冷冻干燥工艺对聚乳酸多孔支架孔结构的影响

1 . 4 . 1 多孔支架收缩率测定
测量模具内径和冷冻干燥后的多孔支架的外
径 ，分 别 记 为 D、d ，按 下 式 计 算 多 孔 支 架 的 收 缩
率 S:
5 = ^D—-d X 1 0 0 %.
(1)
1 . 4 . 2 多孔支架微观形貌观察 在低电流条件下喷金处理后用FEI SIRION场
发 射 扫 描 电 镜 观 察 观 察 多 孔 支 架 孔 的 连 通 性 ，孔的
流 成 型 装 置 （实 验 室 自 制 ）。
1.3 聚乳酸多孔支架的制备工艺
应用喷射器将去离子水喷射到装有液氮的容
器 中 激 冷 ，制 得 近 球 形 冰 粒 子 ，并 用 标 准 筛 筛 取 粒
径 600 —800m m 的 冰 粒 子 。按 一 定 比 例 将 聚 左 旋
乳 酸 溶 解 于 氯 仿 中 制 成 溶 液 。将 冰 粒 子 、模 具 、聚
聚 左 旋 乳 酸 （平 均 分 子 量 1 0 万 ，山 东省 医 疗 器 械 研 究 所 ），氯 仿 （上 海 凌 峰 化 学 试 剂 有 限 公 司 ），冰 粒 子 （实 验 室 自 制 ）。 1.2 实验仪器
LGJ — 10C 冷 冻 干 燥 机 （北 京 四 环 科 学 仪 器 有
限公司），NC101 — 1A 电 热鼓 风干燥箱 （上海试验仪
在 一 50°C 以 上 ，氯 仿 升 华 速 率 快 ，由于 升华吸 热 ，在 传 热 传 质 过 程 中 使 得 支 架 保 存 了 良 好 的 外 形 ，一50°C 时 ，由 于 接 近 氣 仿 熔 化 温 度 ，氯仿升华速 度 下 降 样 品 发 生 刚 度 下 降 现 象 ，但 是 由 于 冰 粒 子 的 支 撑 作 用 并 没 有 出 现 坍 塌 、散 架 现 象 ，较 好 的 保 存 了其外形。 2 . 2 多孔支架收缩率分析
Temperature/°C
图 2 不同冷冻干燥工艺制备的多孔支架收缩率 Fig 2 Shrinkage of porous scaffold prepared by
different freeze—drying processes
通 不 明 显 ，一 30X：孔 的 均 匀 性 改 善 ，孔 隙 为 小 孔 连 通 ，一40°C 、一50C 开 始 出 现 大 孔 连 通 ，_ 56°C 孔的 均 匀 性 ，连 通 性 最 好 。冷 冻 干 燥 过 程 中 ，冰 粒 子 被 聚 乳 酸 一 氯 仿 完 全 或 部 分 包 覆 ，但 不 溶 于 聚 乳 酸 一 氯 仿 。随 着 氯 仿 的 去 除 ，溶 质 质 量 浓 度 逐 渐 增 大 , 在冰粒子表面形成膜状层。当溶质质量浓度增大 到 一 定 程 度 后 ，这 层 膜 会 产 生 一 定 的 收 缩 ，收缩可 能 造 成 部 分 膜 的 破 裂 ，露 出 冰 粒 子 ，还 有 部 分 未 破
40°C 以 下 由 于 冰 粒 子 升 华 缓 慢 ，冰 粒 子 去 除后 大孔 的 连 通 明 显 。而 一 3(T C 以 上 ，冰 粒 子 升 华 加 快 、溶 液 流 动 明 显 ，冰 粒 子 始 终 被 包 覆 ，使 得 冰 粒 子 升 华 只 能 通 过 微 孔 逸 出 ，使 得 孔 的 连 通 为 微 孔 连 通 ；而 一5X：时 ，体 系 明 显 熔 化 ，氯 仿 的 去 除 为 挥 发 过 程 ， 孔结构连通程度明显下降。
率 ，孔 的 均 勾 性 、孔 隙 率 略 有 下 降 ；冷 冻 干 燥 温 度 在 聚 乳 酸 一 氣 仿 一 冰 体 系 共 熔 点 以 下 ，制备出多
孔 支 架 孔 结 构 均 匀 、连 通 度 良 好 、孔 隙 率 高 。 .
