專利名稱：改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法
技術領域：
本發明涉及的是一種生物醫學工程技術領域的方法，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：
組織工程支架材料是生物醫學領域組織工程研究的重點之一。生物材料是種子細胞形成組織之前賴以生存和依附的三維支架，它能將細胞固定于一定位置，為其生長、繁殖、新陳代謝及細胞外基質分泌等生理活動提供場所，并引導再生組織基本形狀。作為組織工程的支架材料應具備如下特點①良好生物相容性及組織相容性利于細胞粘附與增殖，無細胞毒性，無免疫原性，不引起炎癥反應；②生物可降解性可完全降解，產物無毒，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械強度，能維持特定的大小和形狀，可引導組織再生；④一定的孔隙率及適當大小的孔徑，細胞能均勻分布在材料表面及內部；⑤無毒、無不良反應，性質穩定，易貯存、易消毒等。
生物材料的力學性能是組織工程，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。這些材料共同特點就是可降解，生物相容性好，但力學強度不足，從而限制了它們的發展。玉米醇溶蛋白是玉米的主要儲藏蛋白，占玉米中蛋白的45％-50％。玉米醇溶蛋白已被研究用于醫用粘合劑，生物可降解塑料，口香糖，可食用抗濕食品包裝，酸敏感藥物釋放體系，微球，微囊化殺蟲劑，口服藥物掩味劑，生物學實驗條帶和創傷敷料等許多方面。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，是一種可應用于組織工程的新型天然聚合物。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利公開號為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強度和孔隙特性的支架，但其力學性能較差，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。
發明內容
本發明為了解決現有技術中存在的上述問題，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用三維支架材料的力學性能，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力學性能要求的三維多孔支架材料，其壓縮強度、拉伸強度和三點彎曲強度及相應模量在正常人體骨的力學強度范圍內。
本發明是通過以下技術方案來實現的，本發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強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％相對濕度(推薦使用97％-100％)環境下自然成型。成型時間需要14-35天(推薦時間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，每隔兩小時更換一次水，瀝濾時間36-72小時。推薦瀝濾溫度50-55℃，推薦瀝濾時間48-60小時。
本發明添加脂肪酸改善支架的性能，脂肪酸是一種優良的塑化劑，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轉化溫度。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動易于發生，使得醇溶蛋白分子間的相互作用增強；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性能的多孔支架。
本發明用不同類型的脂肪酸對支架力學性能的影響進行了研究，同時考察了同一脂肪酸在不同比例的條件下對支架材料的力學性能的作用。本發明所用材料的原料來源廣泛、價格低廉、工藝要求低，適合作為生物醫用材料。
本發明方法添加脂肪酸后制得的支架的力學性能得到明顯改善，與對照組(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度和模量達到151.3MPa和937MPa，最大彎曲強度和模量達到45.1MPa和和876MPa；拉伸強度和模量分別為11.4MPa和和1240MPa。孔隙率最高達到82.5％。不添加脂肪酸的支架的最大壓縮強度和模量為46.6MPa和1021MPa，但材料脆性大，未獲得其相應拉伸性能和彎曲性能的結果。
具體實施例方式
實施例一將油酸與植物源性醇溶蛋白按0.1∶1的質量比混勻，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質量比為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，每隔兩小時更換一次水，瀝濾時間72小時。再經真空冷凍干燥12小時即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗機進行力學性能測試和采用氣體排出法進行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強度和模量分別達到83.3MPa和877MPa；彎曲強度和模量分別達到19.7MPa和529MPa；拉伸強度和模量分別為5.2MPa和468MPa。支架的孔隙率達到28.0％。
實施例二將硬脂酸與植物源性蛋白按0.1∶1的質量比混勻，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質量比為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，每隔兩小時更換一次水，瀝濾時間60小時。再經真空冷凍干燥12小時即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗機進行力學性能測試和采用氣體排出法進行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強度和模量分別達到15.3MPa和339MPa；彎曲強度和模量分別達到6.2MPa和308MPa；拉伸強度和模量分別為1.6MPa和378MPa。支架的孔隙率達到53.5％。
實施例三將亞油酸與植物源性醇溶蛋白按0.1∶1的質量比混勻，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質量比為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，每隔兩小時更換一次水，瀝濾時間48小時。再經真空冷凍干燥12小時即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗機進行力學性能測試和采用氣體排出法進行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強度和模量分別達到3.9MPa和27MPa；彎曲強度和模量分別達到1.3MPa和19MPa；拉伸強度和模量分別為0.5MPa和9MPa。支架的孔隙率達到82.5％。
