CN106178120B - 一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架及其制备方法，所述血管支架的内层为轴向取向的PLCL/COL复合纳米纤维，中层为PLGA/SF复合纱线，外层为无规PLCL/COL纳米纤维。制备方法：将PLGA与SF共混在溶剂中得到纺丝溶液，双喷头纺纱设备制备PLGA/SF纱线；将PLCL与COL共混在溶剂中得到纺丝溶液，纺丝得到血管支架的内层；将PLGA/SF纱线径向取向缠绕于内层外面，得到管状支架；管状支架为接收装置，将PLCL/COL纺丝溶液纺丝得到无规PLCL/COL纳米纤维作外层，干燥，即得。本发明的血管支架可根据需求制备不同内径和厚度，在血管组织重构和修复方面有很好的应用前景。

Description

一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架及其制备 方法
技术领域
本发明属于仿生血管支架的制备领域，特别涉及一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架及其制备方法。
背景技术
组织工程血管支架的设计一般从仿生天然血管的组成、结构和功能这几方面来考虑。从组成上来说，天然细胞外基质主要包含一些多糖和蛋白；从结构上来说，天然细胞外基质主要是纳米尺寸的结构，主要由胶原纤维束构成；从功能上来说，天然细胞外基质对细胞的黏附、生长迁移和分化都具有全面的影响。对于血管组织工程来说，除了以上各方面之外，尤其还要仿生天然血管的三维结构以及其不同结构的特殊功能。天然血管有三层，内层为较薄的一层内皮细胞层，内皮细胞的长轴多与血液流动方向一致，起到抗凝血的作用；中层为绕轴平行排列的平滑肌细胞，在正常血管中平滑肌为梭状的收缩型表型，为整个血管提供力学支撑，维持血管的收缩和舒张；外层主要是疏松的结缔组织，包含一些弹性纤维和胶原纤维，细胞以成纤维细胞为主，具有修复外膜的能力。
为了能够制备出具有仿生天然血管组分、结构和功能的组织工程血管支架，静电纺丝技术得到广泛的应用。静电纺丝技术操作简单、可重复性强、能够大批量生产，原材料广泛。目前，大部分合成高分子、天然蛋白、可降解聚合物或他们的共混复合物都可用于静电纺丝技术，可制备出纳米级到微米级的纤维以及有纤维组成的纱线结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架及其制备方法，该方法制备的仿生三层血管支架模拟天然血管三层结构，具有良好的生物力学性能、降解性能以及细胞相容性。内层为轴向取向排列的PLCL/COL纳米纤维，添加的胶原蛋白成分模拟天然细胞外基质，促进内皮细胞粘附和生长，取向结构诱导内皮细胞层规则排列；中层为紧密缠绕并且径向取向排列的PLGA/SF纱线，能够诱导平滑肌细胞的绕轴平行排列，采用PLGA材料提高纱线的降解性能，添加丝素蛋白提高纱线的生物相容性以及水渗透率，增大中层的孔径和孔隙率，加快平滑肌细胞的渗透；外层为薄薄的一层无规PLCL/COL纳米纤维，起到加固内层和中层的作用，并且添加了胶原蛋白组分能够诱导成纤维组织的形成。该仿生三层血管支架从成分、结构和功能三方面模拟天然血管三层结构，复合材料可采取多种比例，也可根据需求制备出不同内径和厚度，在血管组织重构和修复方面会有很好的应用前景。
本发明的一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架，所述血管支架的内层为轴向取向乳酸己内酯共聚物/胶原蛋白(PLCL/COL)复合纳米纤维，中层为乳酸羟基乙酸共聚物/丝素蛋白(PLGA/SF)复合纱线，外层为无规PLCL/COL纳米纤维；其中，所述中层以径向取向的方向缠绕于内层外面。
本发明的一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架的制备方法，包括：
(1)将乳酸羟基乙酸共聚物PLGA与丝素蛋白SF共混在溶剂中溶解均匀，得到纺丝溶液，然后通过双喷头纺纱设备制备PLGA/SF纱线；
(2)将乳酸己内酯共聚物PLCL与胶原蛋白COL共混在溶剂中溶解均匀，得到纺丝溶液，然后利用轴向取向纺丝设备纺丝得乳酸己内酯共聚物/胶原蛋白(PLCL/COL)复合纳米纤维管状支架，作为血管支架的内层；
(3)将步骤(1)中得到的PLGA/SF纱线以径向取向的方向紧密缠绕于步骤(2)得到的血管内层外面作为血管支架的中层，得到内层/中层复合体管状支架；