关 键 词 ：聚 乳 酸 ；冰 粒 子 ；多 孔 支 架 ；冷冻干燥 ;孔结构
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1 . 4 . 3 多孔支架孔隙率的测定
e = - ?w-2一- —w4 LX 1 0 0 %
(2)
多 孔 支 架 的 孔 隙 率 采 用 阿 基 米 德 法 测 得 ，主要 步骤如下：
每 组 样 品 测 试 三 个 试 样 ，结 果 取 算 术 平 均 值 。 2 实验结果及讨论
① 称取样品干重w,;
2.1 多孔支架外观
②
称 取 10m l装 满 无 水 乙 醇 的 密 度 瓶 的 质 图 1 为不同冷冻干燥工艺制备的多孔支架实物
量 w2;
图 ，图 1(a)是 一5°C 〜40°C 冷 冻 干 燥 制 备 的 样 品 ，图
③
将 样 品 浸 入 无 水 乙 醇 中 ，再 次 称 取 密度 瓶的1(b)和 1(c)分别为一 50C 、一56°C 制 备 的 样 品 。 一
图 3 不同冷冻干燥工艺制备的多孔支架微观形貌 Fig 3 Morphology of porous scaffold prepared by different freeze—drying processes
2 . 4 多孔支架孔隙率分析 图 4 是不同冷冻干燥工艺制备的多孔支架的孔
隙 率 ，从 图 中 可 以 明 显 看 出 随 着 温 度 的 下 降 ，孔隙 率 得 到 提 高 ，一40X：以 下 孔 隙 率 变 化 较 大 ，_ 5 t 孔 隙 率 最 差 ，一 3 0 1 和 一 40X：孔 隙 率 无 明 显 差 另 〖J ， —56°C 孔 隙 率 最 佳 。通 过 样 品 形 貌 和 收 缩 率 的 测 定 和 分 析 可 知 ，冰 粒 子 的 升 华 速 度 和 样 品 的 体 积 收 缩 明 显 影 响 样 品 的 孔 隙 率 。一5X：时 样 品 收 缩 明 显 导 致 孔 隙 率 非 常 低 ，一30C 以 下 样 品 收 缩 不 明 显 ， 但 是 由 于 冰 的 升 华 和 氯 仿 的 熔 化 、挥 发 、升 华 同 时
和 收 缩 率 测 试 ，确 定 最 佳 制 孔 条 件 。研 究 结 果 表 明 ，冷 冻 干 燥 温 度 在 一40C 以 上 ，聚乳酸多孔支架
外 形 良 好 ，但 孔 的 均 匀 性 、连 通 性 明 显 下 降 ；冷 冻 干 燥 温 度 在 一 50°C 时 ，能 够 有 效 提 高 冷 冻 干 燥 效
收 稿 日 期 ：2 0 2 1 _ 0 1 —06 基 金 项 目 ：教 育 厅 青 年 教 师 基 础 能 力 提 升 项 目 （2018 K Y 0608) 作 者 简 介 ：张 迎 盈 （1984— ) ，女 ，博 士 。研 究 方 向 ：功 能 材 料 。
2021年第 4 期
张迎盈等冷冻干燥工艺对聚乳酸多孔支架孔结构的影响
图 2 是不同冷冻干燥工艺制备的多孔支架的收 缩 率 ，从 图 中 可 以 看 出 一 5*C 冷 冻 干 燥 多 孔 支 架 存 在 明 显 的 收 缩 ，一30°C 以 下 收 缩 区 别 不 明 显 。 由于 一5 C 氯 仿 会 发 生 熔 化 ，此 过 程 的 氯 仿 的 去 除 为 挥 发 、升 华 同 时 存 在 ，再 者 冰 粒 子 升 华 快 速 使 得 氣 仿 占 据 冰 粒 子 升 华 后 留 下 的 空 间 ，样 品 收 缩 明 显 ; 一30°C 至 _5〇lC ,虽 然 氯 仿 也 会 发 生 熔 化 ，但是由 于冰粒子升华缓慢为样品提供了良好的支撑并且 阻 碍 了 溶 液 的 流 动 ，有 效 的 保 存 了 样 品 的 外 形 和 体 积 ；一56°C 为 升 华 干 燥 ，样 品 为 固 体 ，刚 度 大 ，对于 保存外形有非常好的效果。 2 . 3 多孔支架微观形貌分析
乳 酸 溶 液 在 冰 柜 中 预 冷 后 ，向 模 具 中 加 人 冰 粒 子 ，
利用渗流成型装置将聚乳酸溶液充人冰粒子间隙
中 ，将 混 合 物 和 模 具 放 入 液 氮 中 深 冷 成 型 后 脱 模 ，
分 别 在 一 5"C 、_ 30°C ,—40°C ,—50°C ,一SGC 冷冻
干 燥 ，得 到 聚 乳 酸 多 孔 支 架 。 1.4 结构与性能表征
器 有 限 公 司 ）， H aier金 王 子 冰 柜 （海 尔 集 团 ）， Sirion
场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜 （荷 兰 F E I 公 司 ），不锈钢标
准 筛 ( 6 0 目，4 0 目，3 5 目，3 0 目，2 4 目，南 京 荣 华 科
学 器 材 公司 ），F E _ 1 0 0 数 码 相 机 （OLYM PUS),渗
