CN104383606B

CN104383606B - 一种高强度高弹性血管支架及其制备方法

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Publication number: CN104383606B
Application number: CN201410584587.5A
Authority: CN
Inventors: 王女; 郭凤云; 赵勇; 江雷
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2034-10-27
Also published as: CN104383606A

Abstract

本发明公开了一种高强度高弹性血管支架及其制备方法，属于化学生物工程领域。本发明以生物相容性聚合物材料为前驱体，首先通过静电纺丝法制备了力学性能不同的纤维膜，然后在此基础上，用电纺技术结合溶液浸泡移除法制备出高强度、高弹性、高孔隙率人造血管支架，构成所述人造血管支架的纤维表面光滑、形貌均匀、纤维直径分布范围较窄，且血管性能优异。本发明所得的具有一定细胞相容性且强度、弹性、孔隙率都较高的人造血管可以大规模生产，有望用于实际的临床诊断中。

Description

一种高强度高弹性血管支架及其制备方法

技术领域

本发明属于化学生物工程领域中制备高强度高弹性人工血管支架的方法，具体涉及一种高强度高弹性血管支架及其制备方法。

背景技术

近年来，心血管疾病在全球都有很高的发病率。目前治疗心血管疾病的主要方法为血管移植，因此人类对人造血管支架的需求越来越高。一个可用于移植的人造血管支架需要满足的条件有：接通时不渗血、具有一定的强度和柔韧度、物理化学性能稳定、孔隙率适宜、生物相容性等。但力学性能则是血管支架使用最基本的先决条件。至今为止，人们提出了一系列的方法和材料来制备性能优异的血管支架，如热致相分离、溶剂铸造微粒浸出技术、水凝胶、分子自组装等方法以及TPU、PCL、PEG和胶原等材料。但这些方法设备复杂，操作不方便，且所得血管支架的结构、形貌、组成不能得到有效控制(参考文献1：ZuweiMa,MasayaKotaki,RyujiInai,andSeeramRamakrishna.PotentialofNanofiberMatrixasTissue-EngineeringScaffolds.TissueEng.2005,11(1-2):101-109)，即很难大规模的制备各种不同尺寸的人造血管支架。更重要的是这些方法和材料不可避免的在临床使用方面出现了一些问题，如强度弱、弹性不足等(参考文献2：ChenR,HuangC,KeQF,HeCL,WangHS,MoXM.Preparationandcharacterizationofcoaxialelectrospunthermoplasticpolyurethane/collagencompoundnanofibersfortissueengineeringapplications.ColloidSurfBBiointerfaces2010；79:315-325)。近几年来，大量的方法和材料被用于提高材料的强度和韧性，如真空抽滤法制备高强度的石墨烯/聚乙烯醇复合膜；静电纺丝法制备碳纳米管/聚合物复合纤维以及冰冷冻模板法制备高强度高韧性陶瓷基复合块状材料等。尽管人们在提高材料力学性能方面取得了很大的进展，但这些材料要么不具备生物活性，要么很难做成孔隙率较高的纤维，所以都不能用于血管组织工程。

静电纺丝是一种有代表性的制备微纳米纤维的方法，主要原理是利用高压静电场的作用来实现纺丝液的喷射，随着溶剂的挥发，纤维进一步拉伸细化最终获得目标纤维。在电纺丝过程中，通过调节和控制电纺参数，如纺丝液的浓度、电压、针头、转速、纺丝距离等，纤维的结构、形貌和组成能得到有效的优化。静电纺丝法制备的纤维在很多领域都具有广泛的应用，如生物医学上的伤口敷料和人造血管支架、环境方面的过滤膜和油水分离、催化应用等。

发明内容

本发明针对现有人工血管支架的不足，提出了一种静电纺丝制备高强度高弹性血管支架的方法，通过两种聚合物的复合，利用静电纺丝技术结合浸泡移除法，本发明成功制备了高强度高弹性高孔隙率的细胞无毒性人造血管支架，有望在临床使用方面得到应用。

本发明提供一种高强度高弹性血管支架及其制备方法，该制备方法简单，易于操作，所制得的血管支架纤维分布均匀，所得的高强度、高弹性、高孔隙率人造血管支架在临床应用上有很大的前景。本发明所制备的高强度高弹性血管支架是由纳米纤维所构成的，纳米纤维直径为200nm～2μm。所述纳米纤维直径可通过调节电纺溶液的浓度、纺丝电压、纺丝距离等电纺参数来控制。

本发明所得到的高强度高弹性血管支架能用于组织工程、临床医学等领域。

本发明采用静电纺丝法制备高强度高弹性血管支架，具体包括以下步骤：

第一步，静电纺丝溶液的配置：

将水溶性聚合物A在室温条件下溶于溶剂A中，充分搅拌至完全溶解，即得到聚合物A的电纺溶液。将聚合物B在室温条件下溶于溶剂B或混合溶剂中，充分搅拌至完全溶解，即得到聚合物B的电纺溶液。

