组织工程三维多孔支架的制备方法和技术进展

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综 述

组织工程三维多孔支架的制备方法和技术进展 !
!， 丁建东 ! ! ! 吴林波!

（复旦大学高分子科学系，聚合物分子工程教育部重点实验室，上海
摘

’((;))）

要： 组织工程的关键技术之一在于将具有良好生物相容性和生物降解吸收性能的生物材料制备成具

有特定形状和相连孔结构的三维多孔细胞支架 （细胞外基质替代物） 。本文着眼于多孔支架制备方法分别与 多孔支架孔结构和外形的内在联系， 从致孔和外形成型两个层次对组织工程多孔支架的制备方法和技术新 近的研究进展进行了综述。 关键词： 组织工程； 多孔支架； 生物医用材料； 可降解聚合物 中图分类号： <&) 文献标识码： = 文章编号： %((> ? @)AB （’(()） (% ? ((@% ? (&

组织工程学的基本原理和方法是将在体外培养、 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组织工程多孔支架上， 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， 伴随着材料的逐步降解， 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。这种方法将使
［% ? )］ 。 组织器官缺损的治疗从器官移植进入器官制造的新时代

组织工程材料应具有良好的生物相容性和生物降解吸收性能， 其中， 可降解聚合物的适应面最 广
［;］

。作为有效的细胞支架， 光有材料本身是不够的。组织工程的技术关键之一在于将生物材料制成

具有特定形状和孔结构的三维多孔支架。已有数篇文章对组织工程多孔支架的制备方法进行了介绍或
［A ? %(］ ， 但均着重于致孔方法和支架孔结构， 很少涉及支架外形成型方法。本文着眼于多孔支架孔 综述

结构和外形与制备方法的内在联系， 按我们的理解， 从致孔和外形成型两个层次对组织工程多孔支架的 制备方法和技术进行了较为系统的总结、 归类和分析。

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组织工程支架的制备要求和结构层次
［&］ 在组织工程中多孔支架起到细胞外基质的作用， 是对细胞外基质的结构和功能的仿生 。除可注

［%%］ 射性材料 以外， 大多数组织工程支架必须预先制成多孔支架。本综述主要针对多孔支架。组织工程

多孔支架需要满足以下要求： 即无明显的细胞毒性、 炎症反应和免疫排斥；" 合 ! 良好的生物相容性， 适的可生物降解吸收性， 即与细胞、 组织生长速率相适应的降解吸收速率。# 合适的孔尺寸、 高的孔隙 和相连的孔形态， 以利于大量细胞的种植、 细胞和组织的生长、 细胞外基质的形成、 氧气和营 率 （ C @(D ） 养的传输、 代谢物的排泄以及血管和神经的内生长； $ 特定的三维外形以获得所需的组织或器官形状； 增殖和分化， 以及负载生长因子等生物信号分 % 高的表面积和合适的表面理化性质以利于细胞粘附、 子； 以在体内生物力学微环境中保持结构稳定性和 & 与植入部位组织的力学性能相匹配的结构强度， 完整性， 并为植入细胞提高合适的微应力环境。
’((’ ? %( ? )( ! 收稿日期： 基金项目： 上海市科技攻关项目 （(’NO%%(%(） 、 国家 @B) 项目 （ P%@@@(A;)(& ? (A） 、 （’((%==’%A;A%） 、 自然科学基金 （’(%B;((& >&) 项目 和 ’@>’A%(@） 、 高等学校青年教师教学和科研奖励基金、 上海市组织工程研究与开发中心基金资助 （ <N*%;((% ? A） （%@B% ? ） ，男，湖南临湘人， 博士后，研究方向：生物医用高分子材料、 组织工程。 E6.3#：K+H#3-L"J 8"M+$ 1"6 ! ! 作者简介：吴林波 （%@&A ? ） ，，男， 江苏盐城人， 教授，博导，研究领域：生物医用高分子材料、 组织工程、 药物控释。 E6.3#：FGH ! ! ! 通讯联系人：丁建东 G3-I%J /+G.-$ 7G+$ 1-

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吴林波， 丁建东

组织工程多孔支架孔结构具有四个尺寸等级： 解剖外形和尺寸 （ ! "#） 、 大孔尺寸 （ ! $%& ! 、 孔壁 #） 尺寸 （! ! 、 孔壁内微细结构尺寸 （如微纤， 微孔， 。从制备方法上看， 大孔尺寸、 孔壁尺 #） ’% ! ’%% (#） 寸、 孔壁内微细结构取决于致孔方法， 而解剖外形和尺寸则取决于成型方法。因而， 组织工程支架的制 备通常分为致孔和外形成型两个层次， 二者必不可少， 相互结合才能制得满足要求的支架。因而， 组织 工程多孔支架的制备也主要有两个方面的问题需要解决， 即获得相连的多孔结构和合适的外形。

