一种具有取向孔道结构的多级多孔材料及其制备方法和应用

本发明属于医用材料，具体涉及一种具有取向孔道结构的多级多孔材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、由创伤、感染或年龄相关疾病引起的骨相关疾病，包括骨折、骨质疏松、骨关节炎等，造成了无法自行愈合的骨缺损和骨不连，仍显著影响患者的生活质量。用于骨修复的材料包括自体移植物、同种异体移植物、异种移植物和合成骨材料。其中，自体移植物被认为是骨修复材料的“金标准”，然而自体移植物受到骨源的限制，也可能引入新的创伤和并发症。同种异体移植物和异种移植物的植入具有潜在的感染风险，可能引发免疫排斥。患病或受损的骨组织对用于移植的骨替代物提出了巨大的需求，是每年移植量第二大的组织。近年来，随着组织工程技术的飞速发展，骨组织工程策略显示出有望取代传统骨移植方法来替代或再生修复受损骨组织的潜力。

2、天然骨组织由七级结构组成，在宏观和微观水平上都具有明显的取向结构。骨组织在承载人体重力时，宏观水平上其取向方向受力远远大于垂直于取向方向受力。而取向方向上更大的应力载荷通过骨组织的各向异性粘弹行为，即取向方向上更快的应力松弛，在微观水平将外界应力载荷传导到孔壁上黏附的细胞上时，其所受到应力大小与受力时间相较于在垂直取向方向上都更大。这种各向异性结构导致的各向异性力学性能和应力响应特性引起了各向异性的应力传导，最终导致了微观上孔壁细胞受力大小、受力时间不同，而骨修复效果与骨细胞受力密切相关。具有取向孔道和多级多孔的仿生结构，以及由各向异性结构带来的类似真实骨的各向异性力学性能和应力响应特性的支架具有作为骨组织修复材料的巨大潜力。

3、由于聚合物分子链的高度自缠结，难以形成较为规整的取向大通孔，小孔的形成相比于大孔更加困难，结构难以控制，目前没有简单快速制备均匀取向大孔的方法，更没有一步实现大孔套小孔的多级多孔结构的方法。目前的研究集中在通过传统刻蚀法、模板法、3d打印、发泡、相分离、静电纺丝等方法来制备具有取向孔道结构的材料。但3d打印存在的台阶效应和界面效应导致材料力学强度差且打印时间较长，需要精密的3d打印设备；利用冰模板法则存在溶剂选择受限、孔隙不均难以控制和易成闭孔等缺点；采用静电纺丝操作步骤复杂繁琐，且材料虽然具有很好的取向结构但由于其纤维直径较小且较软所以压缩强度较差；传统相分离法由于溶剂挥发、凝固浴和热致相分离的相分离动力学过程较慢，形成的孔取向程度低，没有各向异性力学性能。因此，寻找一步制备具有取向孔道结构的多级多孔材料的方法，开展各向异性结构支架所带来的粘弹性及应力响应特性对bmsc细胞行为影响及机理的研究，在骨组织工程支架领域具有重大意义。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种具有取向孔道结构的多级多孔材料的制备方法。该方法制备的材料具有均匀的取向大孔通道结构及其孔壁上均匀的互连小孔结构，且具有优异的各向异性力学性能，所得具有取向孔道结构的多级多孔材料能够作为骨组织工程支架以较好地修复大鼠股骨临界骨缺损。

2、具体地，在第一个方面，本发明提供了一种具有取向孔道结构的多级多孔材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制备聚合物溶液：将聚合物a和聚合物b溶解在有机溶剂中，得到重量体积浓度为20-60w/v%的聚合物溶液，其中聚合物a选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚己内酯、聚乳酸或聚偏氟乙烯，聚合物b选自聚乙烯亚胺或聚乙烯吡咯烷酮，聚合物a与聚合物b的质量比例为5-10:1或者不使用聚合物b；（2）原位析出聚合物薄膜：将聚合物溶液加入到容器中，然后在使得聚合物溶液的液面相对于反溶剂凝固浴的液面保持倾斜的情况下将该容器匀速完全浸没在反溶剂凝固浴中，直至在聚合物溶液与反溶剂凝固浴的界面处原位析出聚合物薄膜并包封容器内部的聚合物溶液，所述反溶剂凝固浴选自去离子水、乙醇或其混合溶液；（3）聚合物溶液全部析出成型：从所述容器的底部向容器内施加负压，以促使反溶剂凝固浴通过步骤（2）析出的聚合物薄膜进入容器内部，从而使得容器内部的聚合物溶液发生相分离，直至聚合物溶液全部析出成型；（4）后处理：将步骤（3）得到的全部析出成型的聚合物材料除去剩余有机溶剂，经干燥后即得到具有取向孔道结构的多级多孔材料。

