专利名称：泡沫炭生物支架及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种组织工程生物材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种生物支 架及其制备方法和应用。
背景技术：
大规模动物细胞培养是组织工程、基因工程的基础，大量的生物医学实验、体 外药理学试验也离不开体外细胞培养。目前国际上通用的二维平面细胞体外培养方式， 获得细胞为平面单层细胞，细胞生命状态与在真实人体内的三维立体结构完全不同，细 胞与细胞之间的相互空间位置、信号传导与增殖调控和体内环境有很大区别，生命活动 将异于正常的细胞状态并可能导致细胞组织的退变。因此，为实现未来具有突破性的高 密度的细胞培养方式，使细胞可以在三维空间上与邻近细胞相互接触、传导信号，更加 真实地模拟人体内的细胞生长状态，细胞培养方式必须采用三维培养。但是因为缺乏毛 细血管等传质通道，体外细胞三维培养必然会遇到多层细胞间的传质难题——多层细胞 间的氧气、养分、生长因子及代谢产物无法输送，细胞生长到一定厚度后即因其无法与 外界进行物质交换而死亡。为克服传质难题实现细胞的大规模三维培养，细胞需要一 个“模板”——三维支架材料，该“模板”能指导细胞黏附增殖形成三维立体空间分 布，并利用支架材料上三维连通孔网络进行氧气、养分、生长因子的输入及代谢产物的 输出。目前被广泛研究的三维支架材料，如聚己交酯(PGA)、聚左旋乳酸(PLLA)、 聚右旋乳酸(PDLA)、生物活性陶瓷等，具备高比表面积、三维连通孔网络与生物相容 性，多用于体内小范围组织缺损修复，但是由于这些支架材料的可降解性、可吸收性及 抗压强度不高，难以真正用作体外细胞高密度、长时间培养的支架材料。而在大规模动 物细胞培养过程中，三维支架材料不仅需要合适的三维结构与良好的生物相容性，以能 够使细胞正常地黏附增殖，还必须具有良好的化学、力学稳定性，以保证细胞大规模培 养可在较长时间内维持正常。因此，迫切需要研发一种生物相容性良好的非降解多孔材 料作为体外细胞培养的支架材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种开孔率高、密度 低、对生物体无毒性、生物相容性好并能在体外细胞长期培养中保持机械性能稳定的泡 沫炭生物支架，还相应提供一种该泡沫炭生物支架的制备方法和应用。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种泡沫炭生物支架，所述泡 沫炭生物支架是由酚醛树脂形成的前驱体经碳化而成，所述前驱体是酚醛树脂在常压下 经发泡固化后形成。在上述的泡 沫炭生物支架中，其优选具有三维的连通孔结构。在这种具有三维 连通孔结构的泡沫炭生物支架中，所述连通孔的孔径范围优选为50微米 500微米，开孔率优选为70% 90% (开孔率是指泡沫炭生物支架中气泡所占体积与泡沫炭生物支架 的总体积之比)。作为一个总的技术构思，本发明还提供一种泡沫炭生物支架的制备方法，包括 以下步骤(1)配料取用酚醛树脂，并向其中分别添加酚醛树脂质量20% 30%的发泡 齐U、0.1 % 0.5%的乳化剂及0.5%~0.9%的填料，混合均勻得树脂混合物；(2)发泡固化向所述树脂混 合物中加入所述酚醛树脂质量15% 20%的固化 齐U，混合均勻后立即置于水浴中发泡(常压发泡)，再在水浴中进行预固化，得到预固化 体；(3)干燥固化将所述预固化体进行干燥以进一步固化，获得泡沫炭前驱体；(4)碳化烧成隔绝空气状态下，对所述泡沫炭前驱体进行碳化烧成，得到泡 沫炭生物支架。上述的泡沫炭生物支架的制备方法中，所述发泡剂优选为正戊烷；所述乳化 剂优选为十六烷基苯磺硫酸钠；所述填料优选为石墨粉；所述固化剂优选为质量浓度 15% 25%的稀硫酸。上述的泡沫炭生物支架的制备方法中，所述水浴的温度优选控制在60°C 70°C,在所述水浴中发泡时一般搅拌5 10分钟，所述预固化的时间在30分钟以上。上述的泡沫炭生物支架的制备方法中，所述干燥时的温度优选控制在100°C 150°C,干燥时间优选在24小时以上。上述的泡沫炭生物支架的制备方法中，所述碳化烧成时的温度优选控制在 800°C 1000°C，保温时间优选在3小时以上(升温时间未计算在所述保温时间内)。作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的泡沫炭生物支架在体外细胞 培养上的应用，应用时针对不同细胞种类的需求将植有细胞的泡沫炭生物支架置于静态 或动态的循环培养体系中培养。与现有技术相比，本发明的优点在于1)利用非降解三维连通孔网络结构的泡 沫炭作为细胞培养生物支架材料，不仅可以实现细胞体外高密度培养，降低细胞培养成 本，更能维持细胞体外培养时的功能化，实现高活性三维立体培养；2)本发明泡沫炭前 驱体的发泡过程中加入填料石墨，用于提高发泡效率与稳定性，大大提高了发泡法制备 泡沫炭生物支架的开孔率。本发明的泡沫炭生物支架不仅具有长期稳定的机械强度，且开孔率高、密度 低，所选用的碳材料由于本身的化学惰性，对生物体无毒，生物相容性好；且本发明泡 沫炭生物支架的三维空间结构有利于细胞在立体空间内相互联系，从而更拟真地呈现细 胞在生物体内的生长状况，是一类极具应用前景的体外细胞培养支架。
