CN101690683A - 一种组织工程心脏瓣膜支架及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种组织工程心脏瓣膜支架，由静电纺瓣叶支架与瓣膜环构成，瓣膜环于内部支撑静电纺瓣叶支架复合制得组织工程心脏瓣膜支架；其制备包括：分别制备接受模具及瓣膜环；然后将胶原蛋白纺丝溶液和性聚氨酯纺丝溶液混合均匀得到静电纺混合液进行静电纺丝，再通过静电纺纳米旋转堆积的方法成型于模具表面，然后脱模制得到具有静电纺纳米支架；最后将静电纺纳米支架与瓣膜环复合成型，即得组织工程心脏瓣膜支架。本发明的心脏瓣膜支架采用复合纳米静电纺材料，具有良好的生物相容性和机械性能，且具有较高的孔隙率；该制备方法简单，原料来源方便，成本低，对环境友好，具有良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明属组织修复用生物材料支架及其制备领域，特别是涉及一种组织工程心脏瓣膜支架及其制备方法。
背景技术
组织工程学是近年来发展起来的一门新学科，是材料学、工程学和生命科学共同发展并相互融合的产物，其中最基本的思路是在体外分离、培养细胞接种到具有一定空间结构的支架上，通过细胞之间的相互黏附、生长增殖、分泌细胞外基质，从而形成具有一定结构和功能的组织或器官。因此，筛选合适的支架材料，是构建组织工程支架成败的关键因素。1934年美国人Formhals在一篇专利中首次介绍了利用静电斥力获得聚合物纤维丝的方法。静电纺工艺是制备生物支架材料最有效的办法之一，静电纺纳米纤维用于再生医学已经引起了科学家的重视，许多生物材料已经被纺成了纳米纤维。但该工艺缺乏对孔的控制(如孔的结构、空间走向、空间走向、连通性等)，更缺乏制造复杂外形的能力。
熔融快速成型法(Fused Deposition Modeling)是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，它采用材料累加的制造原理，通过计算机处理CAD数据模型，快速制造出三维实体模型。其基本过程是首先对零件的CAD数据进行分层处理，得到零件的二维截面数据，然后根据每一层的截面数据，以特定的成型工艺(挤压成型材料、固化光敏树脂或烧结粉末等)制作出与该层截面形状一致的一层薄片，这样不断重复操作，逐层累加，直至“生长”出整个零件的实体模型。该工艺的缺点是可用材料的局限性，目前可以使用的纤维是ABS等工程塑料，目前只能够制作出病变部位的模型供研究，不具备软组织等各项机械及生物学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种组织工程心脏瓣膜支架及其制备方法，该心脏瓣膜支架采用复合纳米静电纺材料，具有良好的生物相容性和机械性能，且具有较高的孔隙率；该制备方法简单，原料来源方便，成本低，对环境友好，具有良好的经济效益。
本发明的一种组织工程心脏瓣膜支架，由静电纺瓣叶支架与瓣膜环构成，瓣膜环于内部支撑静电纺瓣叶支架复合制得组织工程心脏瓣膜支架。
所述的静电纺瓣叶支架的内径为20mm；厚度为0.2～0.4mm无序纳米纤维薄膜；长度为8mm；
所述的静电纺瓣叶支架的材料包括胶原蛋白、热塑性聚氨酯和六氟异丙醇，其中胶原蛋白∶热塑性聚氨酯＝10～80wt％∶90～20wt％；胶原蛋白与热塑性聚氨酯质量之和∶六氟异丙醇＝3～10wt％∶97～90wt％。
本发明的一种组织工程心脏瓣膜支架的制备方法：包括：
(1)通过计算机辅助设计，以ABS等工程塑料作为制作材料，用快速熔融成型法(Fused Deposition Modeling)制备具有动脉瓣几何形状，并且适合旋转接受的模具；
(2)通过计算机辅助设计，以热塑性聚氨酯作为材料，用快速熔融成型法(FusedDeposition Modeling)制备支架成型需要的瓣膜环，材料选择聚己内酯(PCLPolycaprolactone，美国sigma公司，分子量80000)；
(3)制备胶原蛋白纺丝溶液：将胶原蛋白溶于六氟异丙醇(HFIP)中，25～30℃搅拌至完全溶解，得到浓度4-10％(克/毫升)的胶原蛋白纺丝溶液；
(4)制备热塑性聚氨酯纺丝溶液：将热塑性聚氨酯溶于六氟异丙醇(HFIP)中，搅拌至完全溶解，得到浓度3-8％(克/毫升)的聚氨酯纺丝溶液；
(5)将上述两种纺丝溶液混合均匀，得到的溶液可用于静电纺制备纳米纤维；其中，胶原蛋白占溶质总质量分数的10％-80％，热塑性聚氨酯占溶质总质量分数的90％-20％；总溶质占溶液的质量分数为3％-10％；