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组织工程多孔支架的致孔方法和技术
组织工程多孔支架的孔形态主要有纤维、 多孔海绵或泡沫、 相连管状结构等三种， 相应地， 其致孔方

法和技术也各不相同。 !"# 纤维支架 纤维支架是组织工程研究中最早采用的细胞外基质替代物之一， 主要由 )*+ 或其共聚物等结晶性 聚合物纤维构成。利用纺织技术将直径 $% ! $’ ! 其孔隙率高达 ,-. ， 比 # 的纤维制成织物或无纺物，

［$&］ 但存在力学强度较差、 承压时会坍塌的缺点。将织物热处理 或采用 )11+ 或 表面积高达 % / %’ ! # 0 $， ［$2］ 可使相邻纤维间形成物理连结， 从而使纤维支架稳定、 耐压。 )*+ 纤维 )1*+ 溶液涂覆织物 的方法， ［&，3］ 支架易于借助于阴模制成各种形状， 已成功地用于软骨等多种组织工程领域 。纤维支架的不足之

处在于孔隙率和孔尺寸不易控制， 亦不易独立调节。 !"! 等。 粒子致孔法指首先将组织工程材料和致孔剂粒子制成均匀的混合物， 然后利 & /& / $ 粒子致孔法 用二者不同的溶解性或挥发性， 将致孔剂粒子除去， 于是粒子所占有的空间变为孔隙。致孔剂粒子可采 用氯化钠、 酒石酸钠和柠檬酸钠等水溶性无机盐或糖粒子， 也可用石蜡粒子或冰粒子。最常用的方法 是， 利用无机盐溶于水而不溶于有机溶剂、 聚合物溶于有机溶剂而不溶于水的特性， 用溶剂浇铸法将聚 合物溶液 4 盐粒混合物浇铸成膜， 然后浸出粒子得到多孔支架。该法通常称为溶剂浇铸 4 粒子浸出法
［$C］ （56789:6( ";59:(< 4 =;>9:"87;9? 7?;"@:(<） ， 由 A:B65 等 作为纤维连结法的改进而提出， 已成功地用于软骨细 胞的培养和软骨组织的生成。粒子浸出法制得的多孔支架的孔隙率可达 ,$ ! ,2. ， 孔隙率由粒子含量

多孔泡沫或海绵支架 多孔泡沫或海绵支架的致孔方法主要有粒子致孔法、 热诱导相分离法、 气体发泡法和烧结微球法

决定， 与粒子尺寸基本无关； 孔尺寸 ’% ! ’%% ! 由粒子尺寸决定， 与粒子用量基本无关； 孔的比表面积 #， 随粒子用量增大和粒径减小而增大， 变化范围为 % / %3C ! % / $$, ! # 0 $ 。三者均与盐的种类和溶剂的种类 若浇铸后不断地振动至大部分溶 基本无关。溶剂浇铸 4 粒子浸出法制备多孔支架时易形成致密的皮层， 剂挥发， 可防止粒子沉降， 抑制表面皮层的形成。 粒子致孔法简单、 适用性广， 孔隙率和孔尺寸易独立调节， 是一个通用的方法， 得到了广泛的应用， 但致孔时往往需用到有机溶剂。 用于制备组织工程多孔支架的相分离法是指将聚合物溶液、 乳液或 & / & / & 相分离法 4 冷冻干燥法 水凝胶在低温下冷冻， 冷冻过程中发生相分离， 形成富溶剂相和富聚合物相， 然后经冷冻干燥除去溶剂 而形成多孔结构的方法。因而， 相分离法又往往称为冷冻干燥法， 按体系形态的不同可简单地分为乳液 冷冻干燥法、 溶液冷冻干燥法和水凝胶冷冻干燥法。
［$’］ 首先将乳液冷冻干燥法用于组织工程多孔支架的制备。将水与聚合物溶液一起均化 D@;(< 等 得到油包水乳液， 并浇铸到模具中， 冷冻干燥脱除水分和溶剂， 得到多孔支架。支架孔隙率 ,% ! ,’. ，

