CN105839204A

CN105839204A - 基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统及方法

Info

Publication number: CN105839204A
Application number: CN201610277272.5A
Authority: CN
Inventors: 刘媛媛; 蒋维健; 谢明亮; 孙振林; 胡庆夕
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2016-05-01
Filing date: 2016-05-01
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2036-05-01
Also published as: CN105839204B

Abstract

本发明公开了一种基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统和方法。本系统包括：供料系统、纺丝收集系统、三轴运动平台、电源和计算机控制系统，所述的供料系统通过微量泵执行机构驱动材料的挤出；所述的纺丝收集系统，通过步进电机的旋转以及三轴运动平台的带动，接收电纺丝；所述的三轴运动平台带动纺丝收集系统，实现对电纺丝的接收；所述的电源在注射器针头与芯轴之间形成高压电场，实现静电纺丝和静电直写过程；所述计算机控制系统驱动三轴运动平台运动。本发明结合了静电直写与静电纺丝的优点，通过先静电纺丝，再静电直写，再静电纺丝的方式，最终形成机械性能优良的具有三层结构的血管支架。

Description

基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统及方法，能实现具有分层结构血管支架的制备，应用于机械制造和生物制造技术领域。

背景技术

近年来，心血管疾病逐渐成为威胁健康的重要因素，由于缺少合适的自体血管，每年有大量病人需要人工血管移植。构建具有功能性的组织血管支架具有广阔的应用前景。

人体内的血管内径从5微米到25毫米不等，尺寸较大的血管壁有明显的三层结构：内膜，中膜和外膜。内膜是附着在基底膜上的单层内皮细胞；中膜由大量的平滑肌细胞或弹性组织构成；外膜主要由包含成纤维细胞和血管周围神经的细胞外基质胶原组成。

目前，在组织工程血管支架成形工艺方面，常常使用的工艺方法主要可以分为两类：一类是基于血管模型预建立方法；另一类是基于组织结构内血管网络生成的方法。血管模型预建立方法又可以分为利用模具浇注和结合电纺丝技术成形的方法；而基于组织结构内血管网络生成的方法主要是通过3D细胞培养技术，利用内皮细胞等自发地在生物支架内形成细微的通道。这些传统方法虽然获得了较成功的血管支架或具有血管网络的支架，但是目前制备血管支架的工艺方法很难实现支架的三层结构。而对于组织工程在临床的应用来说，制备具有三层结构的血管支架具有十分重要的意义。

静电纺丝技术利用静电力来制备纳米纤维，能够制备连续的纳米纤维，操作简单，适用范围广，生产效率高。在静电纺丝过程中，通过在喷丝针头处施加高压静电，高压针头与金属收集装置之间会产生高压电场，聚合物溶液在高压静电力的作用下被逐渐拉伸成圆锥状，即泰勒锥，当电场力增大到一定程度时，聚合物溶液就会在电斥力的作用下克服自身的表面张力和粘弹力，从喷丝针头处喷射出来并形成细流。射流在电场的作用下向收集装置方向运动时，都会出现加速现象，从而导致射流的拉伸。在初始阶段，由于溶液表面张力和自身的粘弹力远远大于电场力的作用，所以，射流在你不断延长的同时能保持直线运动。经过一段距离的直线运动后，射流将产生力学松弛现象。发生力学松弛时的射流长度与外加电场的大小成正比。一旦发生力学松弛，带电量不同的射流部分，其表面的电荷相互作用将导致射流的不稳定，使射流发生分裂或非直线的螺旋运动。随着溶剂挥发，射流运动形成的纳米纤维便沉积在金属收集器上。

静电直写技术在2006年被提出，该技术通过将喷头与金属收集器的间距缩短为500μm至3mm，使纳米纤维的收集处于静电纺丝的稳定喷射阶段，实现了纳米纤维的可控沉积，可以得到排列有序且连续的纳米纤维。该方法操作简单、易于操作，为组织工程血管支架的制备提供了有效地途径。

