生物降解多孔phbv/ppc复合支架的新型构建方法
【专利摘要】反应性熔融共混-粒子超声沥滤-碱处理技术构建聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)(PHBV)/聚碳酸亚丙酯(PPC)多孔支架。步骤包括：将MA(1～2％)、DCP(0.1～0.5％)与PPC30rpm，130～160℃混合，得到MA封端PPC(MA-PPC)；将PHBV与GMA(1～15％)、DCP(0.1～0.5％)165～175℃混合，得到GMA改性PHBV；将MA-PPC与GMA改性PHBV、NaCl 165～175℃反应性共混，粒子超声沥滤，1～2mol/L NaOH中浸泡60～120min，水洗，冷冻干燥。构建的支架用于组织修复，有望在生物医用材料、生态环保领域推广应用。
【专利说明】
生物降解多孔PHBV/PPC复合支架的新型构建方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种全生物降解多孔聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)(PHBV)/聚碳酸亚丙酯(PPC)复合支架的构建方法，具体涉及一种基于反应性熔融共混-粒子超声沥滤-碱处理技术构建的PHBV/PPC复合支架方法，属于生物可降解材料领域，应用于食品包装、医疗器械、药物缓释或组织工程领域。
【背景技术】
[0002]组织工程是活生物体的体外重构技术，是修复或替代受损或病变组织的有效策略。采用合适的支架快速增殖细胞并保持活性分子的生物活性是组织工程领域的极大挑战。从分子水平、细胞水平、基因水平多级化构建能够介导细胞生长、诱导细胞特异性分化、维持细胞表型、具有良好生物相容性、生物降解性、优异力学性能的功能型支架，成为近年来仿生化设计的热点。
[0003]聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)(PHBV)是微生物在碳源过量，氮源、磷源缺乏时，积累在其体内作为营养和能量储存物质参与细胞代谢的热塑性脂肪族聚酯，是近年来组织工程和药物缓释领域颇有潜力的生物医学材料。其天然的无毒性、仿骨的压电性、优异的生物相容性和无明显的降解酸性、缓慢的降解速率和可控的力学性能以及对细胞的医疗或营养价值，被用于组织工程领域形成细胞骨架，激发组织再生和功能恢复。然而，PHBV结晶度较高，球晶尺寸较大，导致材料脆性较大，亲水性较差，其疏水性和脆性是限制其在体内应用最具有挑战性的关键科学问题和瓶颈难点。
[0004]聚碳酸亚丙酯(PPC)是将二氧化碳(CO2)和环氧丙烷(PO)催化合成的“双向”绿色环保型高聚物，其生产过程消耗CO2，合成过程固定和循环环境中的CO2，这不仅减少了对石油的依赖，而且因高附加值的CO2固定而降低温室效应，成为近年来倍受青睐的研究课题。PPC的柔韧性使之在组织工程中取得初步成效，将其与聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基己酸酯)(PHBHHx)共混加工的支架，力学性能和润湿性明显改善(L Zhang, Z H Zheng, J Xi, Y Gao,Q Ao, Y D Gong, N M Zhao, X F Zhang,European Polymer Journal 43(2007)2975-2986)。
[0005]将PHBV与PPC共混，在不影响降解性能的情况下，因优势互补而调控材料的物理性能，可使材料的综合性能得到优化。如董立松组加入PPC降低PHBV的球晶生长速率(S WPeng，Y X An，C Chen，B Fei，Y G Zhuang，L S Dong，Journal of Applied Polymer Science90(2003)4054-4060);陈龙组采用偏光显微镜(PLM)观察了共混物中PHBV的结晶形态(LChen，M F Zhu? L Y Song，H Yu，Y Zhang，Y Chen，H J Adler，Macromolecular Symposia210 (2004) 241-250);王淑芳组以溶液浇铸法制备的PHBV/PPC共混膜，改善了 PPC的热稳定性和生物降解性(J Tao, C J Song，M F Cao, D Hu, L Liu, N Liu, S F Wang, PolymerDegradat1n and Stability 94 (2009) 575-583)。然而，这两种组分大多不溶混，易发生相分离而使力学性能不理想。而反应性共混法是通过组分官能团在相界面上原位偶合，形成嵌段或接枝共聚物，实现共混物的反应增容，解决组分间相分离的有效策略。
[0006]向PHBV表面引入氨基、环氧基、马来酸酐(MA)、2_羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)、胶原、壳聚糖等官能团或生物大分子共价固定，可发生酯交换、接枝、解聚和再聚合等反应，获得性能优异的聚合物和共混物。其中MA的水解产物马来酸和体内三羧酸循环中间体延胡索酸的结构相同，其难于均聚，利于细胞粘附和增殖，可安全应用于体内表面改性。甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)作为一双官能团单体，其不饱和基团适用于自由基接枝，而环氧基对亲电和亲核基团如羧基、羟基或胺基有较高的反应活性。将粟壳纤维(CSF)与GMA接枝聚羟基烷酸酯(PHA-g-GMA)反应性共混，接种成纤维细胞(FB)后增殖性能优于PHA (C SWu, H T Liao, Polymer Degradat1n and Stability 99(2014)274-282)。
