CN103083719B - 一种熔融直写静电纺丝制备血管支架的成形方法及成形系统 - Google Patents
一种熔融直写静电纺丝制备血管支架的成形方法及成形系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种熔融直写静电纺丝制备血管支架的成形方法及成形系统。属于组织工程学与血管组织修复领域。该方法是利用人工合成高分子材料直接成形具有微米级别的纺丝纤维和微米级别的孔径的血管支架。成形时，根据事先设计好的支架结构与成形路径，在60℃±5℃环境温度中通过计算机系统的控制，在高压电场的作用下，在空间的指定位置直写电纺出具有三维贯通孔的血管支架。同时引入直写技术，可保证沉积路径可控，并利用材料特性以达到支架的降解可控。利用该成形方法及成形系统可保证血管支架的成形质量，对于后续的支架细胞培养并植入人体进行血管修复具有明显的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔融直写电纺丝制备血管支架的成形方法及成形系统，属于组织工程学与血管组织修复领域。
背景技术
由于缺血性疾病、动脉粥样硬化等疾病和创伤、运动损伤、炎症和组织退变等原因造成的血管缺损是当前危害人类健康最主要的威胁之一。目前血管的替代可以是同源的动脉或者静脉，但是易危害到其他健康组织。正常的血液循环系统对于功能性组织与器官发挥正常功能是非常重要的；损伤或是循环中断的血管组织会导致无法再生的缺血性组织的产生。因此，如何实现血管缺损的修复和功能重建成为目前医学研究的重点之一。
组织工程技术的出现与快速发展，为血管组织缺损修复提供了新的思路和方法。血管组织工程旨在构建有功能的血管结构以修复损伤的血管或是灌注功能性营养网络，而这些过程可以通过控制或调节新生血管的信号网络支路。在组织工程化的组织构建过程中，得到的组织能否得到充分的营养供应，是成功构建完整的工程化组织的关键
理想的组织工程血管支架应当具备以下特点：（1）在支架材料组成方面，应当具有良好的生物相容性与细胞亲和性以利于细胞黏附、增殖和分化。同时，支架应当具备良好的弹性以便于成形和支撑；（2）在支架物理结构方面，血管支架应该具有微米级的纤维直径大小和孔隙结构；（3）在组织培养方面，支架应当具有良好地降解可控性，细胞在支架内部应当可以实现空间定位和立体分布的可控操作，以满足具有不同功能、结构要求的复杂组织和器官的修复或再生。
目前，常用的组织工程血管支架制备工艺组要分为传统制备工艺和增量制造工艺和静电纺丝工艺三大类。利用绕线、纤维粘接等传统工艺制备的血管支架主要依靠手工和模具成形，支架内部的孔隙贯通度不佳，支架孔隙率与孔径分布不可控，支架结构与性能的制备重复性较差，难以满足血管组织修复的要求；选择性激光烧结、低温沉积成形、立体光刻和三维打印等快速成形制备工艺能够弥补传统工艺的不足，制备出结构复杂、孔隙率与孔径大小可控且重复性好的一体化支架，但是，由于各种快速成形工艺对加工条件与所适用的材料种类都有严格的要求；无法用于成形生物性能优异的天然生物材料；难以获得精度要求较高且纤维直径较细、孔径较小的组织工程支架。传统的溶液静电纺丝，由于纺丝过程中有机溶剂的挥发，形成的纺丝都是纳米级别的，难于实现可控的微米级孔径，难于实现纺丝的按需沉积。
发明内容
本发明的目的在于针对现有组织工程血管支架在制备方面的不足，提供一种熔融直写静电纺丝制备血管支架的成形方法和成形系统，基于离散-堆积的增量制造成形原理，在计算机辅助设计与自动控制下，通过喷头及高压直流电场纺出具有特定路径形状和孔隙的血管支架。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种熔融直写静电纺丝制备血管支架的成形方法，其特征在于：的操作步骤如下：
1） 将人工合成高分子材料加热熔融；
2） 将加热熔融后的材料置于料筒中，消除料筒中的气泡，根据事先设计好的支架结构与成形路径，在60℃±5℃环境温度中通过计算机系统的控制，在高压电场的作用下，在空间的指定位置直写电纺出具有特定路径和三维贯通孔的血管支架。