发明内容

本发明的目的是针对已有血管支架制备工艺存在的缺陷，提供一种基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统及方法，该系统首先在三轴运动平台的驱动下，通过静电纺丝工艺成形血管支架的最内层；再减小喷头与金属收集器间的距离，通过静电直写的工艺成形血管支架的中间层；最后再在三轴运动平台的驱动下，通过静电纺丝工艺成形血管支架的最外层。最终形成具有足够机械强度的三层血管支架。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统，包括供料系统、纺丝收集系统、三轴运动平台、电源和计算机控制系统，所述供料系统安置在三轴运动平台的Z轴滑块上；所述纺丝收集系统固定安装在三轴移动平台的XY轴平台上，使供料系统的注射器针头轴线与纺丝收集系统的芯轴的轴线垂直相交；所述电源正极连接注射器针头的金属部分，负极连接芯轴的金属部分；所述计算机控制系统与三轴运动平台电连接，控制三轴运动平台的三维移动。

所述的供料系统包括微量泵控制器、微量泵执行机构、注射器活塞筒体和注射器针头；所述微量泵执行机构固定在三轴运动平台的Z轴滑块上，Z轴滑块带动微量泵执行机构沿Z轴方向运动，所述注射器活塞筒体固定安装在微量泵执行机构上，注射器针头固定在注射器活塞筒体的底端，微量泵执行机构在微量泵控制器的联接驱动下，推动注射器活塞筒体进行纺丝材料的挤出。

所述的纺丝收集系统由步进电机、芯轴、纺丝收集机架、联轴器、第一轴承端盖、深沟球轴承、套筒和第二轴承端盖组成；所述纺丝收集机架与三轴运动平台的XY轴平面固定联接，使纺丝收集系统随三轴运动平台的XY轴平面进行运动，所述步进电机安装在纺丝收集机架的一端，步进电机的伸出轴通过联轴器与芯轴联接，所述芯轴两端通过深沟球轴承和套筒安装在纺丝收集机架上，第一轴承端盖和第二轴承端盖安装在纺丝收集机架上。

所述的电源正极连接注射器针头的金属部分，负极连接芯轴的金属部分，从而在注射器针头与芯轴之间形成高压电场。

一种基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形方法，采用上述的基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统进行操作，操作步骤如下：

1）成形血管支架的最内层：调整注射器针头与芯轴之间的距离，使其满足电纺丝形成的条件，电源的正极连接注射器针头的金属部分，负极连接芯轴的金属部分，从而在注射器针头与芯轴之间形成高压电场，在微量泵执行机构的推力和静电场力的共同作用下，注射器针头喷射出纳米级的纤维丝，同时步进电机带动芯轴以恒定速率旋转，三轴运动平台的XY平面带动纺丝收集系统以恒定速率沿X轴方向往复运动，从而在芯轴上形成一层纳米级纤维网，即血管支架的最内层；

2）成形血管支架中间层的轴向分布结构：减小注射器针头与芯轴之间的距离，改变电源电压，使其满足静电直写发生的条件，电源的正极连接注射器针头的金属部分，负极连接芯轴的金属部分，从而在注射器针头与芯轴之间形成高压电场，在微量泵执行机构的推力和静电场力的共同作用下，实现纳米纤维的可控沉积，同时步进电机带动芯轴以恒定速率旋转，三轴运动平台的XY平面带动纺丝收集系统以恒定速率沿X轴方向往复运动，从而在芯轴上形成一层沿轴向分布的排列有序且连续的纳米纤维；