實施例四將亞油酸與植物源性醇溶蛋白按0.2∶1的質量比混合，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質量比為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，每隔兩小時更換一次水，瀝濾時間72小時。再經真空冷凍干燥12小時即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗機進行力學性能測試和采用氣體排出法進行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強度和模量分別達到121.3MPa和937MPa；彎曲強度和模量分別達到35.2MPa和876MPa；拉伸強度和模量分別為7.4MPa和1240MPa。支架的孔隙率達到25.0％。
實施例五將油酸與植物源性蛋白按0.2∶1的質量比混合，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質量比為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，每隔兩小時更換一次水，瀝濾時間36小時。再經真空冷凍干燥12小時即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗機進行力學性能測試和采用氣體排出法進行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強度和模量分別達到51.8MPa和587MPa；彎曲強度和模量分別達到18.2MPa和521MPa；拉伸強度和模量分別為4.1MPa和762MPa。支架的孔隙率達到41.5％。
實施例六將棕櫚酸與植物源性醇溶蛋白按0.15∶1的質量比混合，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質量比為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，每隔兩小時更換一次水，瀝濾時間48小時。再經真空冷凍干燥12小時即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗機進行力學性能測試和采用氣體排出法進行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強度和模量分別達到4.9MPa和19MPa；彎曲強度和模量分別達到1.6MPa和17MPa；拉伸強度和模量分別為0.5MPa和14MPa。支架的孔隙率達到81.5％。
實施例七將硬脂酸與植物源性醇溶蛋白按0.6∶1的質量比混合，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質量比為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，每隔兩小時更換一次水，瀝濾時間72小時。再經真空冷凍干燥12小時即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗機進行力學性能測試和采用氣體排出法進行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強度和模量分別達到12.7MPa和249MPa；彎曲強度和模量分別達到5.1MPa和196MPa；拉伸強度和模量分別為1.4MPa和208MPa。支架的孔隙率達到18.5％。
實施例八將油酸與植物源性醇溶蛋白按0.6∶1的質量比混合，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質量比為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，每隔兩小時更換一次水，瀝濾時間72小時。再經真空冷凍干燥12小時即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗機進行力學性能測試和采用氣體排出法進行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強度和模量分別達到15.3MPa和223MPa；彎曲強度和模量分別達到4.5MPa和131MPa；拉伸強度和模量分別為1.7MPa和213MPa。支架的孔隙率達到49.5％。
實施例九將棕櫚酸與植物源性醇溶蛋白按0.6∶1的質量比混合，然后再以致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質量比為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，每隔兩小時更換一次水，瀝濾時間48小時。再經真空冷凍干燥12小時即可制得植物源性蛋白三維支架。制備好的樣品采用Zwick材料萬能試驗機進行力學性能測試和采用氣體排出法進行孔隙率測試。植物源性蛋白三維支架的壓縮強度和模量分別達到8.9MPa和159MPa；彎曲強度和模量分別達到3.6MPa和97MPa；拉伸強度和模量分別為1.5MPa和114MPa。支架的孔隙率達到61.5％。
權利要求
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強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量比為0.1∶1-0.6∶1，致孔劑與植物源性醇溶蛋白質量比為1∶9-7∶3。
2.根據權利要求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量比為0.1∶1-0.3∶1。
3.根據權利要求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％相對濕度環境下自然成型，成型時間14-35天。
4.根據權利要求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％相對濕度環境下自然成型，成型時間21-28天。
5.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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，每隔兩小時更換一次水，瀝濾時間36-72小時。
10.根據權利要求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℃，瀝濾時間48-60小時。
全文摘要
一種生物醫學工程領域的改善植物源性蛋白三維支架性能的制備方法。本發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強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量比為0.1∶1－0.6∶1，致孔劑與植物源性醇溶蛋白的質量比為1∶9－7∶3。本發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。力學測試表明添加脂肪酸后顯著增強了該支架材料的力學性能。添加合適的致孔劑在所屬條件下加工成型，測試結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性能。
文檔編號A61L31/10GK1775308SQ20051011099
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月1日 優先權日2005年12月1日
發明者王瑾曄, 龔生舉 申請人:上海交通大學