生物可降解材料及其微加工技术

生物可降解材料及其微加工技术内容摘要：

生产中有更大的竞争力。 目前使用较多的人工材料 PLA和 PGA，在应用过程中存在一些问题，如无菌性炎症影响细胞成活。 另外，该产品在国外已被商品化，有其自主知识产权，依赖这种材料会在一定程度上影响我国组织工程工作的开展。 问题与展望 生物可降解材料由于具有良好的生物相容性和生物安全性，聚合物和降解产物对机体毒副作用小；能满足多种生物医学功能需要；具有良好的生物力学 性能、物理化学性能和生物性能，并可调控；具有良好的可加工性，可通过常规方法制成需要的制品；具有易消毒性和易保存性等，日益得到广泛的应用。 当今生物可降解材料在医学上的热点已经开始从缝合、固定等方面向组织工程支架材料方面发展。 但是生物可降解材料也存在一些不利之处。 生物可降解材料当前存在的问题主要是价格昂贵，难以推广，特别是适应不同对象的降解速率的可控问题还未解决。 虽然生物可降解材料存在许多问题，但相信随着技术的进步，降解速率的控制和成本的降低，生物可降解材料的应用必将越来越广泛，并且随着对生物可降解材料在医学领 域研究与应用的深入，其应用肯定也会越来越广。 组织工程到现在已经有近 20年了，随着生物技术、材料科学、计算机和基因工程等方面的突破取得了长足的进展。 但仍存在很多需要解决的问题和值得深人研究的地方。 下面仅以支架材料为例，说明目前 生物可降解材料在临床应用上存在的一些问题。 支架材料体内修复过程中机械性能的维持及调控 问题 体内修复软骨缺损其支架材料必定要承受一定的应力，怎样保持支架材料机械性能适宜这种应力环境是值得深人研究的。 Szivek[9]等设计出一种叫做感知性支架，这种支架表面装有标准化张力感受器并与微型无 线发射器相连。 用于测量步态过程中缺损修复处的负荷及压强。 但测量仅是第一步，如何按照得知的力学环境来调节支架的机械性能是人们还需进一步研究的。 支架材料外形及内部结构的设计 问题 现阶段的研究中，软骨缺损多是人为造成的缺损，其形状多规则，然而临床上的缺损多是不规则的。 虽然注射式支架材料可以用于修复这类不规则缺损，但其在机械性能上存在不足。 Manjubala[10]等结合 CAD技术而提出了快速原型设计，用于设计复杂的支架结构取得良好的效果。 现在所用的支架其内部结构是一致的，而天然软骨因组织形态的不同而分为不同层的。 所以就现实应用而言，目前的理论水平还远未达到实际需要。 支架降解率的控制问题 Solchaga[11]等认为支架的降解速度对骨软骨缺损修复进程是关键性的溶解慢的支架可以在其表面维持较厚的软骨，但这些软骨表现出裂缝及不连续。 同时也阻止缺损底部骨形成。 如何控制支架的降解率，使其更好地符合软骨形成过程，保证其良好的形成环境，至今都是尚未解决的问题。 此外，一种生物降解材料临床应用之前，必须对其毒性、致癌性、致畸性及致突变性等一系列的可能引发的问题进行详细深入的重复观察研究，但目前还很少有文献报道可吸收生物降解材 料的致肿瘤性以及其他并发症状。 因此，今后还需对其致瘤致畸性等做进一步研究，以使临床医用更加安全。 总之，组织工程软骨的提出为人们治疗软骨缺损方面的疾病提供了一条新方法，但现在依然处于起步阶段，仍有许多问题等待我们去解决。 二、生物可降解材料的微加工技术 产生微小结构的能力对于现代科学和技术来说是至关重要的。 形成新类型的微小结构或小型化现存的结构都可能会给我们带来许多新的机遇。 微加工无论在理论还是实践上都有着重要的意义，这在医用领域也是如此，下面介绍几类基于生物可降解材料的微加工技术。 微加工方法介绍 下面以目前工艺较为成熟的组织工程支架材料 微加工方法 为例，列举 生物可降解材料的 几 种 微加工方法。 1. 压 力辅助微注射器法（ pressure assisted microsyringe） [1216] 压力辅助微注射器法（ PAM）是一种使用微注射器 （ Ф1020μ m） 和平台控制的自动系统，如图 1。 图 1 PAM系统 此方法 可制备 2D， 3D生物可降解高分子支架材料 ，注射器被定位于三轴微定位系统的 Z轴， 分辨率 m。 结构的横向可沉积尺寸为 5600μ m，因 PLGA的粘度， 马达速度，以及注射器嘴的尺寸而不同 ，见图 2。 图 2 微注射器压力与线宽的关系曲线 沉积第一层后，可通过调节移动注射器在 Z轴上的上下位置沉积随后高度可变的各层，从而实现 3D结构的制备。 理论上，每层都可是不同高分子材料和不同图形，因此，可以拓宽制备 3D结构的范围。 使用材料 为 85/15PLGA。 制备的图形样品如图 3， 4。 图 3， 4 PAM 技术制备的典型 2D， 3D 样品 2. 刻蚀技术（ soft lithography） [174 [18] 软刻蚀是相对于微制造领域中占据主导地位的刻蚀而言的微图形转移和微制造的新方法 ,总的思路就是把用昂贵设备生成的微图形通过中间介质进行简便而又精确的复制 ,提高微制作的效率 ,包括微接触印刷 ,毛细微模塑 ,溶剂辅助的微模塑 ,转移微模塑 ,微模塑 ,近场光刻蚀等。 这些方法工艺简单 ,对实验室条件要求不高 ,又能在曲面上进行操作 ,甚至可制备三维的立体图形。 软刻蚀一般是通过表面复制有细微结构的弹性印章 (或印模 )来转移图 形。 其方法有用烷基硫醇“墨水”在金表面印刷。 将印模作为模具直接进行模塑。 将印模作为光掩模进行光刻蚀等 ,过程简单 ,效率高。 软刻蚀不但可在平面上制造图形 ,也可以转移图形到曲面表面。 它还可以对图形表面的化学性质加以控制 ,方便地产生具有特定官能团的图形表面；软刻蚀还能复制三维的图形 ,精细程度达 100nm以下 ,弥补了光刻蚀方法的不足，比较见表 1[17]。 软刻蚀技术的核心是图形转移元件 —— 弹性印章。 制作印章的最佳聚合物是聚二甲基硅氧烷 (PDMS) ,先用光刻蚀法在基片上刻出精细图形 ,在其上浇铸 PDMS,固化剥离得到表面 复制精细图形的弹性印章。 它化学性质稳定、柔软 ,与其它材料不粘连。 在曲面上复制微图形 ,甚至在凸透镜的表面模塑出了类似蜻蜓复眼式的众多微凸透镜。