3）成形血管支架中间层的周向分布结构：保持注射器针头与芯轴之间的距离不变，电源电压不变，电源的正极连接注射器针头的金属部分，负极连接芯轴的金属部分，从而在注射器针头与芯轴之间形成高压电场，在微量泵执行机构的推力和静电场力的共同作用下，实现纳米纤维的可控沉积，同时步进电机带动芯轴以恒定速率旋转，三轴运动平台的XY平面带动纺丝收集系统以恒定速率沿X轴方向单向运动，从而在芯轴上形成一层沿周向分布的排列有序且连续的纳米纤维，与血管支架中间层的轴向分布结构一同构成血管支架的中间层；

4）成形血管支架的最外层：调整注射器针头与芯轴之间的距离，使其满足电纺丝形成的条件，电源的正极连接注射器针头的金属部分，负极连接芯轴的金属部分，从而在注射器针头与芯轴之间形成高压电场，在微量泵执行机构的推力和静电场力的共同作用下，注射器针头喷射出纳米级的纤维丝，同时步进电机带动芯轴以恒定速率旋转，三轴运动平台的XY平面带动纺丝收集系统以恒定速率沿X轴方向往复运动，从而在芯轴上形成一层纳米级纤维网，即血管支架的最外层；

5）将纺丝结构从芯轴上取下，最终得到具有三层结构的血管支架。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1）将静电直写技术与静电纺丝技术结合，静电直写技术用于形成血管支架的中间层，能够保证支架的机械强度，满足临床的需求；静电纺丝技术用于形成血管支架的最内层和最外层，得到的纤维直径范围比传统纺织纤维的直径范围小，因而得到的支架孔隙率较高，为细胞的增殖与分化提供了良好的环境。

2）可以实现具有一定三维结构的血管支架，因此更能满足临床移植的需求。

3）可以实现血管支架不同层之间材料的差别，而血管不同层内的不同种类的细胞对于周围基质的要求种类也不同，因此为后续的细胞接种提供了良好的接种条件。

4）由于采用三轴运动平台，因此纺丝的接收距离可以实时控制，能够保证纺丝的质量，并提高效率。

综上所述，本发明所述系统利用供料系统、纺丝收集系统、三轴运动平台、电源和计算机控制系统综合实现了基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架的成形。该系统具有结构简单可靠、自动化程度高、易于控制、支架强度高等优点，适用于组织工程中具有三层结构多种材料的血管支架成形。

附图说明

图1是本发明的基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统。

图2是纺丝收集系统。

图3是制备分层血管支架的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例进行进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程内容：

实施例一：

参见图1~图3，一种基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统，包括供料系统I、纺丝收集系统II、三轴运动平台3、电源4和计算机控制系统5，其特征在于：所述供料系统I安置在三轴运动平台3的Z轴滑块上；所述纺丝收集系统II固定安装在三轴移动平台3的XY轴平台上，使供料系统I的注射器针头14轴线与纺丝收集系统II的芯轴22的轴线垂直相交；所述电源4正极连接注射器针头14的金属部分，负极连接芯轴22的金属部分；所述计算机控制系统5与三轴运动平台3电连接，控制三轴运动平台3的三维移动。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述的供料系统I包括微量泵控制器11、微量泵执行机构12、注射器活塞筒体13和注射器针头14；所述微量泵执行机构12固定在三轴运动平台3的Z轴滑块上，Z轴滑块带动微量泵执行机构22沿Z轴方向运动，所述注射器活塞筒体13固定安装在微量泵执行机构12上，注射器针头14固定在注射器活塞筒体13的底端，微量泵执行机构12在微量泵控制器11的联接驱动下，推动注射器活塞筒体13进行纺丝材料的挤出。

所述的纺丝收集系统II由步进电机21、芯轴22、纺丝收集机架23、联轴器24、第一轴承端盖25、深沟球轴承26、套筒27和第二轴承端盖28组成；所述纺丝收集机架23与三轴运动平台3的XY轴平面固定联接，使纺丝收集系统II随三轴运动平台3的XY轴平面进行运动，所述步进电机21安装在纺丝收集机架23的一端，步进电机21的伸出轴通过联轴器24与芯轴22联接，所述芯轴22两端通过深沟球轴承26和套筒27安装在纺丝收集机架23上，第一轴承端盖25和第二轴承端盖28安装在纺丝收集机架23上。

