專利名稱：改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體涉及一種改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法。
背景技術(shù)：
組織工程支架材料是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域組織工程研究的重點(diǎn)之一。生物材料是種子細(xì)胞形成組織之前賴以生存和依附的三維支架，它能將細(xì)胞固定于一定位置，為其生長、繁殖、新陳代謝及細(xì)胞外基質(zhì)分泌等生理活動(dòng)提供場所，并引導(dǎo)再生組織基本形狀。作為組織工程的支架材料應(yīng)具備如下特點(diǎn)①良好生物相容性及組織相容性利于細(xì)胞粘附與增殖，無細(xì)胞毒性，無免疫原性，不引起炎癥反應(yīng)；②生物可降解性可完全降解，產(chǎn)物無毒，降解速率與組織形成速率基本一致；③具有可塑性及一定機(jī)械強(qiáng)度，能維持特定的大小和形狀，可引導(dǎo)組織再生；④一定的孔隙率及適當(dāng)大小的孔徑，細(xì)胞能均勻分布在材料表面及內(nèi)部；⑤無毒、無不良反應(yīng)，性質(zhì)穩(wěn)定，易貯存、易消毒等。
生物材料的力學(xué)性能是組織工程，特別是硬組織工程中的重要因素之一。目前，天然生物材料已受到廣泛的研究，包括甲殼素、纖維蛋白、膠原蛋白、殼聚糖等。這些材料共同特點(diǎn)就是可降解，生物相容性好，但力學(xué)強(qiáng)度不足，從而限制了它們的發(fā)展。玉米醇溶蛋白是玉米的主要儲(chǔ)藏蛋白，占玉米中蛋白的45％-50％。玉米醇溶蛋白已被研究用于醫(yī)用粘合劑，生物可降解塑料，口香糖，可食用抗?jié)袷称钒b，酸敏感藥物釋放體系，微球，微囊化殺蟲劑，口服藥物掩味劑，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)條帶和創(chuàng)傷敷料等許多方面。研究表明玉米醇溶蛋白具有良好的生物可降解性和生物相容性，是一種可應(yīng)用于組織工程的新型天然聚合物。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號(hào)為CN1555892A的專利，該專利將植物源性醇溶蛋白與食鹽等致孔劑混合，在一定溫度和濕度的條件下自然成型，或經(jīng)模壓成型、水煮除去致孔劑后冷凍干燥而制得。盡管上述方法可以獲得具有一定力學(xué)強(qiáng)度和孔隙特性的支架，但其力學(xué)性能較差，壓縮模量僅幾十MPa，而且材料脆性大，無法得到拉伸性能和彎曲性能。因此，上述方法制備的植物源性蛋白三維支架在組織工程中的應(yīng)用受到限制，不適用于承力部位，特別是骨組織工程的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法。使其通過加入一種或幾種脂肪酸來改善植物源性蛋白作為生物醫(yī)用三維支架材料的力學(xué)性能，加入合適的致孔劑制備具有良好孔隙特性并滿足組織工程對(duì)力學(xué)性能要求的三維多孔支架材料，其壓縮強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度及相應(yīng)模量在正常人體骨的力學(xué)強(qiáng)度范圍內(nèi)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明將脂肪酸與植物源性醇溶蛋白按比例混合后，再加入致孔劑，經(jīng)模壓成型，然后加固成型，采用水浴瀝濾除去致孔劑后冷凍干燥而制得具有高力學(xué)強(qiáng)度和孔隙率的植物源性蛋白三維支架。所述的脂肪酸與植物源性醇溶蛋白的質(zhì)量比為0.1∶1-0.6∶1，推薦比例為0.1∶1-0.3∶1。所述的致孔劑與植物源性醇溶蛋白質(zhì)量比為1∶9-7∶3。
所述的加固成型，是指在35-45℃(推薦使用37-40℃)、95％-100％相對(duì)濕度(推薦使用97％-100％)環(huán)境下自然成型。成型時(shí)間需要14-35天(推薦時(shí)間21-28天)。
所述的植物源性醇溶蛋白，是米、小麥、大麥、裸麥、燕麥或玉米的醇溶性蛋白。推薦使用玉米醇溶蛋白。
所述的脂肪酸，包括硬脂酸、棕櫚酸等飽和脂肪酸，以及油酸、亞油酸等不飽和脂肪酸。
所述的致孔劑，是甘露醇、山梨醇、葡萄糖、乳糖或麥芽糖。
所述的水浴瀝濾除去致孔劑，是指在支架成型后，將支架放于瀝濾溫度40-65℃水浴中，使致孔劑溶解于水中而從支架中去除，每隔兩小時(shí)更換一次水，瀝濾時(shí)間36-72小時(shí)。推薦瀝濾溫度50-55℃，推薦瀝濾時(shí)間48-60小時(shí)。
本發(fā)明添加脂肪酸改善支架的性能，脂肪酸是一種優(yōu)良的塑化劑，它們可以滲透到植物源性醇溶蛋白大分子分開的鏈之間，在較高的濕度和溫度條件下通過降低醇溶蛋白分子的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。一方面，它們減少植物源性蛋白分子鏈間的摩擦力，從而使得大分子間的運(yùn)動(dòng)易于發(fā)生，使得醇溶蛋白分子間的相互作用增強(qiáng)；另一方面，在較高的濕度和溫度條件下脂肪酸(塑化劑)與植物源性醇溶蛋白分子間發(fā)生劇烈的相互作用。因此，在除去致孔劑后形成了具有良好力學(xué)性能的多孔支架。
