印多孔支架，以环缩醛聚合单体、PEGDAC为聚合单体，与含巯基的交联剂交联固化形成软骨组织修复的多孔支架，所制备的多孔支架具有较好的回弹性，能够更好的应对软骨组织修复过程中人体活动对多孔支架造成的挤压，有利于人体软骨组织更好的修复。

Description

一种弹性可降解3D打印多孔支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物高分子材料领域，尤其涉及一种弹性可降解3D打印多孔支架及其制备方法。

背景技术

人体的关节软骨是最容易受到损伤的组织之一。由于关节炎或运动创伤所造成的关节软骨损伤给许多病人带来痛苦。造成这种情况的原因是软骨组织内无血管，一旦损伤很难自然修复和痊愈，并容易引发更严重的关节软骨组织损伤。临床上针对软骨缺损有多种修复治疗方法，包括应用自体组织、同种异体移植物、假体材料或上述几种方法复合应用。然而，自体骨供应来源有限，而异种骨具有抗原性，会因剧烈的免疫排斥反应导致植入失败，而且还存在感染疾病的风险。广泛使用的各种骨替代材料，在生物和力学功能上也总是不尽人意。若能使病变或损伤的骨组织恢复到天然状态，则达到了骨缺损修复的极致，新兴的组织工程学将有助于解决这类问题。

组织工程是将在体外培养、扩增的正常组织细胞种植到具有良好生物相容性且在体内可逐步降解吸收的多孔支架上，形成细胞支架复合物，细胞在支架上增殖、分化，然后将此复合物植入机体组织病损部位，在体内继续增殖并分泌细胞外基质，并且伴随着支架材料的逐步降解，形成新的与自身功能和形态相适应的组织或器官，从而达到修复病损组织或器官的目的。软骨组织工程的三维支架是软骨细胞生长的微环境，不仅提供软骨细胞生长依附的框架，使之形成特定的组织或器官，更重要的是它作为细胞外基质成分之一，起着介导细胞间信号传递和相互作用的媒介作用。因而，它的性质对软骨细胞的生长具有重要影响。而且人体内的软骨具有极特殊的力学性能，例如关节软骨，具有很好的弹性和韧性，可承受较大的负荷，又具有光滑的表面，使关节活动时的摩擦力极小，但是至今软骨组织工程仍无法再造与天然软骨具有相同力学性能的软骨组织，这是目前软骨组织工程所面临的最大问题。因而材料设计、支架成形方法以及支架材料的特殊的力学性能在软骨组织工程支架的构筑中起关键作用。

目前，用于软骨组织工程支架的生物降解材料分为天然高分子材料和合成高分子材料。可降解的合成生物高分子作为组织工程支架材料被广泛研究。这类材料通常具有良好的机械性能，易于通过化学或物理修饰来控制其具备一定的生物活性，并且易于加工成为具有特定多孔形貌及结构的支架来支持组织生长。合成材料主要有聚乙交酯PGA、聚丙交酯PLA以及二者的共聚物PLGA等(林炎水,杨柳,戴刚.组织工程化半月板的研究与进展[J].中国临床康复,2004(5).)，其具有良好的力学性能和降解速度可调控性，然而，它们是疏水性材料，生物相容性较差；此外其降解产物呈酸性，使植入材料的周围组织pH值降低，易引起严重的炎症反应。近来，基于缩醛、环缩醛以及缩酮单元的水解产物为非酸性物质的可降解生物材料引起人们越来越多的关注，尤其是环缩醛基生物材料。含环缩醛基团的合成聚合物通过水解产生羟基和羰基终端，从而实现降解，降解产物是典型的醇、羰基和醛，对周围组织刺激性较低，因此该类材料具有较好的应用前景。Fisher等人先后制备了基于5-乙基-5-(羟甲基)-1，3-二氧六环-β，β-二甲基-2-羟乙基二丙烯酸酯(EHD-DA)的EH网络、EH-PEG网络以及聚(聚乙二醇-co-环缩醛)二丙烯酸酯(PECA-DA)水凝胶，并将PECA-DA多孔水凝胶用于骨组织修复，结果表明其对移植周围组织响应温和且组织细胞浸润小，证明了其作为细胞载体支架材料的可行性(Falco E E,Patel M,Fisher J P.Recent developmentsin cyclic acetal biomaterials for tissue engineering applications[J].Pharmaceutical research,2008,25(10):2348-2356.)。然而，Fisher等人在制备环缩醛基可降解生物材料时引入了丙烯酸酯端基，未反应的丙烯酸酯基在体内容易与蛋白质上的氨基及巯基进行迈尔克加成反应，从而造成对周围组织的刺激及毒性，同时交联的丙烯酸酯基团在体内依然有可能降解产生酸性基团，导致局部酸性环境刺激周围组织并加速材料水解(Wang K，Lu J，Yin R，et al.Preparation and properties of cyclic acetalbased biodegradable gel by thiol-ene photopolymerization[J].Materials Scienceand Engineering:C,2013,33(3):1261-1266.)。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决环缩醛基可降解生物材料中引入丙烯酸酯端基，未反应的丙烯酸酯基在体内容易与蛋白质上的氨基及巯基进行迈尔克加成反应，从而造成对周围组织的刺激及毒性，同时交联的丙烯酸酯基团在体内依然有可能降解产生酸性基团，导致局部酸性环境刺激周围组织并加速材料水解的问题，本发明提供一种弹性可降解3D打印多孔支架，以环缩醛聚合单体I、环缩醛聚合单体Ⅱ、聚乙二醇烯丙基碳酸脂(PEGDAC)为聚合单体与含巯基的交联剂交联光固化形成软骨组织修复的多孔支架，所制备的多孔支架具有较好的回弹性，能够更好的应对软骨组织修复过程中人体活动对多孔支架造成的挤压，使得多孔支架始终保持原有设计的形状，有利于人体软骨组织更好的修复。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种弹性可降解3D打印多孔支架，以重量份数计，包括以下成分：