所述的电源4正极连接注射器针头14的金属部分，负极连接芯轴22的金属部分，从而在注射器针头14与芯轴22之间形成高压电场。

实施例三：

1）成形血管支架的最内层：调整注射器针头14与芯轴22之间的距离，使其满足电纺丝形成的条件，电源4的正极连接注射器针头14的金属部分，负极连接芯轴22的金属部分，从而在注射器针头14与芯轴22之间形成高压电场，在微量泵执行机构12的推力和静电场力的共同作用下，注射器针头14喷射出纳米级的纤维丝，同时步进电机21带动芯轴22以恒定速率旋转，三轴运动平台3的XY平面带动纺丝收集系统II以恒定速率沿X轴方向往复运动，从而在芯轴22上形成一层纳米级纤维网，即血管支架的最内层；

2）成形血管支架中间层的轴向分布结构：减小注射器针头14与芯轴22之间的距离，改变电源4电压，使其满足静电直写发生的条件，电源4的正极连接注射器针头14的金属部分，负极连接芯轴22的金属部分，从而在注射器针头14与芯轴22之间形成高压电场，在微量泵执行机构12的推力和静电场力的共同作用下，实现纳米纤维的可控沉积，同时步进电机21带动芯轴22以恒定速率旋转，三轴运动平台3的XY平面带动纺丝收集系统II以恒定速率沿X轴方向往复运动，从而在芯轴22上形成一层沿轴向分布的排列有序且连续的纳米纤维；

3）成形血管支架中间层的周向分布结构：保持注射器针头14与芯轴22之间的距离不变，电源4电压不变，电源4的正极连接注射器针头14的金属部分，负极连接芯轴22的金属部分，从而在注射器针头14与芯轴22之间形成高压电场，在微量泵执行机构12的推力和静电场力的共同作用下，实现纳米纤维的可控沉积，同时步进电机21带动芯轴22以恒定速率旋转，三轴运动平台3的XY平面带动纺丝收集系统II以恒定速率沿X轴方向单向运动，从而在芯轴22上形成一层沿周向分布的排列有序且连续的纳米纤维，与血管支架中间层的轴向分布结构一同构成血管支架的中间层；

4）成形血管支架的最外层：调整注射器针头14与芯轴22之间的距离，使其满足电纺丝形成的条件，电源4的正极连接注射器针头14的金属部分，负极连接芯轴22的金属部分，从而在注射器针头14与芯轴22之间形成高压电场，在微量泵执行机构12的推力和静电场力的共同作用下，注射器针头14喷射出纳米级的纤维丝，同时步进电机21带动芯轴22以恒定速率旋转，三轴运动平台3的XY平面带动纺丝收集系统II以恒定速率沿X轴方向往复运动，从而在芯轴22上形成一层纳米级纤维网，即血管支架的最外层；

5）将纺丝结构从芯轴22上取下，最终得到具有三层结构的血管支架。

实施例四：

参见图3，利用上述系统，制备一款基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架的方法，操作步骤如下：

1）试验材料：电纺血管支架最内层和最外层所用的材料为聚已酸内酯(PCL)溶液：将PCL溶于二氯甲烷溶液，配成质量分数为10%的溶液；电纺血管支架中间层所用的材料为聚氧化乙烯(PEO)溶液：将PEO溶于去离子水，配制成质量分数为18%的溶液。