大孔尺寸达 &%% ! 溶剂挥发还会形成 % / %$ ! 孔表面积达 ’E ! $%&#& 4 <， 为相连的孔结 #， # 以下的微孔， 构。孔结构的影响因素主要有油水比、 聚合物分子量。该法避免了高温， 有利于生物活性分子如蛋白质 生长因子或分化因子的引入和控制释放， 孔比表面积大， 易操作， 可制作厚的器件 （ F $ "#） ， 但孔尺寸偏 小。
［$3 H ! 溶液冷冻干燥法用于多孔支架制备时， 所得支架孔尺寸往往小于 $%% ! 通过冷冻过 #。 G;# 等

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程参数的调控并利用加粗效应制备了孔尺寸超过 !"" ! 发现孔尺寸的影响因素主要有溶 # 的多孔支架， ［!&］ 液浓度、 冷冻速率和冷冻温度梯度。 $% 等 用改进的溶液冷冻干燥法制备出具有与天然胶原类似的 纳米微纤结构的多孔支架， 但仍存在孔尺寸过小的缺点。 将明胶、 藻酸盐、 壳聚糖等水凝胶经冷冻干燥亦可制得多孔支架。亲水性水凝胶多孔支架在体液环 境中强度下降是一个值得重视的问题， 一般需要与其它材料复合。相分离 ’ 冷冻干燥法孔尺寸往往偏 小， 但该法避免了高温， 因而得到了研究者的重视。 气体发泡法可避免在制备支架时使用有机溶剂。该法将聚合物压成片， 浸泡在 ( ) ( ) * 气体发泡法 高压二氧化碳中直至饱和， 甚至超临界状态， 然后降至常压， 气体的热力学不稳定性导致气泡成核和增 长， 形成多孔支架， 但孔为闭孔结构。若将发泡法与粒子浸出法相结合， 则可制得相连的开孔结构的多 孔支架。若将聚合物粉末和致孔剂粒子混合物在室温下模压制取圆片， 则该法还可避免使用高温， 有利 已用于平滑肌组织工 于在温和的条件下引入生长因子。受控释放的生长因子可保持 +", 的生物活性，
［!-］ 程 。发泡法中影响孔隙率和孔结构的因素主要有聚合物结晶性和分子量、 平衡时间、 放气速率等。

结晶性聚合物 .//0 和 .10 难以发泡， 无定型聚合物 ./10 易发泡； 聚合物分子量越高越难以发泡， 孔 隙率越低； 在高压气体中平衡时间越长， 孔隙率越高； 放气速率对孔隙率影响较小。 除了上述的物理发泡法外， 也可用化学发泡法来制备多孔支架， 采用的化学发泡剂主要为碳酸盐类 化合物。将聚合物溶液 ’ 碳酸氢铵粒子混合物加入到模具中， 待溶剂部分挥发后直接浸入热水中发泡，
［!+］ 最后经冷冻干燥可得到多孔支架 。该法得到的多孔支架孔隙率超过 +", ， 孔相连性好， 孔尺寸约 !""

并避免了表面皮层的形成， 其肝细胞种植效率高达 +3, 。 2 3"" ! #， 将可降解聚合物微球加入模具中， 加热至玻璃化温度以上， 保持一定时间后冷 ( ) ( ) 4 烧结微球法
［("］ 却、 脱模可制得烧结微球支架 。热处理时微球相互接触处由于链运动而连结在一起， 冷却至室温后

该结构被固定下来， 因而得到多孔的烧结微球支架。微球紧密堆积产生的孔隙成为支架的孔， 孔尺寸范 围为 *& 2 !3" ! 与微球尺寸成正比， 孔隙率则随微球尺寸增大略有增加， 为 *! 2 *+, ， 孔相连性很好。 #， 支架压缩模量为 (4! 2 *4+ $5%， 随微球尺寸减小而增大。该支架的孔隙率与松质骨中组织分率 （*", ） 相近， 力学性能也与松质骨相当， 因而可作为松质骨修复的 “负” 模板， 修复完成后孔的部分成为组织， 聚 合物微球部分降解后成为松质骨的空隙。该法优点在于孔相连性好， 孔尺寸易调控， 力学强度大， 缺点 则在于孔尺寸偏小， 孔隙率亦低。 !"# 相连管状孔道支架 将糖纤维等水溶性纤维材料预先构建成具有特定结构的三维 “负” 支架， “ 负” 支架经水蒸汽处理后 形成连结， 然后将聚合物溶液滴在 “负” 支架上， 冷冻使聚合物溶液凝胶化， 用水浸出糖纤维， 然后冷冻干 燥脱除溶剂， 得到的多孔支架具有预先设计的相连管状孔道结构， 孔隙率高达 +", 以上， 并具有纳米纤
［(!］ 维孔壁结构 。 “负” 支架的构建既可手工完成， 也可用快速成型技术来实现自动化。与通常的快速成