主体树脂 100份

光引发剂 0.1-0.5份

光吸收剂 0.01-0.05份

所述主体树脂，以重量份数计，包括以下成分：

环缩醛聚合单体 100份

PEGDAC 50-200份

所述主体树脂中还包括含巯基的交联剂，所述含巯基的交联剂中巯基与环缩醛聚合单体中双键的摩尔比为1:1。

所述环缩醛聚合单体，以重量份数计，包括以下成分：

环缩醛聚合单体I 1-100份

环缩醛聚合单体Ⅱ 10份。

具体地，所述环缩醛聚合单体I的分子结构如下：

具体地，所述环缩醛聚合单体Ⅱ的分子结构如下：

具体地，所述的PEGDAC的分子结构如下：

其中，n＝1-15。

具体地，所述PEGDAC的合成方法如下：

将含羟基0.04mol的聚乙二醇溶于25mL CH₂Cl₂，加入0.2g催化剂4-二甲氨基吡啶和6.00g三乙胺，搅拌30min使其混合均匀，然后置于冰浴中并滴加由7.20g氯甲酸烯丙酯与25mLCH₂Cl₂组成的混合物，4h滴加完，滴加完毕，搅拌反应48h，反应完抽滤除去盐，用CH₂Cl₂洗涤盐三次，得到有机相，将有机相分别用1mol/L的盐酸溶液、饱和NaHCO₃溶液、去离子水、饱和NaCl水溶液各洗涤三次，减压蒸馏除去溶剂，得到PEGDAC的透明液体。

具体地，所述环缩醛聚合单体Ⅱ的合成方法如下：

将5.9g三羟甲基丙烷和3.0g 2,2-二甲基-3-羟基丙醛溶于20mL的1mol/L的盐酸溶液，升温至90℃，在氮气氛围下搅拌反应24h，反应完后，用三氯甲烷萃取混合液，萃取液分别用去离子水、饱和氯化钠各水洗三次，洗完后，减压蒸馏除去溶剂得到白色固体产物环缩醛聚合单体Ⅱ。

具体地，所述含巯基的交联剂中巯基与环缩醛聚合单体中双键的摩尔比为1:1。

具体地，所述含巯基的交联剂为含巯基的3官能度或4官能度交联剂。

具体地，所述含巯基的交联剂为TTMP或PETMP。

具体地，所述光引发剂为784或CQ(樟脑醌)和EDMAB(4-N,N一二甲基氨基苯甲酸乙酯)的混合物，其中，CQ与EDMAB的质量比为1:1。

一种弹性可降解3D打印多孔支架，按照以下步骤制备：

将环缩醛聚合单体、PEGDAC与交联剂混合均匀，然后加入光引发剂和光吸收剂，室温下搅拌均匀，通过DLP3D打印机打印出弹性可降解3D打印多孔支架。

本发明的有益效果是：

(1)本发明以两种乙烯基碳酸酯为端基的环缩醛基可聚合单体与PEGDAC、交联剂一起交联光固化3D打印制备的弹性可降解3D打印多孔支架，其降解产物中完全不含有酸性物质，不存在自加速降解现象，降解产物对安装位置周围组织的刺激性小；

(2)本发明通过调节两种环缩醛基聚合单体的比例及PEGDAC的软段含量所制备的弹性可降解3D打印多孔支架具有较高的回弹性。

附图说明

图1：是PEGDAC(n＝15)的红外谱图。

图2：是环缩醛聚合单体Ⅱ的红外谱图。

图3：是环缩醛聚合单体Ⅱ的¹HNMR谱图。

具体实施方式

现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

(1)PEGDAC的制备实施例，但不限于此方法，具体步骤如下：

将含羟基0.04mol的聚乙二醇溶于25mL CH₂Cl₂，加入0.2g催化剂4-二甲氨基吡啶和6.00g缚酸剂三乙胺，搅拌30min使其混合均匀，然后置于冰浴中并滴加7.20g氯甲酸烯丙酯与25mL的CH₂Cl₂混合物，4h滴加完，滴加完毕，搅拌反应48h，反应完抽滤除去盐，用CH₂Cl₂洗涤盐三次，得到有机相，将有机相分别用1mol/L的盐酸溶液、饱和NaHCO₃溶液、去离子水、饱和NaCl水溶液各洗涤三次，减压蒸馏除去溶剂，得到PEGDAC的透明液体。图1是PEGDAC(n＝15)的红外谱图，从图中可以发现，-OH的伸缩振动峰消失，由此可知，本法已经成功制备PEGDAC(n＝15)。