2）成形血管支架的最内层：将配好的PCL溶液装入注射器活塞筒体13，固定到微量泵执行机构12上，将微量泵执行机构12竖直固定在三轴运动平台3的Z轴滑块上。将纺丝收集系统II固定在三轴运动平台3的XY轴平台上，使注射器针头14轴线与纺丝收集系统II的芯轴22的轴线垂直相交，并调整Z轴滑块，使注射器针头14末端与芯轴22的轴线之间距离为150mm。电源4的正极连接注射器针头14的金属部分，负极连接芯轴22的金属部分，设定两极之间的电压为15kV。设定微量泵控制器11的供料流量为20μl/min，设定步进电机21的转速为30r/min；纺丝收集系统II随三轴运动平台3的XY轴平台的往复移动速度为0.005m/s，单次行程为100mm，纺丝时间设定为2h，可得到血管支架的最内层。

3）成形血管支架中间层的轴向分布结构：将配好的PEO溶液装入注射器活塞筒体13，固定到微量泵执行机构12上，调整Z轴滑块，使注射器针头14末端与芯轴22的上表面之间距离为3mm。电源4的正极连接注射器针头14的金属部分，负极连接芯轴22的金属部分，设定两极之间的电压为3.5kV。设定微量泵控制器11的供料流量为500μl/min，设定步进电机21的转速为3r/min；纺丝收集系统II随三轴运动平台3的XY轴平台的往复移动速度为10mm/s，单次行程为100mm，时间设定为5min，可得到血管支架中间层的轴向分布结构。

4）成形血管支架中间层的周向分布结构：保持材料、电压和接收距离不变，设定微量泵控制器11的供料流量为500μl/min，设定步进电机21的转速为20r/min；纺丝收集系统II随三轴运动平台3的XY轴平台的单向移动速度为1mm/s，行程为100mm，时间设定为100s，可得到血管支架中间层的周向分布结构；

5）成形血管支架的最外层：将配好的PCL溶液装入注射器活塞筒体13，固定到微量泵执行机构12上，调整Z轴滑块，使注射器针头14末端与芯轴22的轴线之间距离为150mm。设定两极之间的电压为15kV。设定微量泵控制器11的供料流量为20μl/min，设定步进电机21的转速为30r/min；纺丝收集系统II随三轴运动平台3的XY轴平台的往复移动速度为0.005m/s，单次行程为100mm，纺丝时间设定为2h，可得到血管支架的最外层；

6）将血管支架从芯轴22上取下，即可得到具有三层结构的血管支架。

Claims

1.一种基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统，包括供料系统（I）、纺丝收集系统（II）、三轴运动平台（3）、电源（4）和计算机控制系统（5），其特征在于：所述供料系统（I）安置在三轴运动平台（3）的Z轴滑块上；所述纺丝收集系统（II）固定安装在三轴移动平台（3）的XY轴平台上，使供料系统（I）的注射器针头（14）轴线与纺丝收集系统（II）的芯轴（22）的轴线垂直相交；所述电源（4）正极连接注射器针头（14）的金属部分，负极连接芯轴（22）的金属部分；所述计算机控制系统（5）与三轴运动平台（3）电连接，控制三轴运动平台（3）的三维移动。

2.根据权利要求1所述的基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统，其特征在于：所述的供料系统（I）包括微量泵控制器（11）、微量泵执行机构（12）、注射器活塞筒体（13）和注射器针头（14）；所述微量泵执行机构（12）固定在三轴运动平台（3）的Z轴滑块上，Z轴滑块带动微量泵执行机构（22）沿Z轴方向运动，所述注射器活塞筒体（13）固定安装在微量泵执行机构（12）上，注射器针头（14）固定在注射器活塞筒体（13）的底端，微量泵执行机构（12）在微量泵控制器（11）的联接驱动下，推动注射器活塞筒体（13）进行纺丝材料的挤出。