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内蒙古石油化工
2021年 第 4 期
冷冻干燥工艺对聚乳酸多孔支架孔结构的影响
张迎盈S 张鸿升2,董寅生2
(1.贵 州 民 族 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 ，贵 州 贵 阳 5 5 0 0 2 5 ; 2 . 东 南 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 ，江 苏 南 京 211189)
中 图 分 类 号 ：R318.08
文 献 标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1〇〇6—7981(2021)04—0034 —04
引言 组织工程中支架作为细胞的载体和组织塑形
的 支 撑 体 ，促 进 组 织 的 修 复 和 再 生 。组 织 工 程 支 架 要 求 有 良 好 的 生 物 相 容 性 、生 物 降 解 性 和 高 孔 隙 率 及 适 宜 的 孔径 范 围 [54 ]。聚 乳 酸因 其 良好 的生 物 相 容 性 和 生 物 降 解 性 能 ，作 为 骨 组 织 工 程 多 孔 支 架得到广泛的研究。常见制备聚乳酸多孔材料的 方 法 有 溶 剂 浇 铸 一 粒 子 沥 滤 、相 分 离 一 乳 化 、气体 发 泡 、快 速 成 型 等 。基 于 溶 剂 浇 铸 一 粒 子 沥 滤 工 艺 ，本 课 题 组 研 发 出 了 正 压 渗 流 一 冷 冻 干 燥 复 合 制 备 工 艺 制 备 聚 合 物 多 孔 支 架 。冷 冻 干 燥 工 艺 是 指 将 样 品 在 低 温 下 冻 结 ，然 后 在 保 持 冻 结 的 条 件 下 真 空 干燥 去 除 水 分 的 工 艺 [1°] ，该 工 艺 能 够 有 效 保 存 样 品 的 外 形 和 体 积 [11- 13],在 医 药 、食 品 、生 物 组 织 、标 本 制 作 、超 细 粉 体 制 取 等 领 域 得 到 广 泛 应 用 [1<]。本 文采用正压渗流一冷冻干燥法制备聚乳酸多孔支 架 ，对 不 同 冷 冻 干 燥 工 艺 对 多 孔 支 架 孔 结 构 的 影 响 以 及 最 佳 制 孔 条 件 进 行 研 究 ，目 的 是 制 备 出 多 孔 结 构 均 匀 、连 通 度 良 好 、孔 隙 率 高 的 聚 乳 酸 多 孔 支 架 。 1 实验方法 1 . 1 实验材料
摘 要 ：以 聚 乳 酸 为 原 料 ，冰 粒 子 为 致 孔 剂 ，采 用 正 压 渗 流 一 冷 冻 干 燥 法 制 备 聚 乳 酸 多 孔 支 架 ，
研 究 不 同 冷 冻 干 燥 工 艺 对 多 孔 支 架 孔 结 构 的 影 响 ，对 多 孔 支 架 进 行 宏 观 和 微 观 形 貌 分 析 、孔隙率
(a) — 5*C~ 一 4 0 *C ,(b)—5〇X!),(c) — 5 6 *C
图 1 不同冷冻干燥工艺制备的多孔支架外观 Fig 1 The appearance of porous scaffold prepared by different freeze—drying processes
总 质 量 W3;
5*0至 _40 °C 以 及 一56X：冷 冻 干 燥 制 的 样 品 外 形 良④ 样Leabharlann 品 取 出 后 ，称取密度瓶剩余质量
好 ， 一 50°C 冷 冻 干 燥 去 除 氯 仿 的 过 程 中 存 在 刚 度 下
⑤ 按下式计算孔隙率
降 现 象 ，但 最 终 制 的 样 品 外 观 良 好 。
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裂 的 膜 ，使 部 分 冰 粒 子 仍 然 被 溶 液 所 包 覆 ，氯仿去 除 完 成 后 ，冰 粒 子 只 能 通 过 氯 仿 升 华 留 下 的 微 孔 与 外 界 空 气 接 触 [15]。不 同 温 度 下 冰 的 升 华 速 度 不 同 ， 高 于 共 熔 点 体 系 会 存 在 熔 化 流 动 现 象 ，一 5X：至一 50*0,由 于 氯 仿 的 升 华 、挥 发 、溶 液 的 流 动 、冰的升 华 同 时 存 在 ，明 显 降 低 了 孔 的 均 匀 性 和 连 通 性 ，一
图 3 为不同冷冻干燥工艺制备的多孔支架微观 形 貌 图 ，从 图 中 可 以 明 显 看 出 孔 的 均 匀 性 、孔隙连 通 程 度 的 不 同 。大 孔 为 冰 粒 子 升 华 所 得 ，小孔为氯 仿 升 华 所 得 ， 一 5°C 制 的 多 孔 支 架 孔 的 均 匀 性 差 ，连
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