3、进一步地，所述有机溶剂选自n,n-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、二甲基亚砜、n-甲基吡咯烷酮或上述溶剂的混合溶剂。

4、进一步地，步骤（1）中所述溶解在20-60℃下进行。

5、进一步地，所述反溶剂凝固浴的温度为20-60℃。

6、进一步地，所述反溶剂凝固浴通过聚合物薄膜的速度为0.1ml/min~120ml/min，例如1ml/min~10ml/min，3ml/min~6ml/min。

7、进一步地，步骤（3）中从所述容器的底部向容器内施加负压是通过容器底部的负压装置实现的。

8、进一步地，所述负压装置是活塞结构或可外接真空泵的接口结构，其通过匀速拉伸活塞或在接口处外接真空泵以对装置内密闭系统施加负压。

9、进一步地，所述容器为顶部具有任意形状开口，且通过与开口形状相同的流道与中间型腔连接，型腔可为任意形状；同时底部为包括活塞结构和可外接真空泵的接口结构的负压装置并通过流道与容器型腔连接，通过匀速拉伸活塞或在接口处外界真空泵以对装置内密闭系统施加负压。

10、进一步地，步骤（4）中所述除去剩余有机溶剂包括在去离子水中浸泡并超声。

11、进一步地，所述干燥包括冷冻干燥、烘干或风干。

12、进一步地，所得到的具有取向孔道结构的多级多孔材料具有孔径为0.1μm~300μm的均匀取向大孔结构，同时在其孔壁上有相互连通的纳米级小孔结构。

13、在第二方面，本发明提供了一种具有取向孔道结构的多级多孔材料，其由如本文所述的制备方法得到。

14、进一步地，所述具有取向孔道结构的多级多孔材料具有孔径为0.1μm~300μm的均匀取向大孔结构，同时在其孔壁上有相互连通的纳米级小孔结构。

15、在第三方面，本发明提供了如本文所述的具有取向孔道结构的多级多孔材料在制备用于骨修复的材料中的用途。

16、进一步地，所述用于骨修复的材料包括骨组织工程支架。

17、本发明的有益效果：本发明的制备方法简单快速，一步法就能得到具有均匀取向大孔的多级多孔材料；本发明的制备方法成型速度快，成型周期短，成型过程简单；本发明的方法制备的材料具有取向孔道结构，具有较好的各向异性及其带来的各向异性力学能；本发明制备的骨组织工程支架能够较好地修复大鼠股骨临界骨缺损；本发明制备的材料具有潜在的导热导电应用潜力。

技术特征：

1.一种具有取向孔道结构的多级多孔材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂选自n,n-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、二甲基亚砜、n-甲基吡咯烷酮或上述溶剂的混合溶剂。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述溶解在20-60℃下进行。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述反溶剂凝固浴的温度为20-60℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述反溶剂凝固浴通过聚合物薄膜的速度为0.1ml/min~120ml/min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中从所述容器的底部向容器内施加负压是通过容器底部的负压装置实现的。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述除去剩余有机溶剂包括在去离子水中浸泡并超声，所述干燥包括冷冻干燥、烘干或风干。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所得到的具有取向孔道结构的多级多孔材料具有孔径为0.1μm~300μm的均匀取向大孔结构，同时在其孔壁上有相互连通的纳米级小孔结构。

9.一种具有取向孔道结构的多级多孔材料，其特征在于，由权利要求1-8中任一项所述的制备方法得到。

10.根据权利要求9所述的具有取向孔道结构的多级多孔材料在制备用于骨修复的材料中的用途。

技术总结
本发明属于医用材料技术领域，具体涉及一种具有取向孔道结构的多级多孔材料及其制备方法和应用。本发明基于反溶剂诱导相分离将聚合物A和聚合物B的混合溶液在反溶剂凝固浴中进行逐层相分离，制备了一种具有取向孔道结构的多级多孔材料，该材料具有均匀的取向大孔通道结构及其孔壁上均匀的互连小孔结构，且具有优异的各向异性力学性能，所得具有取向孔道结构的多级多孔材料能够作为骨组织工程支架以较好地修复大鼠股骨临界骨缺损。

技术研发人员：陈军,刘林,喻鹏,张正民,杨伟
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/6