[0007]碱处理技术是近年来提出的改善聚合物表面润湿性和粘性的新型表面改性方法。以氢氧化钠(NaOH)处理的PHBHHx表面，血液相容性更加优异(F Shen,E L Zhang,Z J Wei,Materials Science and Engineering C 30(2010)369-375)。米用静电纺丝、溶液饶铸 /粒子沥滤、3-D沉积、热致相分离、选择性激光烧结等可加工支架，然而使用的有机溶剂可能引起体内纤维化及与周围组织的免疫反应，致使支架的力学性能并不理想，更无法解决致孔剂残留问题。
[0008]本发明通过分子设计与结构表征，采用以MA封端的PPC与GMA接枝的PHBV熔融共混，通过组分间官能团的偶合作用，调配PHBV物性，以反应性熔融共混-粒子超声沥滤-碱处理技术新思路，在无有机溶剂条件下通过界面增容技术和碱水解技术改善PHBV/PPC共混体系的力学性能和表面亲水性，构建高性能化PHBV/PPC多孔复合支架。目前以PHBV/PPC为基体，通过反应性熔融共混-粒子超产沥滤-碱处理技术来制备组织工程支架的方法国内外未有同类或相似专利或文献报道。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是以具有良好生物相容性和生物降解性的PHBV和PPC为基体，采用反应性熔融共混-粒子超声沥滤-碱处理技术提供一种PHBV/PPC多孔复合支架的构建方法。得到的复合支架使PPC和PHBV的力学性能得到互补，改善了 PHBV的脆性，使降解性能得以调控。构建方法工艺简单，环境污染小。
[0010]本发明的目的由以下技术方案实现:
[0011]一种经反应性熔融共混-粒子超声沥滤-碱处理技术构建的聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)(PHBV)/聚碳酸亚丙酯(PPC)复合支架，以所述支架的总质量为100%计，其中各组分及质量百分数如下??聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)20?80%;聚碳酸亚丙酯(PPC) 20?80%。
[0012]本发明所述聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)(PHBV)/聚碳酸亚丙酯(PPC)复合支架的制备方法如下:
[0013](I)以过氧化二异丙苯(DCP)为引发剂，将MA(1?2% )、DCP(0.1?0.5% )与PPC在30rpm，130?160°C的Haake混合机内混合，得到MA封端的PPC(MA-PPC)；
[0014](2)将 PHBV 与 GMA(1 ?15% )、DCP(0.1 ?0.5% ) 165 ?175°C混合，得到 GMA 改性 PHBV，将 MA-PPC (20 ?80% )与 GMA 改性 PHBV (20 ?80% )、致孔剂 NaCl 165 ?175。。反应性熔融共混。其中(MA-PPC+GMA改性PHBV)质量:NaCl质量=10?50%: 50?90%。共混物经热压机热压成片，冷压成型。
[0015](3)将共混产物浸泡到蒸馏水中，经粒子超声沥滤法37°C水浴中超声除去水溶性组分，称量支架的质量至没有变化，以确定盐离子完全溶出。
[0016](4)进一步将处理后的支架浸泡到I?2mol/LNa0H溶液中60?120min，水洗至中性，冷冻干燥。
[0017]本发明的原理在于:MA封端的PPC在聚合物熔融加工过程中潮湿环境下可转化为羧基，提高PPC的热稳定性，抑制PPC的降解或解拉链行为。GMA接枝PHBV上环氧基与MA封端PPC上羧基原位接枝，可阻止PHBV和PPC间交联和降解反应，改善PHBV的热稳定性和两组分间相容性，提高PHBV的韧性。
[0018]本发明的优点是:本发明方法工艺简单、设备普通。工艺只有混合、热压、超声、水洗、浸泡步骤；所使用的设备为非常普通的Haake混合机、热压机、超产清洗仪，非常适宜工业化生产。
[0019]本发明的方法所使用的原材料简单易得。PHBV及PPC是目前市场上常见的全生物降解塑料，很容易买到。PHBV由杭州天安生物股份有限公司提供，PPC由内蒙古蒙西高新技术有限公司馈赠。用本发明的方法得到的共混物可以完全生物降解，环境污染小。
[0020]与国内外现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0021](I)本发明所述的聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)(PHBV)/聚碳酸亚丙酯(PPC)复合支架使聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)和聚碳酸亚丙酯的力学性能得到了互补，改善了聚羟基丁酸-戊酸酯)的脆性，降解性能可调。
[0022](2)本发明采用反应性熔融共混增容-粒子超声沥滤-碱处理方法构建PHBV/PPC复合支架，在无有机溶剂条件下通过界面增容技术和碱水解技术改善PHBV/PPC共混体系的力学性能和表面亲水性，有利于医学应用，技术绿色环保，且方法简单容易实现。
【附图说明】
[0023]附图是肝癌细胞H印G-2在支架上附着8h的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明进一步说明，但实施例仅用于说明，并不限制发明的范围。