图1为本发明实施例制得的泡沫炭生物支架材料的低倍形貌显微照片。图2为本发明实施例制得的泡沫炭生物支架材料的高倍形貌显微照片。图3为本发明实施例制得的泡沫炭生物支架材料的细胞附着显微照片，其中a 图 e图分别为细胞种植后1小时、2小时、3小时、4小时、5小时五个时间点细胞附着于生物支架材料表面的显微照片。
具体实施例方式实施例
一种如图1 图2所示的本发明的泡沫炭生物支架，该泡沫炭生物支架是由酚醛 树脂形成的前驱体经碳化而成，而前驱体是酚醛树脂在常压下经发泡固化后形成。本实 施例的泡沫炭生物支架具有三维的连通孔结构，其连通孔的孔径在220微米左右，开孔 率为80士2%。上述本实施例的泡沫炭生物支架的制备方法，主要包括以下步骤(1)配料取用100份的酚醛树脂(本实施例中采用的是2130牌号酚醛树脂)， 先加入30份的发泡剂正戊烷，然后分别加入0.5份的乳化剂十六烷基苯磺硫酸钠和0.9份 的填料石墨粉(石墨粉过200目筛)，搅拌混合均勻得树脂混合物；(2)发泡固化向步骤(1)得到的树脂混合物中加入20份固化剂稀硫酸(质量 浓度为20%)，混合均勻后立即置于60°C水浴中发泡，发泡时搅拌5 10分钟，然后在 水浴中预固化30分钟，得到预固化体；(3)干燥固化将步骤(2)得到的预固化体置于150°C的鼓风干燥箱中进一步固 化24小时，获得泡沫炭前驱体；(4)碳化烧成在隔绝空气的状态下，将干燥固化后得到的泡沫炭前驱体放到 陶瓷坩埚中，碳粉密封隔绝空气，再将陶瓷坩埚置于电阻炉中进行碳化烧成，碳化烧成 的机制如下表1所示，烧成完成后得到泡沫炭生物支架。表1 实施例的碳化烧成机制
权利要求
1.一种泡沫炭生物支架，其特征在于所述泡沫炭生物支架是由酚醛树脂形成的前 驱体经碳化而成，所述前驱体是酚醛树脂在常压下经发泡固化后形成。
2.根据权利要求1所述的泡沫炭生物支架，其特征在于所述泡沫炭生物支架具有 三维的连通孔结构。
3.根据权利要求2所述的泡沫炭生物支架，其特征在于所述泡沫炭生物支架中连 通孔的孔径范围为50微米 500微米，开孔率为70% 90%。
4.一种泡沫炭生物支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)配料取用酚醛树脂，并向其中分别添加酚醛树脂质量20% 30%的发泡剂、 0.1%~0.5%的乳化剂及0.5 % 0.9 %的填料，混合均勻得树脂混合物；(2)发泡固化向所述树脂混合物中加入所述酚醛树脂质量15% 20%的固化剂， 混合均勻后立即置于水浴中发泡，再在水浴中进行预固化，得到预固化体；(3)干燥固化将所述预固化体进行干燥以进一步固化，获得泡沫炭前驱体；(4)碳化烧成隔绝空气状态下，对所述泡沫炭前驱体进行碳化烧成，得到泡沫炭 生物支架。
5.根据权利要求4所述的泡沫炭生物支架的制备方法，其特征在于所述发泡剂为 正戊烷；所述乳化剂为十六烷基苯磺硫酸钠；所述填料为石墨粉；所述固化剂为质量浓 度15% 25%的稀硫酸。
6.根据权利要求4或5所述的泡沫炭生物支架的制备方法，其特征在于所述水浴的 温度控制在60°C 70°C，在所述水浴中发泡时搅拌5 10分钟，所述预固化时间在30 分钟以上。
7.根据权利要求4或5所述的泡沫炭生物支架的制备方法，其特征在于所述干燥时 的温度控制在100°C 150°C，干燥时间在24小时以上。
8.根据权利要求4或5所述的泡沫炭生物支架的制备方法，其特征在于所述碳化烧 成时的温度控制在800°C 1000°C，保温时间在3小时以上。
9.一种如权利要求1 3中任一项所述的泡沫炭生物支架在体外细胞培养上的应用， 应用时针对不同细胞种类的需求将植有细胞的泡沫炭生物支架置于静态或动态的循环培 养体系中培养。
全文摘要
本发明公开了一种泡沫炭生物支架及其制备方法和应用。该泡沫炭生物支架由酚醛树脂在常压下发泡固化后形成的前躯体经碳化而成。制备时先进行配料，然后置于水浴中发泡固化，再干燥固化得到前驱体，前驱体碳化烧成得到泡沫炭生物支架。该泡沫炭生物支架在体外细胞培养上进行应用时，针对不同细胞种类的需求将植有细胞的泡沫炭生物支架置于静态或动态的循环培养体系中培养。该泡沫炭生物支架具有良好的开孔率和生物相容性，机械强度高，可以广泛地应用在体外细胞培养中。
文档编号A61L27/08GK102008747SQ20101058638
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者刘海蓉, 周征, 夏磊磊 申请人:湖南大学