所述的合成高分子材料为PCL或PLGA或PLLA或PDDO类具有热熔性质的高分子材料；所述具有三维贯通孔血管支架纤维直径在80-300μm，三维贯通孔直径为100-200μm；所述熔融直写静电纺丝的接收距离为15-20mm。
一种熔融直写静电纺丝制备血管支架的成形系统，应用于权利要求1所述的熔融直写静电纺丝制备血管支架的成形方法，包括计算机控制系统（1），其特征在于，所述计算机控制系统（1）通过以太网与一个控制器（2）相连，所述控制器（2）分别与一个高压电源模块（3）、一个微量泵（4）、一个接收平台（8）相连，以分别控制高压电场大小、供料速度快慢、接收平台运动速度和成形路径；所述微量泵（4）与料筒（5）连接，所述料筒外接一个加热保温套（6）以维持材料的熔融态，实现材料的按需供应。
本发明与现有技术相比较具有以下突出实质性特点和显著技术进步：
1) 本发明引入的熔融静电纺丝成形工艺用于成形具有三维贯通孔支架。基于熔融静电纺丝成形工艺是一种在计算机系统精确控制下能够成形具有三维贯通孔的高柔性成形工艺可成形80-300μm级别的纤维和100-200μm孔径。
2) 本发明将直写静电纺丝技术应用于血管支架的成形，直写静电纺丝技术可以实现纤维的沉积路径精确可控，可构建任意复杂路径和形状的血管支架。
3) 本发明采用的熔融材料不需要引入有毒的溶剂，与传统的溶液静电纺丝方法相比，对于后续的支架细胞培养并植入人体进行血管修复具有明显的优势。
附图说明
图1为血管支架成形路径示意图。
图2为熔融直写静电纺丝制备血管支架成形系统示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参见图1，本熔融直写静电纺丝制备血管支架的成形方法，其特征在于：操作步骤如下：
1）将人工合成高分子材料加热熔融；
2）将加热熔融后的材料置于料筒中，消除料筒中的气泡，根据事先设计好的支架结构与成形路径，在60℃±5℃环境温度中通过计算机系统的控制，在高压电场的作用下，在空间的指定位置直写电纺出具有设定路径和三维贯通孔的血管支架。
实施例二：
本实施例与实施例1基本相同，特别之处如下：
所述的人工合成高分子材料为PCL或PLGA或PLLA或PDDA类具有热熔性质的高分子材料。
所述具有三维贯通孔血管支架纤维直径在80-300μm，三维贯通孔直径为100-200μm。
所述熔融直写静电纺丝的接收距离为15-20mm。
实施例三：
参见图2，本熔融直写静电纺丝制备血管支架的成形系统，应用与上述方法包括计算机控制系统（1），其特征在于，所述计算机控制系统（1）通过以太网与一个控制器（2）相连，所述控制器（2）分别与一个高压电源模块（3）、一个微量泵（4）、一个接收平台（8）相连，以分别控制高压电场大小、供料速度快慢、接收平台运动速度和成形路径；所述微量泵（4）与料筒（5）连接，所述料筒外接一个加热保温套（6）以维持材料的熔融态，实现材料的按需供应。
所述控制器（2）为PLC或单片机或DSP。
Claims (2)
1.一种熔融直写静电纺丝制备血管支架的成形系统，用于实现熔融直写静电纺丝制备血管支架的成形方法，该方法的具体步骤是：
1） 将人工合成高分子材料加热熔融；
2）将加热熔融后的材料置于料筒中，消除料筒中的气泡，根据事先设计好的支架结构与成形路径，在60℃±5℃环境温度中通过计算机系统的控制，在高压电场的作用下，在空间的指定位置直写电纺出具有设定路径和三维贯通孔的血管支架；
该系统包括计算机控制系统（1），其特征在于，所述计算机控制系统（1）通过以太网与一个控制器（2）相连，所述控制器（2）分别与一个高压电源模块（3）、一个微量泵（4）、一个接收平台（8）相连，以分别控制高压电场大小、供料速度快慢、接收平台运动速度和成形路径；所述微量泵（4）与料筒（5）连接，所述料筒外接一个加热保温套（6）以维持材料的熔融态，实现材料的按需供应。
2.按照权利要求1所述的熔融直写静电纺丝制备血管支架的成形系统，其特征在于：所述控制器（2）为PLC或单片机或DSP。
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