本發(fā)明用不同類型的脂肪酸對(duì)支架力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究，同時(shí)考察了同一脂肪酸在不同比例的條件下對(duì)支架材料的力學(xué)性能的作用。本發(fā)明所用材料的原料來源廣泛、價(jià)格低廉、工藝要求低，適合作為生物醫(yī)用材料。
本發(fā)明方法添加脂肪酸后制得的支架的力學(xué)性能得到明顯改善，與對(duì)照組(不添加脂肪酸)相比大大增加。所得的植物源性蛋白三維支架最大壓縮強(qiáng)度和模量達(dá)到151.3MPa和937MPa，最大彎曲強(qiáng)度和模量達(dá)到45.1MPa和和876MPa；拉伸強(qiáng)度和模量分別為11.4MPa和和1240MPa。孔隙率最高達(dá)到82.5％。不添加脂肪酸的支架的最大壓縮強(qiáng)度和模量為46.6MPa和1021MPa，但材料脆性大，未獲得其相應(yīng)拉伸性能和彎曲性能的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一將油酸與植物源性醇溶蛋白按0.1∶1的質(zhì)量比混勻，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質(zhì)量比為1∶9的比例加入甘露醇、混勻，模壓成型，然后將制備好的樣品放于相對(duì)濕度95％，40℃條件下成型21天。所述的植物源性醇溶蛋白是一種來源于玉米的醇溶性蛋白。在支架成型后，將支架放于55℃水浴中，使致孔劑溶解于水中而從支架中去除，每隔兩小時(shí)更換一次水，瀝濾時(shí)間72小時(shí)。再經(jīng)真空冷凍干燥12小時(shí)即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試和采用氣體排出法進(jìn)行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強(qiáng)度和模量分別達(dá)到83.3MPa和877MPa；彎曲強(qiáng)度和模量分別達(dá)到19.7MPa和529MPa；拉伸強(qiáng)度和模量分別為5.2MPa和468MPa。支架的孔隙率達(dá)到28.0％。
實(shí)施例二將硬脂酸與植物源性蛋白按0.1∶1的質(zhì)量比混勻，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質(zhì)量比為3∶7的比例加入山梨醇、混勻，模壓成型，然后將制備好的樣品放于相對(duì)濕度97％，37℃條件下成型35天。所述的植物源性醇溶蛋白是一種來源于裸麥的醇溶性蛋白。在支架成型后，將支架放于40℃水浴中，使致孔劑溶解于水中而從支架中去除，每隔兩小時(shí)更換一次水，瀝濾時(shí)間60小時(shí)。再經(jīng)真空冷凍干燥12小時(shí)即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試和采用氣體排出法進(jìn)行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強(qiáng)度和模量分別達(dá)到15.3MPa和339MPa；彎曲強(qiáng)度和模量分別達(dá)到6.2MPa和308MPa；拉伸強(qiáng)度和模量分別為1.6MPa和378MPa。支架的孔隙率達(dá)到53.5％。
實(shí)施例三將亞油酸與植物源性醇溶蛋白按0.1∶1的質(zhì)量比混勻，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質(zhì)量比為7∶3的比例加入乳糖、混勻，模壓成型。然后將制備好的樣品放于相對(duì)濕度100％，45℃條件下成型14天。所述的植物源性醇溶蛋白是一種來源于米的醇溶性蛋白。在支架成型后，將支架放于60℃水浴中，使致孔劑溶解于水中而從支架中去除，每隔兩小時(shí)更換一次水，瀝濾時(shí)間48小時(shí)。再經(jīng)真空冷凍干燥12小時(shí)即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試和采用氣體排出法進(jìn)行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強(qiáng)度和模量分別達(dá)到3.9MPa和27MPa；彎曲強(qiáng)度和模量分別達(dá)到1.3MPa和19MPa；拉伸強(qiáng)度和模量分別為0.5MPa和9MPa。支架的孔隙率達(dá)到82.5％。