型技术不同的是， 首先形成的是最终的多孔支架的 “负” 复制品。该支架的相连管状孔道结构更有利于 支架内的传质过程， 其纳米纤维孔壁结构则更有利于细胞粘附。

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组织工程多孔支架外形的成型方法和技术
在现有的组织工程多孔支架制备方法和技术中， 研究者更多地致力于致孔方法和孔结构， 而对支架

外形的成型方法的关注相对较少， 文献中报道的多为膜、 圆柱、 立方体等简单形状的支架。而在组织工 程中应用更多的是与特定组织或器官相匹配的具有一定复杂外形的三维多孔支架， 因而支架外形的成 型方法和技术也是多孔支架制备的一个重要方面。
［!4］ 通常， 多孔支架外形的成型方法主要有手工成型和模具成型。溶剂浇铸 ’ 粒子浸出法 能制备厚

度不超过 ( ## 的膜或薄片， 但由于溶剂挥发和脱模存在困难的缘故， 难以直接成型外形复杂的三维多 孔支架。将多孔膜用溶剂手工一层层地粘合起来， 可制得形状较复杂的三维多孔支架。聚合物溶液 ’ 致
［!+］ 孔剂混合物当溶剂含量较少时呈面团状， 具有较高的延展性和柔软性， 将其手工制作成股骨 6%# 等

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吴林波， 丁建东

形状， 然后经化学气体发泡 ! 粒子浸出法制得多孔支架。手工成型方法简单， 应用方便， 可制备形状较复 杂的多孔支架， 但制件精度较低， 且依赖于操作者的技术。 将传统的模压成型与粒子浸出等致孔方法相结合， 将聚合物 ! 致孔剂混合物在聚合物玻璃化温度 然后浸出致孔剂粒子， 应可制备外形复杂的三维多孔支架， 但文献中仅报道了简单形 ! " 以上进行模压，
［## $ #%］ ［#*］ ； 将注射成型与气体发泡法相结合用于多孔支架制备， 但亦未报 状的多孔支架的结果 &’() 等 ［#+， #,］ 道复杂形状支架的结果。我们 采用特殊的模具选材和设计， 提出了两种新的模压方法 （基于溶剂

的冷压 ! 粒子浸出法和热压 ! 粒子浸出法， 用于制备具有复杂外形的三维多孔支架。前者利用含少量溶 剂的可降解聚合物 ! 致孔剂混合物在室温下的可塑性和尺寸稳定性、 后者利用可降解聚合物 ! 致孔剂混 合物在 ! " 以上的可塑性和 ! " 以下的尺寸稳定性， 分别将加工对象以模压方法成型， 脱模后浸出致孔剂 脱 粒子， 从而获得外形复杂、 孔隙率高于 -./ 的多孔支架。这两种新的制备方法具有设备和过程简单、 模容易、 所得支架外形复杂、 孔隙率高、 孔分布均匀、 孔结构相连通等特点。

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组织工程多孔支架一体化制备方法 （快速成型法）

近年来， 在机械制造领域快速成型技术 （01234 56’7’78239" :19;<1=7;639"，05:） 发展迅速， 其应用领域 也逐渐扩展到组织工程三维多孔支架的制备上来， 其特征在于可同时完成致孔和外形的成型， 一步得到 具有一定外形的三维多孔支架。快速成型技术又称固体自由成型 （ >’?34 <6))@<’6(，ABB） 技术， 它采用离 散 ! 堆积成型原理， 先由三维 CDE 软件设计出三维曲面或实体模型， 然后根据工艺要求， 将其按一定厚 度进行分层， 把三维模型变为二维平面 ! 截面信息， 即离散的过程； 再将分层后的数据进行一定的处理， 加入加工参数， 产生数控代码， 在微机控制下数控系统以平面加工方式有序、 连续地加工出每一个薄层， 并使它们自动粘结而成型， 即材料堆积的过程。三维打印 （%@43()9>3’91? 2639739"，%@E5） 和熔融堆积成型 （ <;>)4 4)2’>373’9 (’4)?39"，BE:） 是目前用于多孔支架制备的两个主要的快速成型方法。
［#H］ 并很快用于组织工程多孔支架的制备 。三维打印法制备多 三维打印技术首先由 :FG 开发成功，