3.根据权利要求1所述的基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统，其特征在于：所述的纺丝收集系统（II）由步进电机（21）、芯轴（22）、纺丝收集机架（23）、联轴器（24）、第一轴承端盖（25）、深沟球轴承（26）、套筒（27）和第二轴承端盖（28）组成；所述纺丝收集机架（23）与三轴运动平台（3）的XY轴平面固定联接，使纺丝收集系统（II）随三轴运动平台（3）的XY轴平面进行运动，所述步进电机（21）安装在纺丝收集机架（23）的一端，步进电机（21）的伸出轴通过联轴器（24）与芯轴（22）联接，所述芯轴（22）两端通过深沟球轴承（26）和套筒（27）安装在纺丝收集机架（23）上，第一轴承端盖（25）和第二轴承端盖（28）安装在纺丝收集机架（23）上。

4.根据权利要求1所述的基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统，其特征在于：所述的电源（4）正极连接注射器针头（14）的金属部分，负极连接芯轴（22）的金属部分，从而在注射器针头（14）与芯轴（22）之间形成高压电场。

5.一种基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形方法，采用根据权利要求1所述的基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统进行操作，其特征在于，操作步骤如下：

1）成形血管支架的最内层：调整注射器针头（14）与芯轴（22）之间的距离，使其满足电纺丝形成的条件，电源（4）的正极连接注射器针头（14）的金属部分，负极连接芯轴（22）的金属部分，从而在注射器针头（14）与芯轴（22）之间形成高压电场，在微量泵执行机构（12）的推力和静电场力的共同作用下，注射器针头（14）喷射出纳米级的纤维丝，同时步进电机（21）带动芯轴（22）以恒定速率旋转，三轴运动平台（3）的XY平面带动纺丝收集系统（II）以恒定速率沿X轴方向往复运动，从而在芯轴（22）上形成一层纳米级纤维网，即血管支架的最内层；

2）成形血管支架中间层的轴向分布结构：减小注射器针头（14）与芯轴（22）之间的距离，改变电源（4）电压，使其满足静电直写发生的条件，电源（4）的正极连接注射器针头（14）的金属部分，负极连接芯轴（22）的金属部分，从而在注射器针头（14）与芯轴（22）之间形成高压电场，在微量泵执行机构（12）的推力和静电场力的共同作用下，实现纳米纤维的可控沉积，同时步进电机（21）带动芯轴（22）以恒定速率旋转，三轴运动平台（3）的XY平面带动纺丝收集系统（II）以恒定速率沿X轴方向往复运动，从而在芯轴（22）上形成一层沿轴向分布的排列有序且连续的纳米纤维；

3）成形血管支架中间层的周向分布结构：保持注射器针头（14）与芯轴（22）之间的距离不变，电源（4）电压不变，电源（4）的正极连接注射器针头（14）的金属部分，负极连接芯轴（22）的金属部分，从而在注射器针头（14）与芯轴（22）之间形成高压电场，在微量泵执行机构（12）的推力和静电场力的共同作用下，实现纳米纤维的可控沉积，同时步进电机（21）带动芯轴（22）以恒定速率旋转，三轴运动平台（3）的XY平面带动纺丝收集系统（II）以恒定速率沿X轴方向单向运动，从而在芯轴（22）上形成一层沿周向分布的排列有序且连续的纳米纤维，与血管支架中间层的轴向分布结构一同构成血管支架的中间层；

4）成形血管支架的最外层：调整注射器针头（14）与芯轴（22）之间的距离，使其满足电纺丝形成的条件，电源（4）的正极连接注射器针头（14）的金属部分，负极连接芯轴（22）的金属部分，从而在注射器针头（14）与芯轴（22）之间形成高压电场，在微量泵执行机构（12）的推力和静电场力的共同作用下，注射器针头（14）喷射出纳米级的纤维丝，同时步进电机（21）带动芯轴（22）以恒定速率旋转，三轴运动平台（3）的XY平面带动纺丝收集系统（II）以恒定速率沿X轴方向往复运动，从而在芯轴（22）上形成一层纳米级纤维网，即血管支架的最外层；

5）将纺丝结构从芯轴（22）上取下，最终得到具有三层结构的血管支架。