第二步，水溶性模板纤维膜的制备：

将第一步中得到的聚合物A的电纺溶液置于配有直径0.5～1.2mm针头的注射泵中，施加8～20kV的电压在工作距离为20cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机(转速110r/min)收集纤维，即可得到聚合物A的纤维膜。

第三步，复合纤维膜的制备：

在聚合物A的纤维膜的基础上，将聚合物B的电纺溶液置于配有直径0.2～1.0mm针头的注射泵中，施加8～25kV的电压在工作距离为20-30cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机(60～150r/min)收集纤维，即可得到以聚合物A的纤维膜为内层，聚合物B的纤维膜为外层的复合纤维膜。

第四步，聚合物A的纤维膜的去除：

把聚合物A的纤维膜为内层，聚合物B的纤维膜为外层的复合纤维膜放入水中浸泡一段时间，50℃烘干，得到的纤维管即为目标人造血管支架。

所述的聚合物A为聚乙烯吡咯烷酮、右旋糖酐、淀粉等水溶性高分子中的一种。所述的聚合物B为PCL、PU、PLA、PGA、PLGA、PGS中的一种、两种或三种。

所述聚合物A的溶剂A为水或乙醇。所述聚合物B的溶剂B或混合溶剂为丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃中的一种或两种，采用混合溶剂中两种溶剂的质量比例为4:1～1:8。

所述的目标人造血管支架中的纳米纤维直径为200nm-2μm。优选的所述纳米纤维直径为660～830nm。

所述的目标人造血管支架指具有一定细胞相容性且强度、弹性、孔隙率都较高的聚合物复合人造血管支架，其纤维管强度为56～94MPa,耐受拉伸回复循环(loading-unloading循环)次数为10～50次，孔隙率为70～90％。

本发明以生物相容性聚合物材料为前驱体，首先通过静电纺丝法制备了力学性能不同的纤维膜，然后在此基础上，用电纺技术结合溶液浸泡移除法制备出高强度、高弹性、高孔隙率人造血管支架，构成所述人造血管支架的纤维表面光滑、形貌均匀、纤维直径分布范围较窄，且血管性能优异。本发明所得的具有一定细胞相容性且强度、弹性、孔隙率都较高的人造血管(如PCL/PU)可以大规模生产，有望用于实际的临床诊断中。

本发明提供的制备方法与现有技术中制备人造血管支架的方法相比，优良效果如下：

(1)与现有的热致相分离法、自组装法等相比，设备简单，操作方便，能够实现大规模的生产。

(2)该方法制备的血管支架中，组成血管支架的纳米纤维具有较高的孔隙率且孔隙率可控，有利于细胞营养物质和新陈代谢废物的扩散。

(3)采用简单材料复合的方法，即可实现力学性能大程度的提升，且该复合材料具有细胞相容性，有望用于实际临床诊断。

附图说明

图1本发明中高强度高弹性人造血管支架的制备装置示意图；

图2本发明制备得到的人造血管支架结构示意图：a)数码实物图；b)管外表面图；c)管内表面图；

图3本发明制备得到的人造血管支架的典型的应力-应变曲线。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1.

将纯的聚氨酯(PU,C₂₈H₄₄N₂O₁₁)、纯的聚乳酸(PLA,(C₆H₈O₄)_n)及二者的混合物分别溶于混合溶剂(混合溶剂中丙酮和N，N-二甲基甲酰胺的质量比w/w＝1:1)，配制成8wt％～15wt％浓度不同比例的三种纺丝液，作为前驱体溶液；将该前驱体溶液置于配有直径0.5～0.9mm针头的注射泵中，施加8～15kV的电压在工作距离为20cm时进行静电纺丝，通过铝箔接收纤维，即可得到具有不同力学性能的纤维膜。经过性能对比，力学性能优异且孔隙率较高的纤维膜为聚氨酯/聚乳酸复合物纤维膜，因此选用前驱体溶液为聚氨酯/聚乳酸复合物溶于混合溶剂中制备得到，作为聚合物B的纤维膜的前驱体溶液。

把聚乙烯吡咯烷酮(PVP，(C₆H₉NO)_n)溶于乙醇中配成质量百分比浓度为10％的溶液，作为聚合物A的电纺溶液；按上述的水溶性模板纤维膜的制备方法，将聚合物A的电纺溶液置于配有直径1.2mm针头的注射泵中，施加8kV的电压在工作距离为20cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机(110r/min)收集纤维，得到聚合物A纤维膜，如图1；选取力学性能优异且孔隙率较高的纤维膜前驱体溶液，在聚合物A的纤维膜的基础上，将聚合物B的电纺溶液即前驱体溶液置于配有直径0.8mm针头的注射泵中，施加10kV的电压在工作距离为20cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机(60r/min)收集纤维，得到复合纤维膜，即纤维管；然后把纤维管放入含PVP的乙醇溶液中浸泡一段时间(一般选取为5～20小时)，50℃烘干，得到目标人造血管支架，如图2中a)～c)所展示的人造血管支架，所述人造血管支架由纳米纤维构成，纳米纤维直径为200nm～2μm。由图3所示的应力-应变曲线可以看出，血管支架强度为56MPa，另外血管支架的弹性可经受50次以上的循环伸缩，且血管支架的孔隙率高达79％，无细胞毒性。

实施例2.