(2)环缩醛聚合单体Ⅱ的制备实施例，但不限于此方法，具体步骤如下：

将5.9g三羟甲基丙烷和3.0g 2,2-二甲基-3-羟基丙醛溶于20mL的1mol/L的盐酸溶液，升温至90℃，在氮气氛围下搅拌反应24h，反应完后，用三氯甲烷萃取混合液，萃取液分别用去离子水和饱和氯化钠水洗三次，洗完后减压蒸馏除去溶剂得到白色固体产物环缩醛聚合单体Ⅱ，其红外谱图如图2所示，图中3266cm^-1处是-OH的伸缩振动吸收峰，2966cm^-1和2861cm^-1是-CH₃，-CH₂的伸缩振动吸收峰，1466cm^-1处是-CH₃，-CH₂的弯曲振动吸收峰，1048cm^-1处是-C-O-C的伸缩振动吸收峰。红外图中发现1700cm^-1左右醛类特征的伸缩振动吸收峰已经消失，表明羟醛缩合反应已经发生；环缩醛聚合单体Ⅱ的¹H-NMR核磁质谱图如图3所示，图中a是δ0.83(3H，CH₃CH₂-)，b是δ0.94(6H，-C(CH₃)₂CH₂-)，c是δ1.20(2H，CH₃CH₂-)，d是δ3.40-3.50(4H，-C(CH₃)₂CHOH,-CCH₂OH)，e是δ3.86(2H，-CCH₂OH)，f是δ3.97(2H，-CCH₂O-)，g是δ4.26(1H，-OCHO-)，由此可见，本法已经成功制备环缩醛聚合单体Ⅱ。

(3)弹性可降解3D打印多孔支架的制备方法如下：

将环缩醛聚合单体、PEGDAC与交联剂混合均匀，其中，交联剂中的巯基与环缩醛聚合单体中的双键的摩尔比为1:1，然后加入光引发剂和光吸收剂，室温下搅拌均匀，通过DLP3D打印机打印出弹性可降解3D打印多孔支架。

实施例1-3和对比例1-4均按照上述步骤制备弹性可降解3D打印多孔支架，其组分如下表1所示：

表1

对比例5同实施例1，不同之处在于：所使用的交联剂为1,6-己二硫醇。

对比例6同实施例1，不同之处在于：交联剂中的巯基与环缩醛聚合单体中的双键的摩尔比为1:1.1。

性能测试：

1、实施例1-3和对比例1-6所制备弹性可降解3D打印多孔支架的性能测试见表2：

表2

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种弹性可降解3D打印多孔支架，其特征在于，以重量份数计，包括以下成分：

主体树脂 100份

光引发剂 0.1-0.5份

光吸收剂 0.01-0.05份，

所述主体树脂，以重量份数计，包括以下成分：

环缩醛聚合单体 100份

PEGDAC 50-200份

所述主体树脂还包括含巯基的交联剂，所述含巯基的交联剂中巯基与环缩醛聚合单体中双键的摩尔比为1:1。

2.根据权利要求1所述的一种弹性可降解3D打印多孔支架，其特征在于：所述环缩醛聚合单体，以重量份数计，包括以下成分：

环缩醛聚合单体Ⅰ 1-100份

环缩醛聚合单体Ⅱ 10份。

3.根据权利要求2所述的一种弹性可降解3D打印多孔支架，其特征在于：所述环缩醛聚合单体Ⅰ的分子结构如下：

4.根据权利要求2所述的一种弹性可降解3D打印多孔支架，其特征在于：所述环缩醛聚合单体Ⅱ的分子结构如下：

5.根据权利要求1所述的一种弹性可降解3D打印多孔支架，其特征在于：所述PEGDAC的分子结构如下：

其中，n＝1-15。

6.根据权利要求1所述的一种弹性可降解3D打印多孔支架，其特征在于：所述含巯基的交联剂为含巯基的3官能度或4官能度交联剂。

7.根据权利要求6所述的一种弹性可降解3D打印多孔支架，其特征在于：所述含巯基的交联剂为TTMP或PETMP。

8.根据权利要求1所述的一种弹性可降解3D打印多孔支架，其特征在于：所述光引发剂为784或CQ和光引发剂EDMAB的混合物，其中，CQ与EDMAB的质量比为1:1。

9.根据权利要求1所述的一种弹性可降解3D打印多孔支架，其特征在于：所述光吸收剂为胡萝卜素。

10.一种弹性可降解3D打印多孔支架，其特征在于，按照以下步骤制备：

将环缩醛聚合单体、PEGDAC与交联剂混合均匀，然后加入光引发剂和光吸收剂，室温下搅拌均匀，通过DLP3D打印机打印出弹性可降解3D打印多孔支架。

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