(4)以步骤(3)得到的管状支架作为接收装置，将步骤(2)中的纺丝溶液经过单喷头静电纺丝制备得到无规的PLCL/COL纳米纤维作外层，将内层和中层固定好，干燥，得到仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架。
所述步骤(1)中PLGA共聚物LA/GA＝82/18(摩尔比),分子量28万；丝素蛋白通过Na2CO3脱胶法提取自家蚕蚕茧。
所述步骤(1)中SF占PLGA/SF复合物的质量分数为10％-50％；PLGA/SF复合物的总质量与纺丝液总体积的比例为10-15：100。
所述步骤(1)中双喷头纺纱线设备有两个相对的推进装置、针筒和高压静电发生器组成，同时通过一个旋转的喇叭将两个针筒喷出的纤维缠绕加捻，最终通过一个低速旋转的接收棒将纱线接收。
所述步骤(1)中纺丝参数如下：双喷头的PLGA/SF纺丝液流速为0.02mL/min和0.032 mL/min，两端分别为正高压(+9-10kV)和负高压(-9-10kV)，两个喷头之间的距离为12-15 cm，旋转喇叭(用于将两个喷头纺出的纤维卷绕成纱线)的转速为450-700rpm，旋转喇叭底端到纱线接收装置的距离为60cm，纱线接收装置的转速为10-15rpm。
所述步骤(1)和步骤(2)中溶剂为六氟异丙醇。
所述步骤(2)中PLCL共聚物LA/CL＝50:50(摩尔比)，分子量45万；胶原蛋白为猪皮或者鱼皮来源。
所述步骤(2)中PLCL与COL质量比为3:1，PLCL/COL复合物的总质量与纺丝液总体积的比例为8-12：100。
所述步骤(2)中轴向取向纺丝设备，通过在旋转的接收棒两端添加磁极以得到轴向取向的纤维。
所述步骤(2)中纺丝参数为：PLCL/COL纺丝液流速1.0mL/h，静电高压10-16kV，纺丝喷头到接收装置距离为10-15cm，接收装置为管状聚四氟乙烯材料，直径2mm-8mm，接收装置两端各固定一个磁极(分别为N极和S极)，接收装置旋转速度为10-50rpm。
所述步骤(4)中纺丝参数为：PLCL/COl纺丝液流速为1.0mL/h，纺丝液消耗体积为0.1-0.5 mL，静电高压8-12kV，纺丝喷头到接收装置距离为10-15cm，旋转速度为300-1500rpm。
本发明首次将降解性能不同的PLCL/COL纳米纤维和PLGA/SF纱线相结合，将纤维制备技术与纱线制备技术融合使用，仿生天然血管的组分以及三层结构的不同特点，制备出一种内径、长度、厚度均可控的组织工程血管支架。
从整体上来说，该三层血管支架仿生了天然细胞外基质的组分、天然血管的特定结构，具有良好的力学性能、生物相容性和降解性能；从细节上来说，其内外层为弹性优良，力学性能好的PLCL/COL复合材料，能够满足体内微环境需要的生物力学强度和顺应性；内层轴向取向的纳米纤维结构，有利于内皮细胞的粘附、增殖以及取向生长；中层为径向取向、并且疏松多孔的PLGA/SF纱线结构，绕轴取向能够很好的诱导平滑肌细胞的平行排列，多孔结构以及PLGA的较快降解有利于平滑肌的渗透和三维生长，有利于血管壁的重构和力学支撑；外层为薄薄的一层无规PLCL/COL纳米纤维，能够起到固定内层和中层的作用，又不影响中层的径向取向结构，同时添加有胶原蛋白成分能够促进成纤维组织的生长。因此，本发明制备的仿生三层血管支架在血管组织重构和修复方面会有很好的应用前景。
本发明涉及一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架的制备方法，其制备方法为：将乳酸羟基乙酸共聚物(PLGA)与丝素蛋白(SF)以一定比例共混溶于六氟异丙醇制备纺丝液，采用定制的双喷头纺纱线设备制备出PLGA/SF纱线；将乳酸己内酯共聚物(PLCL)与胶原蛋白(COL)以一定比例溶于六氟异丙醇制备纺丝液，采用实验室自制的轴向取向纺丝设备制备出血管支架的内层；然后将PLGA/SF纱线以径向取向的方向紧密缠绕于血管内层外面作为中层；最后以传统的单喷头静电纺，制备少量的无规PLCL/COL纳米纤维作外层，将内层和中层固定好，以得到仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架。
有益效果