将纯的聚己内酯(PCL,(C₆H₁₀O₂)_n)、聚乳酸(PLA,(C₆H₈O₄)_n)及二者的混合物溶于混合溶剂中，所述混合溶剂中丙酮和N，N-二甲基甲酰胺质量比w/w＝1:5，配制成质量百分比浓度为8％-10％浓度不同比例的三种纺丝液，即前驱体溶液；将该前驱体溶液置于配有直径0.2mm针头的注射泵中，施加10-15kV的电压在工作距离为25cm时进行静电纺丝，通过铝箔接收纤维，即可得到具有不同力学性能的纤维膜。对比后得到力学性能优异且孔隙率较高的前驱体溶液作为聚合物B的电纺溶液—PCL+PLA复合电纺溶液。

把右旋糖酐溶于水中配成质量百分比为10％的电纺溶液，将所述的电纺溶液置于配有直径0.5mm针头的注射泵中，施加15kV的电压在工作距离为20cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机(110r/min)收集纤维，即可得到聚合物A的纤维膜；选取力学性能优异且孔隙率较高的纤维膜前驱体溶液，在聚合物A的纤维膜的基础上，将聚合物B的电纺溶液置于配有直径0.9mm针头的注射泵中，施加15kV的电压在工作距离为25cm时进行静电纺丝，得到复合纤维膜；然后把复合纤维膜放入含右旋糖酐的水溶液中浸泡2小时，45℃烘干，得到目标人造血管支架。所述人造血管支架的纤维管强度为61MPa，血管弹性可经受10次以上的循环伸缩，且血管的孔隙率高达80％，无细胞毒性。

实施例3.

将纯的聚己内酯(PCL,(C₆H₁₀O₂)_n)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA，75:25)及二者的混合物分别溶于混合溶剂中，所述的混合溶剂中丙酮和N，N-二甲基甲酰胺质量百分比w/w＝1:4，配制成质量百分比8％-10％浓度不同比例的电纺溶液；将该前驱体溶液至于配有直径0.5-1.0mm针头的注射泵中，施加10-25kV的电压在工作距离为20cm时进行静电纺丝，通过铝箔接收纤维，即可得到具有不同力学性能的纤维膜，并最终确定选取PCL+PLGA的电纺溶液。

把聚乙烯吡咯烷酮(PVP，(C₆H₉NO)_n)溶于乙醇中配成质量百分比为9％的乙醇溶液，将聚合物A的电纺溶液置于配有直径1mm针头的注射泵中，施加10kV的电压在工作距离为20cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机(110r/min)收集纤维；选取力学性能优异且孔隙率较高的纤维膜前驱体溶液，在PVP的基础上，继续纺一层聚合物B，得到复合纤维膜；然后把复合纤维膜放入含PVP的乙醇溶液中浸泡1小时，45℃烘干，得到目标人造血管支架。所述目标人造血管支架的纤维管强度为73MPa，血管弹性可经受20次以上的循环伸缩，且血管的孔隙率高达70％，无细胞毒性。

实施例4.

将纯的聚氨酯(PU,C₂₈H₄₄N₂O₁₁)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA，75:25)、聚乳酸(PLA,(C₆H₈O₄)_n)及三者的混合物分别溶于混合溶剂中，所述混合溶剂中四氢呋喃和N，N-二甲基甲酰胺的质量比w/w＝1:1，配制成质量百分比浓度为5％～15％浓度不同比例的电纺溶液；将该电纺溶液至于配有直径0.5-0.8mm针头的注射泵中，施加8-15kV的电压在工作距离为25cm时进行静电纺丝，通过铝箔接收纤维，即可得到具有不同力学性能的聚合物B的纤维膜。

把聚乙烯吡咯烷酮(PVP，(C₆H₉NO)_n)溶于乙醇中配成质量百分比为9％的溶液，将聚合物A的电纺溶液置于配有直径0.5mm针头的注射泵中，施加20kV的电压在工作距离为20cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机(110r/min)收集纤维；选取力学性能优异且孔隙率较高的纤维膜前驱体溶液，在内层PVP纤维膜的基础上，将聚合物B的电纺溶液置于配有直径0.7mm针头的注射泵中，施加15kV的电压在工作距离为30cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机(150r/min)收集纤维，即可得到以聚合物A的纤维膜为内层，聚合物B的纤维膜为外层的复合纤维膜。然后把所述复合纤维膜放入含PVP的溶液中浸泡3小时，45℃烘干，得到人造血管支架。所述人造血管支架的纤维管强度为94MPa，血管弹性可经受35次以上的循环伸缩，且血管的孔隙率高达90％，无细胞毒性。

实施例5.