(6)将上述混合静电纺溶液置于滚筒接受静电纺装置中，调节纺丝工艺参数：电压控制在10-30KV；注射速度0.5-2.5ml/h；接受距离10-15cm，得到静电纺纳米纤维材料，通过静电纺滚轴旋转接收的方法成型于具有动脉瓣叶几何形状的接收模具表面，然后脱模制得到具有瓣叶形状的静电纺纳米支架；
(7)将静电纺纳米支架与瓣膜环复合成型，即得组织工程心脏瓣膜支架。
所述步骤(1)中的接受模具的表面喷涂有有机硅导电喷涂液；
所述步骤(3)中的胶原蛋白纺丝溶液的浓度为6～8％(克/毫升)；
所述步骤(4)中的聚氨酯纺丝溶液的浓度为5～6％(克/毫升)；
所述步骤(5)中的总溶质占溶液的质量分数为5％-6.5％；
所述步骤(6)中的纺丝工艺参数为电压12KV；注射速度1.5ml/h；接受距离12cm；
所述步骤(6)中的静电纺纳米纤维材料直径范围100-800nm；
所述步骤(7)中的复合成型是指将瓣膜环与静电纺瓣叶支架通过缝合，粘合的方法进行复合。
本发明通过静电纺纳米制造工艺与熔融快速成型，制备出具有复杂几何形状的组织工程心脏瓣膜支架。首先利用熔融快速成型制造法在计算机辅助设计的前提下，设计出具有良好血液动力学瓣膜CAD模型，通过熔融快速成型制备出静电纺接受模具；在该接受模具的辅助下，利用静电纺纳米纤维可以堆积成型的优点，使得纳米纤维在具有复杂几何形状的接受模具表面堆积，最终形成具有组织工程动脉瓣复杂几何形状的静电纺纳米心脏瓣膜支架。
有益效果
本发明的心脏瓣膜支架采用复合纳米静电纺材料，具有良好的生物相容性和机械性能，兼备静电纺纳米优良的抗挠性能，且具有较高的孔隙率，通过旋转堆积的方法可制作成为不同的形状，可作血管、神经、瓣膜等组织修复支架材料；且制备方法简单，原料来源方便，成本低，对环境友好，具有良好的经济效益。
附图说明
图1是Proengineering接受模具模型；
图2是快速熔融成型制备方法得到的旋转接受模具；
图3是快速熔融方法制备的瓣膜环；
图4是静电纺瓣叶支架与瓣膜环复合成为新型组织工程心脏瓣膜支架。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
用电子分析天平称取0.3g胶原蛋白溶于5ml六氟异丙醇中，25℃磁力搅拌至完全溶解，得到浓度为6％(克/毫升)的胶原蛋白纺丝溶液；用电子分析天平称取0.3g热塑性聚氨酯溶于5ml六氟异丙醇中，微热磁力搅拌至完全溶解，得到浓度为6％(克/毫升)的热塑性聚氨酯纺丝溶液；待二者完全溶解后将二者按2∶8的比例混合均匀，混合溶液总浓度为6wt％；静电纺纺丝工艺为：纺丝电压为12kv，注射泵推进速度为1.5ml/h，接受距离12cm，选用9号针头，采用熔融快速成型法制备的接收模具(表面喷涂导电材料，有机硅导电喷涂液)接受纤维，纤维直径345纳米，纳米纤维管状支架的内径为20cm，壁厚为0.4mm无序纳米纤维薄膜，长度为8mm。
该瓣叶材料与熔融快速成型法制备的瓣膜环复合成型，制备出新型瓣膜支架。
实施例2
用电子分析天平称取0.3g胶原蛋白溶于5ml六氟异丙醇中，25℃磁力搅拌至完全溶解，得到浓度为6％(克/毫升)的胶原蛋白纺丝溶液；用电子分析天平称取0.3g热塑性聚氨酯溶于5ml六氟异丙醇中，微热磁力搅拌至完全溶解，得到浓度为6％(克/毫升)的热塑性聚氨酯纺丝溶液；待二者完全溶解后将二者按4∶6的比例混合均匀，混合溶液总浓度为6wt％；静电纺纺丝工艺为：纺丝电压为16kv，注射泵推进速度为1.2ml/h，接受距离12cm，选用9号针头，采用熔融快速成型法制备的接收模具(表面喷涂导电材料，有机硅导电喷涂液)接受纤维，纤维直径208纳米，纳米纤维管状支架的内径为20mm，壁厚为0.32mm无序纳米纤维薄膜，长度为8mm。
该瓣叶材料与熔融快速成型法制备的瓣膜环复合成型，制备出新型瓣膜支架。
实施例3
用电子分析天平称取0.4g胶原蛋白溶于5ml六氟异丙醇中，25℃磁力搅拌至完全溶解，得到浓度为8％(克/毫升)的胶原蛋白纺丝溶液；用电子分析天平称取0.5g热塑性聚氨酯溶于10ml六氟异丙醇中，微热磁力搅拌至完全溶解，得到浓度为5％(克/毫升)的热塑性聚氨酯纺丝溶液；待二者完全溶解后将二者体积比为6∶4的比例混合均匀，混合溶液总浓度为6.2wt％；静电纺纺丝工艺为：纺丝电压为16kv，注射泵推进速度为1.2ml/h，接受距离12cm，选用9号针头，采用熔融快速成型法制备的接收模具(表面喷涂导电材料，有机硅导电喷涂液)接受纤维，纤维直径176nm，纳米纤维管状支架的内径为20cm，壁厚为0.26mm无序纳米纤维薄膜，长度为8mm。