(1)本发明首次将轴向取向的PLCL/COL纳米纤维与径向取向的PLGA/SF纱线结合作为血管支架的内层和中层，再用一层无规的PLCL/COL纳米纤维作为外层，得到了仿生天然血管组分和结构的组织工程血管支架，该支架弹性优良，力学性能好，能够满足体内微环境需要的生物力学强度和顺应性；
(2)本发明制备的三层血管支架内层为轴向取向的纳米纤维结构，有利于内皮细胞的粘附、增殖以及取向生长；中层为径向取向、并且疏松多孔的PLGA/SF纱线结构，绕轴取向能够很好的诱导平滑肌细胞的平行排列，多孔结构以及PLGA的较快降解有利于平滑肌的渗透和三维生长，有利于血管壁的重构和力学支撑；外层为薄薄的一层无规PLCL/COL纳米纤维，能够起到固定内层和中层的作用，又不影响中层的径向取向结构，同时添加有胶原蛋白成分能够促进成纤维组织的生长；
(3)本发明制备的仿生三层血管支架选取的材料均为生物可降解的高分子以及天然蛋白质，能够随着血管组织的新生和重构而逐渐降解；同时也可根据需求制备出不同内径和厚度，在血管组织重构和修复方面会有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明中三层血管支架的光学照片：a：血管内层；b：将PLGA/SF纱线径向取向缠绕到血管支架内层的外面；c：缠绕好的血管支架内层和中层；d和e：接收外层无规纳米纤维之后，得到的成型三层血管支架；
图2为实施例1中的扫描电镜(SEM)照片：a：内层取向PLCL/COL纳米纤维；b：中层PLGA/SF 纱线；c：外层无规PLCL/COL纳米纤维；
图3为实施例1中的血管支架各层的拉伸力学性能：a：内层取向PLCL/COL纳米纤维；b：中层PLGA/SF单根纱线；c：外层无规PLCL/COL纳米纤维；d：三层血管支架的拉伸性能。图4为实施例1中的细胞在血管支架各层生长的显微镜照片：a：内皮细胞在内层取向 PLCL/COL纳米纤维生长3天；b：平滑肌细胞在中层PLGA/SF纱线生长3天；c：成纤维细胞(L929)在外层无规PLCL/COL纳米纤维生长5天。
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
用电子天平称取0.9g的PLGA和0.3g丝素蛋白溶于8mL六氟异丙醇中，磁力搅拌器过夜搅拌，得到PLGA/SF纺丝液；采用双喷头纺纱设备制备PLGA/SF纱线，纺丝参数为：双喷头的流速分别为0.02mL/min和0.032mL/min，喷头之间的距离为13cm，两端分别为正高压和负高压+9kV和-9kV，旋转喇叭的转速550rpm，旋转喇叭底端到纱线接收装置的距离为60cm，纱线接收装置的转速为13rpm，得到PLGA/SF纱线；
(2)用电子天平称取0.75g的PLCL和0.25g胶原蛋白溶于10mL六氟异丙醇中，磁力搅拌器过夜搅拌，得到PLCL/COL纺丝液；通过在旋转的接收棒两端添加磁极，得到轴向取向的PLCL/COL纤维管状支架，作为三层血管的内层，纺丝参数为：PLCL/COL纺丝液流速1.0mL/h，静电高压12kV，纺丝喷头到接收装置距离为12cm，接收装置为直径4mm的管状聚四氟乙烯材料，接收装置两端各固定一个磁极(分别为N极和S极)，接收装置旋转速度为50rpm，纺丝过程进行2小时，得到具有轴向取向纤维的血管支架内层；
(3)将(1)中得到的PLGA/SF纱线以径向取向的方向紧密缠绕于步骤(2)得到的管子上作为中层；
(4)将血管支架内层/中层复合体作为接收装置，接收PLCL/COL无规纳米纤维作为外层，纺丝参数为：PLCL/COL纺丝液流速为1.0mL/h，静电高压14kV，纺丝喷头到接收装置距离为14cm，接收装置旋转速度为700rpm，待纺丝溶液消耗0.2mL时停止，真空干燥箱放置24小时，得到成型的三层血管支架。
本实施例中的各物质SEM图、拉伸性能测试图以及显微镜照片如图2、图3以及图4所示。
实施例2
(1)用电子天平称取0.864g的PLGA和0.096g丝素蛋白溶于8mL六氟异丙醇中，磁力搅拌器过夜搅拌，得到PLGA/SF纺丝液；采用双喷头纺纱设备制备PLGA/SF纱线，纺丝参数为：双喷头的流速分别为0.02mL/min和0.032mL/min，喷头之间的距离为13cm，两端分别为正高压和负高压+8kV和-8kV，旋转喇叭的转速450rpm，旋转喇叭底端到纱线接收装置的距离为60cm，纱线接收装置的转速为7rpm，得到PLGA/SF纱线；