實(shí)施例四將亞油酸與植物源性醇溶蛋白按0.2∶1的質(zhì)量比混合，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質(zhì)量比為1∶9的比例加入葡萄糖、混勻，模壓成型，然后將制備好的樣品放于相對(duì)濕度100％，39℃條件下成型21天。所述的植物源性醇溶蛋白是一種來源于小麥的醇溶性蛋白。在支架成型后，將支架放于50℃水浴中，使致孔劑溶解于水中而從支架中去除，每隔兩小時(shí)更換一次水，瀝濾時(shí)間72小時(shí)。再經(jīng)真空冷凍干燥12小時(shí)即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試和采用氣體排出法進(jìn)行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強(qiáng)度和模量分別達(dá)到121.3MPa和937MPa；彎曲強(qiáng)度和模量分別達(dá)到35.2MPa和876MPa；拉伸強(qiáng)度和模量分別為7.4MPa和1240MPa。支架的孔隙率達(dá)到25.0％。
實(shí)施例五將油酸與植物源性蛋白按0.2∶1的質(zhì)量比混合，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質(zhì)量比為3∶7的比例加入甘露醇、混勻，模壓成型，然后將制備好的樣品放于相對(duì)濕度95％，37℃條件下成型28天。所述的植物源性醇溶蛋白是一種來源于玉米的醇溶性蛋白。在支架成型后，將支架放于65℃水浴中，使致孔劑溶解于水中而從支架中去除，每隔兩小時(shí)更換一次水，瀝濾時(shí)間36小時(shí)。再經(jīng)真空冷凍干燥12小時(shí)即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試和采用氣體排出法進(jìn)行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強(qiáng)度和模量分別達(dá)到51.8MPa和587MPa；彎曲強(qiáng)度和模量分別達(dá)到18.2MPa和521MPa；拉伸強(qiáng)度和模量分別為4.1MPa和762MPa。支架的孔隙率達(dá)到41.5％。
實(shí)施例六將棕櫚酸與植物源性醇溶蛋白按0.15∶1的質(zhì)量比混合，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質(zhì)量比為7∶3的比例加入甘露醇、混勻，模壓成型，然后將制備好的樣品放于相對(duì)濕度100％，40℃條件下成型35天。所述的植物源性醇溶蛋白是一種來源于玉米的醇溶性蛋白。在支架成型后，將支架放于50℃水浴中，使致孔劑溶解于水中而從支架中去除，每隔兩小時(shí)更換一次水，瀝濾時(shí)間48小時(shí)。再經(jīng)真空冷凍干燥12小時(shí)即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試和采用氣體排出法進(jìn)行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強(qiáng)度和模量分別達(dá)到4.9MPa和19MPa；彎曲強(qiáng)度和模量分別達(dá)到1.6MPa和17MPa；拉伸強(qiáng)度和模量分別為0.5MPa和14MPa。支架的孔隙率達(dá)到81.5％。
實(shí)施例七將硬脂酸與植物源性醇溶蛋白按0.6∶1的質(zhì)量比混合，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質(zhì)量比為1∶9的比例加入麥芽糖、混勻，模壓成型，然后將制備好的樣品放于相對(duì)濕度97％，39℃條件下成型21天。所述的植物源性醇溶蛋白是一種來源于玉米的醇溶性蛋白。在支架成型后，將支架放于55℃水浴中，使致孔劑溶解于水中而從支架中去除，每隔兩小時(shí)更換一次水，瀝濾時(shí)間72小時(shí)。再經(jīng)真空冷凍干燥12小時(shí)即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試和采用氣體排出法進(jìn)行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強(qiáng)度和模量分別達(dá)到12.7MPa和249MPa；彎曲強(qiáng)度和模量分別達(dá)到5.1MPa和196MPa；拉伸強(qiáng)度和模量分別為1.4MPa和208MPa。支架的孔隙率達(dá)到18.5％。
實(shí)施例八將油酸與植物源性醇溶蛋白按0.6∶1的質(zhì)量比混合，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質(zhì)量比為3∶7的比例加入山梨醇、混勻，模壓成型，然后將制備好的樣品放于相對(duì)濕度100％，35℃條件下成型28天。所述的植物源性醇溶蛋白是一種來源于玉米的醇溶性蛋白。在支架成型后，將支架放于45℃水浴中，使致孔劑溶解于水中而從支架中去除，每隔兩小時(shí)更換一次水，瀝濾時(shí)間72小時(shí)。再經(jīng)真空冷凍干燥12小時(shí)即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試和采用氣體排出法進(jìn)行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強(qiáng)度和模量分別達(dá)到15.3MPa和223MPa；彎曲強(qiáng)度和模量分別達(dá)到4.5MPa和131MPa；拉伸強(qiáng)度和模量分別為1.7MPa和213MPa。支架的孔隙率達(dá)到49.5％。