[0024]实施例1:
[0025]将MA、DCP与PPC在30rpm，160 °C的Haake混合机内混合，得到马来酸酐封端的 PPC (MA-PPC)；将 PHBV 与 GMA (5 % )、DCP (0.5 % ) 165 °C 混合，得到 GMA 改性 PHBV，将MA-PPC(10% )与GMA改性PHBV(10% )、致孔剂NaCl (80% ) 165°C反应性熔融共混，热压成片，冷压成型。将共混产物浸泡到蒸馏水中，经粒子超声沥滤法在37°C水浴中除去水溶性组分，称量支架的质量直到没有变化，以确定盐离子完全溶出。最后经2mol/L NaOH溶液浸泡处理90min，水洗至中性，冷冻干燥，得到多孔PHBV/PPC复合支架，孔隙率达71.34%。将肝癌细胞在支架上固定，扫描电子显微镜(SEM)观察细胞在材料表面粘附生长状态(如附图所示)。细胞在复合基质上附着情况良好。细胞逐渐长入孔隙内，形态呈圆形和类圆形，此支架具有良好的生物相容性，这对功能重建的体内研究和临床实践具有潜在的理论价值和应用前景。
[0026]实施例2:
[0027]将MA、DCP与PPC在30rpm，160 °C的Haake混合机内混合，得到MA封端的PPC (MA-PPC)；将 PHBV 与 GMA (5 % )、DCP (0.5 % ) 165 V 混合，得到 GMA 改性 PHBV，将MA-PPC (3 % )与PHBV-GMA接枝物(7 %份)、致孔剂NaCl (90 % ) 165 °C反应性熔融共混，热压成片，冷压成型。将共混产物浸泡到蒸馏水中，经粒子超声沥滤法在37°C水浴中超声除去水溶性组分，称量支架的质量直到没有变化，以确定盐离子完全溶出。最后经2mol/LNaOH溶液浸泡处理90min，水洗至中性，冷冻干燥，得到多孔PHBV/PPC复合支架，孔隙率达82.79%，体外降解周期适当，力学性能优良，可用于组织工程载体材料，用作组织修复和重建。
[0028]实施例3:
[0029]将MA、DCP与PPC在30rpm，160 °C的Haake混合机内混合，得到MA封端的PPC (MA-PPC)；将 PHBV 与 GMA (5 % )、DCP (0.5 % ) 165 °C 混合，得到 GMA 改性 PHBV，将MA-PPC (7% )与PHBV-GMA接枝物(3% )、致孔剂NaCl (90% ) 165°C反应性熔融共混，热压成片，冷压成型。将共混产物浸泡到蒸馏水中，经粒子超声沥滤法在37°C水浴中超声除去水溶性组分，称量支架的质量直到没有变化，以确定盐离子完全溶出。最后经2mol/L NaOH溶液浸泡处理90min，水洗至中性，冷冻干燥，得到多孔PHBV/PPC复合支架，孔隙率达82.9%，体外降解周期适当，力学性能优良，可用于组织工程载体材料，用作组织修复和重建。
【主权项】
1.一种聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)(PHBV)与聚碳酸亚丙酯(PPC)的反应性共混物，其特征在于该共混物的组分主要包括聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)(PHBV)，聚碳酸亚丙酯(PPC)，各种助剂。2.根据权利要求1所述的共聚物，其特征在于，所述的共混物的组分，其重量百分比为: 1)聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)(PHBV)20?80% ; 2)聚碳酸亚丙酯(PPC)20 - 80% ； 3)封端剂马来酸酐(MA):PPC质量比为0.2?5%: 95?99.8%，优选I?2%: 98?99% ； 4)引发剂过氧化二异丙苯(DCP)0.1?0.5% ; 5)改性剂甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)I?15%； 6)致孔剂氯化钠NaCl: (MA-PPC+GMA改性PHBV)质量比为50?90%: 10?50%。3.—种聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)(PHBV)/聚碳酸亚丙酯(PPC)复合支架的制备方法，其特征在于 1)以过氧化二异丙苯(DCP)为引发剂，将MA(I?2%)、DCP(0.1?0.5%)与PPC在30rpm, 130?160°C的Haake混合机内混合，得到MA封端的PPC(MA-PPC)；2)将PHBV 与 GMA (I ?15 % )、DCP (0.1 ?0.5 % ) 165 ?175 °C 混合，得到 GMA 改性PHBV,将MA-PPC与GMA改性PHBV、致孔剂NaCl 165?175°C反应性熔融共混。共混物经热压机热压成片，冷压成型。 3)将共混产物浸泡到蒸馏水中，经粒子超声沥滤法37°C水浴中超声除去水溶性组分，称量支架的质量至没有变化，以确定盐离子完全溶出。 4)进一步将处理后的支架浸泡到I?2mol/LNaOH溶液中60?120min，水洗至中性，冷冻于燥。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2)中GMA改性PHBV与MA封端PPC在混合机中混合时间为I?20min，优选为5?lOmin。
【文档编号】A61L27/18GK105879111SQ201410814153
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月24日
【发明人】李静, 高越, 闫伟, 靳泽星, 王争
【申请人】天津科技大学