孔支架时， 打印喷头依次 “打印” 出聚合物粉末和粘合剂 （通常为溶剂） ， 粘合剂将粉末粘合成一层， 在计 算机控制下， 按预定程序逐层打印， 即可形成三维支架。三维打印在室温下进行， 但所得支架的孔尺寸 偏小， 力学性能和成型精度尚有待于提高。熔融堆积成型不用溶剂， 而是将热塑性聚合物加热至熔融后
［I］ 一层层地挤出， 形成三维多孔支架 。熔融堆积成型可制备孔径大于 J+. ! 新加坡国 ( 的支架。目前， 立大学生物医学工程实验室和我国清华大学等单位正在积极进行研究。

快速成型法可一步形成支架的外形和相连的多孔结构， 是一种一体化制备方法。其优点在于成型 时间短， 利于自动化大规模生产； 可根据个体的不同， 迅速制备出具有个体特征的三维多孔支架； 可制备 各个部位具有不同孔结构的支架以适应复合组织的不同要求。其不足之处在于支架孔隙率偏低， 通常 小于 I./ ， 目前外形成型精度尚有待提高。

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小结与展望
组织工程多孔支架作为细胞外基质的替代物， 其外形和孔结构对实现其作用和功能具有非常重要

的意义。尽管现有的制备方法和技术在调控多孔支架的外形和孔结构上已取得了很大的进展， 但各种 制备方法和技术各有其优缺点， 尚没有一种方法能同时满足支架的所有要求， 往往需要根据对支架的实 际要求， 将多种方法结合起来才能制备出所需要的支架。能制备出同时具有复杂外形和规则的相连孔 结构的多孔支架的制备方法和技术将是今后组织工程多孔支架制备方法和技术研究开发的方向。 参考文献：
［J］ K19")6 0，L1=1973 M5N G3>>;) )9"39))639" ［ M］ N A=3)9=)，J--，#,.：-#. $ -#, N

组织工程三维多孔支架的制备方法和技术进展
［!］ 翁雨来，商庆新，曹谊林 " 生命科学的新增长点—组织工程 ［ #］ （&） ：!’( ) !&’ " " 牙体牙髓牙周病学杂志，$%%%，$% ［*］ 杨志明 " 组织工程基础与临床 ［+］ " 成都：四川科学技术出版社，!%%% " $ ) ! " ［’］ 丁珊，李立华，周长忍 " 新型组织工程支架材料 ［ #］ （$） ：$!! ) $!, " " 生物医学工程学杂志，!%%!，$(

? (& ?

［&］ 王身国，涂赤枫，李光明，等 " 细胞支架及其构建技术的研究 ［ -］ " 第三届全国组织工程学术会议暨第一届中国国际组织工程会 议论文汇编，成都，!%%! " ’&* ) ’&& " ［,］ ./0 12，+33456 7#" 758593:054; 3< =/3>30:?;/=95 @64;A5;/> 5B;C?>599D9?C 0?;C/>5@ <3C ;/@@D5 54E/455C/4E ［ #］ " FC54G@ /4 1/3;5>A4393E6， $((H， $,： !!’ ) !*% " ［I］ JECK?9 -+，L?6 L1" 1/3G5EC?G?=95 :39605C @>?<<39G@ <3C 0D@>D93@M595;?9 ;/@@D5 54E/455C/4E ［ #］ " # 1/305G +?;5C L5@，!%%$，&&：$’$ ) $&% " ［H］ ND;0?>A5C 7O" 2>?<<39G@ /4 ;/@@D5 54E/455C/4E =345 ?4G >?C;/9?E5 ［ #］ " 1/30?;5C/?9@，!%%%，!$：!&!( ) !&’* " ［(］ 高建平，马朋高，姚康德，等 " 组织工程与生物可降解高分子骨架 ［ #］ （’） ：H( ) (& " " 高分子通报，!%%%， ［$%］ 罗丙红，卢泽俭 " 组织工程用高度多孔生物可降解支架的制备 ［ # P !" 国外医学生物医学工程分册，!%%$，!’ （’） ：$&’ ) $&H " ［ $$］ QAD O，OD R1， ［ -］ QA?4E N，5; ?9 " -A50/>?996S>C3@@9/4M5G =/3G5EC?G?=95 A6GC3E59 <3C ?::9/>?;/34 /4 ;/@@D5 54E/455C/4E " TC5:C/4;@ 3< *(;A U4;5C4?S ;/34?9 260:3@/D0 34 +?>C30395>D95@，15/V/4E，!%%!：(&& " ［$!］ +/M3@ JW，1?3 X，-/0? R W，5; ?9 " TC5:?C?;/34 3< :396 （ E96>39/> ?>/G ）=34G5G

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