實(shí)施例九將棕櫚酸與植物源性醇溶蛋白按0.6∶1的質(zhì)量比混合，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質(zhì)量比為7∶3的比例加入甘露醇、混勻，模壓成型，然后將制備好的樣品放于相對(duì)濕度98％，45℃條件下成型21天。所述的植物源性醇溶蛋白是一種來源于玉米的醇溶性蛋白。在支架成型后，將支架放于55℃水浴中，使致孔劑溶解于水中而從支架中去除，每隔兩小時(shí)更換一次水，瀝濾時(shí)間48小時(shí)。再經(jīng)真空冷凍干燥12小時(shí)即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試和采用氣體排出法進(jìn)行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強(qiáng)度和模量分別達(dá)到8.9MPa和159MPa；彎曲強(qiáng)度和模量分別達(dá)到3.6MPa和97MPa；拉伸強(qiáng)度和模量分別為1.5MPa和114MPa。支架的孔隙率達(dá)到61.5％。
權(quán)利要求
1.一種改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法，其特征在于，將脂肪酸與植物源性醇溶蛋白按比例混合后，再加入致孔劑，經(jīng)模壓成型，然后加固成型，采用水浴瀝濾除去致孔劑后冷凍干燥而制得具有高力學(xué)強(qiáng)度和孔隙率的植物源性蛋白三維支架，其中所述的脂肪酸與植物源性醇溶蛋白質(zhì)量比為0.1∶1-0.6∶1，致孔劑與植物源性醇溶蛋白質(zhì)量比為1∶9-7∶3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法，其特征是，所述的脂肪酸與植物源性醇溶蛋白質(zhì)量比為0.1∶1-0.3∶1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法，其特征是，所述的加固成型，是指在35-45℃、95％-100％相對(duì)濕度環(huán)境下自然成型，成型時(shí)間14-35天。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法，其特征是，所述的加固成型，是指在37-40℃、97％-100％相對(duì)濕度環(huán)境下自然成型，成型時(shí)間21-28天。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法，其特征是，所述的植物源性醇溶蛋白，是米、小麥、大麥、裸麥、燕麥或玉米的醇溶性蛋白。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法，其特征是，所述的植物源性醇溶蛋白，是玉米醇溶蛋白。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法，其特征是，所述的脂肪酸，是硬脂酸、棕櫚酸、油酸或亞油酸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法，其特征是，所述的致孔劑，是甘露醇、山梨醇、葡萄糖、乳糖或麥芽糖。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法，其特征是，所述的水浴瀝濾除去致孔劑，是指在支架成型后，將支架放于瀝濾溫度40-65℃水浴中，使致孔劑溶解于水中而從支架中去除，每隔兩小時(shí)更換一次水，瀝濾時(shí)間36-72小時(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或者9所述的改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法，其特征是，所述的水浴瀝濾除去致孔劑，瀝濾溫度50-55℃，瀝濾時(shí)間48-60小時(shí)。
全文摘要
一種生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法。本發(fā)明將脂肪酸與植物源性醇溶蛋白按比例混合后，再加入致孔劑，經(jīng)模壓成型，然后加固成型，采用水浴瀝濾除去致孔劑后冷凍干燥而制得具有高力學(xué)強(qiáng)度和孔隙率的植物源性蛋白三維支架，其中所述的脂肪酸與植物源性醇溶蛋白質(zhì)量比為0.1∶1－0.6∶1，致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質(zhì)量比為1∶9－7∶3。本發(fā)明所使用植物源性醇溶蛋白，以該材料為主要成分，添加合適的脂肪酸在所屬條件下加工成型。力學(xué)測試表明添加脂肪酸后顯著增強(qiáng)了該支架材料的力學(xué)性能。添加合適的致孔劑在所屬條件下加工成型，測試結(jié)果表明該支架材料具有滿足組織工程要求的孔隙特性和良好的力學(xué)性能。
文檔編號(hào)A61L31/10GK1775308SQ20051011099
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月1日
發(fā)明者王瑾曄, 龔生舉 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)