将纯的聚氨酯(PU,C₂₈H₄₄N₂O₁₁)溶于混合溶剂(混合溶剂中丙酮和N，N-二甲基甲酰胺的质量比w/w＝1:1)，配制成8wt％～15wt％浓度不同的纺丝液，作为前驱体溶液；将该前驱体溶液置于配有直径0.5～0.9mm针头的注射泵中，施加8～15kV的电压在工作距离为20cm时进行静电纺丝，通过铝箔接收纤维，即可得到纤维膜，选取力学性能优异且孔隙率较高的纤维膜前驱体溶液作为聚合物B的电纺溶液。

把聚乙烯吡咯烷酮(PVP，(C₆H₉NO)_n)溶于乙醇中配成质量百分比浓度为10％的溶液，作为聚合物A的电纺溶液；按上述的水溶性模板纤维膜的制备方法，将聚合物A的电纺溶液置于配有直径1.2mm针头的注射泵中，施加8kV的电压在工作距离为20cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机(110r/min)收集纤维，得到聚合物A纤维膜，如图1；选取力学性能优异且孔隙率较高的纤维膜前驱体溶液，即聚合物B的电纺溶液，在聚合物A的纤维膜的基础上，将聚合物B的电纺溶液置于配有直径0.8mm针头的注射泵中，施加10kV的电压在工作距离为20cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机(60r/min)收集纤维，得到复合纤维膜，即纤维管；然后把纤维管放入含PVP的乙醇溶液中浸泡10小时，50℃烘干，得到目标人造血管支架。所述人造血管支架的纤维管强度为62MPa，血管弹性可经受50次以上的循环伸缩，且血管的孔隙率高达70％，无细胞毒性。

Claims

1.一种高强度高弹性血管支架的制备方法，其特征在于：所述制备方法具体包括以下步骤，

第一步，静电纺丝溶液的配置：

将水溶性聚合物A在室温条件下溶于溶剂A中，充分搅拌至完全溶解，即得到聚合物A的电纺溶液；将聚合物B在室温条件下溶于溶剂B或混合溶剂中，充分搅拌至完全溶解，即得到聚合物B的电纺溶液；

第二步，水溶性模板纤维膜的制备：

将第一步中得到的聚合物A的电纺溶液置于配有直径0.5～1.2mm针头的注射泵中，施加8～20kV的电压在工作距离为20cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机收集纤维，即得到聚合物A的纤维膜；所述旋转电机转速110r/min；

第三步，复合纤维膜的制备：

在聚合物A的纤维膜的基础上，将聚合物B的电纺溶液置于配有直径0.2～1.0mm针头的注射泵中，施加8～25kV的电压在工作距离为20-30cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机收集纤维，即得到以聚合物A的纤维膜为内层，聚合物B的纤维膜为外层的复合纤维膜；所述旋转电机转速为60～150r/min；

第四步，聚合物A的纤维膜的去除：

把聚合物A的纤维膜为内层，聚合物B的纤维膜为外层的复合纤维膜放入溶剂A中浸泡5～20小时，50℃烘干，得到的纤维管即为高强度高弹性人造血管支架；所述高强度高弹性人造血管支架的纤维管强度为56～94MPa,耐受拉伸回复循环次数为10～50次，孔隙率为70～90％；

所述的聚合物A为聚乙烯吡咯烷酮、右旋糖酐和淀粉中的一种；所述的聚合物B为PCL、PU、PLA、PGA、PLGA、PGS中的一种、两种或三种；

所述聚合物A的溶剂A为水或乙醇；所述聚合物B的溶剂B或混合溶剂为丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃中的一种或两种，采用混合溶剂中两种溶剂的质量比例为4:1～1:8；

聚合物B的电纺溶液的质量百分比浓度为5wt％～15wt％；聚合物A的电纺溶液的质量百分比浓度为9wt％～10wt％。

2.一种高强度高弹性血管支架，其特征在于：所述的血管支架中的纳米纤维直径为200nm-2μm；血管支架纤维管强度为56～94MPa,耐受拉伸回复循环次数为10～50次，孔隙率为70～90％。

3.根据权利要求2所述的一种高强度高弹性血管支架，其特征在于：所述纳米纤维直径为660～830nm。