该瓣叶材料与熔融快速成型法制备的瓣膜环复合成型，制备出新型瓣膜支架。
实施例4
用电子分析天平称取0.4g胶原蛋白溶于5ml六氟异丙醇中，25℃磁力搅拌至完全溶解，得到浓度为8％(克/毫升)的胶原蛋白纺丝溶液；用电子分析天平称取0.5g热塑性聚氨酯溶于10ml六氟异丙醇中，微热磁力搅拌至完全溶解，得到浓度为5％(克/毫升)的热塑性聚氨酯纺丝溶液；待二者完全溶解后将二者体积比为8∶2的比例混合均匀，混合溶液总浓度为5.2wt％；静电纺纺丝工艺为：纺丝电压为16kv，注射泵推进速度为1.2ml/h，接受距离12cm，选用9号针头，采用熔融快速成型法制备的接收模具(表面喷涂导电材料，有机硅导电喷涂液)接受纤维，纤维直径120nm，纳米纤维管状支架的内径为0.4cm，壁厚为0.08cm无序纳米纤维薄膜，长度为4.5cm。
该瓣叶材料与熔融快速成型法制备的瓣膜环复合成型，制备出新型瓣膜支架。
Claims (10)
1.一种组织工程心脏瓣膜支架，由静电纺瓣叶支架与瓣膜环构成，瓣膜环于内部支撑静电纺瓣叶支架复合制得组织工程心脏瓣膜支架。
2.根据权利要求1所述的一种组织工程心脏瓣膜支架，其特征在于：所述的静电纺瓣叶支架的内径为20mm；厚度为0.2～0.4mm无序纳米纤维薄膜；长度为8mm。
3.根据权利要求1所述的一种组织工程心脏瓣膜支架，其特征在于：所述的静电纺瓣叶支架的材料包括胶原蛋白、热塑性聚氨酯和六氟异丙醇，其中胶原蛋白∶热塑性聚氨酯＝10～80wt％∶90～20wt％；胶原蛋白与热塑性聚氨酯质量之和∶六氟异丙醇＝3～10wt％∶97～90wt％。
4.一种组织工程心脏瓣膜支架的制备方法：包括：
(1)制备动脉瓣接受模具；
(2)通过计算机辅助设计；
(3)制备胶原蛋白纺丝溶液：将胶原蛋白溶于六氟异丙醇HFIP中，25～30℃搅拌至完全溶解，得到浓度4-10克/毫升的胶原蛋白纺丝溶液；
(4)制备热塑性聚氨酯纺丝溶液：将热塑性聚氨酯溶于六氟异丙醇HFIP中，搅拌至完全溶解，得到浓度3-8克/毫升的聚氨酯纺丝溶液；
(5)将上述两种纺丝溶液混合均匀，得到的溶液可用于静电纺制备纳米纤维；其中，胶原蛋白占溶质总质量分数的10％-80％，热塑性聚氨酯占溶质总质量分数的90％-20％；总溶质占溶液的质量分数为3％-10％；
(6)将上述混合静电纺溶液置于滚筒接受静电纺装置中，调节纺丝工艺参数：电压控制在10-30KV；注射速度0.5-2.5ml/h；接受距离10-15cm，得到静电纺纳米纤维材料，通过静电纺滚轴旋转接收的方法成型于具有动脉瓣叶几何形状的接收模具表面，然后脱模制得到具有瓣叶形状的静电纺纳米支架；
(7)将静电纺纳米支架与瓣膜环复合成型，即得组织工程心脏瓣膜支架。
5.根据权利要求4所述的一种组织工程心脏瓣膜支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的接受模具的材料为ABS工程塑料，其表面喷涂有有机硅导电喷涂液；所述步骤(2)中的瓣膜环的材料为聚己内酯。
6.根据权利要求4所述的一种组织工程心脏瓣膜支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的胶原蛋白纺丝溶液的浓度为6～8克/毫升。
7.根据权利要求4所述的一种组织工程心脏瓣膜支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的聚氨酯纺丝溶液的浓度为5～6克/毫升。
8.根据权利要求4所述的一种组织工程心脏瓣膜支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中的总溶质占溶液的质量分数为5％-6.5％。
9.根据权利要求4所述的一种组织工程心脏瓣膜支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中的纺丝工艺参数为电压12KV；注射速度1.5ml/h；接受距离12cm。
10.根据权利要求4所述的一种组织工程心脏瓣膜支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中的静电纺纳米纤维材料直径范围100-800nm。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20100407 |