(2)用电子天平称取0.6g的PLCL和0.2g胶原蛋白溶于10mL六氟异丙醇中，磁力搅拌器过夜搅拌，得到PLCL/COL纺丝液；通过在旋转的接收棒两端添加磁极，得到轴向取向的PLCL/COL纤维管状支架，作为三层血管的内层，纺丝参数为：PLCL/COL纺丝液流速1.0 mL/h，静电高压10kV，纺丝喷头到接收装置距离为12cm，接收装置为直径4mm的管状聚四氟乙烯材料，接收装置两端各固定一个磁极(分别为N极和S极)，接收装置旋转速度为40rpm，纺丝过程进行3小时，得到具有轴向取向纤维的血管支架内层；
(3)将(1)中得到的PLGA/SF纱线以径向取向的方向紧密缠绕于步骤(2)得到的血管内层外面作为中层；
(4)将血管支架内层/中层复合体作为接收装置，接收PLCL/COL无规纳米纤维作为外层，纺丝参数为：PLCL/COL纺丝液流速为1.0mL/h，静电高压12kV，纺丝喷头到接收装置距离为14cm，接收装置旋转速度为1000rpm，待纺丝溶液消耗0.3mL时停止，真空干燥箱放置24小时，得到成型的三层血管支架。

Claims (8)

1.一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架，其特征在于，所述血管支架的内层为轴向取向乳酸己内酯共聚物PLCL/胶原蛋白COL复合纳米纤维，中层为乳酸羟基乙酸共聚物PLGA/丝素蛋白SF复合纱线，外层为无规PLCL/COL纳米纤维；其中，中层以径向取向的方向缠绕于内层外面。
2.一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架的制备方法，包括：
(1)将乳酸羟基乙酸共聚物PLGA与丝素蛋白SF共混在溶剂中溶解均匀，得到纺丝溶液，然后通过双喷头纺纱设备制备PLGA/SF纱线；
(2)将乳酸己内酯共聚物PLCL与胶原蛋白COL共混在溶剂中溶解均匀，得到纺丝溶液，然后利用轴向取向纺丝设备纺丝得到乳酸己内酯共聚物PLCL/胶原蛋白COL复合纳米纤维管状支架，作为血管支架的内层；
(3)将步骤(1)中得到的PLGA/SF纱线以径向取向的方向缠绕于步骤(2)得到的血管内层外面作为血管支架的中层，得到内层/中层复合体管状支架；
(4)以步骤(3)得到的管状支架作为接收装置，将步骤(2)中的纺丝溶液经过单喷头静电纺丝制备得到无规的PLCL/COL纳米纤维作外层，干燥，得到仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架。
3.根据权利要求2所述的一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中SF占PLGA/SF复合物的质量分数为10％-50％；PLGA/SF复合物的总质量与纺丝液总体积的比例为10-15：100。
4.根据权利要求2所述的一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中制备参数如下：双喷头的PLGA/SF纺丝液流速为0.02mL/min和0.032mL/min，两端分别为+9-10kV和-9-10kV，两个喷头之间的距离为12-15cm，旋转喇叭的转速为450-700rpm，旋转喇叭底端到纱线接收装置的距离为60cm，纱线接收装置的转速为10-15rpm。
5.根据权利要求2所述的一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)中溶剂为六氟异丙醇。
6.根据权利要求2所述的一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中PLCL与COL质量比为3:1，PLCL/COL复合物的总质量与纺丝液总体积的比例为8-12：100。
7.根据权利要求2所述的一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中纺丝参数为：PLCL/COL纺丝液流速1.0mL/h，静电高压10-16kV，纺丝喷头到接收装置距离为10-15cm，接收装置为管状聚四氟乙烯材料，直径2mm-8mm，接收装置两端各固定一个磁极，接收装置旋转速度为10-50rpm。
8.根据权利要求2所述的一种仿生天然血管三层结构的复合材料血管支架的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中纺丝参数为：PLCL/COl纺丝液流速为1.0mL/h，纺丝液消耗体积为0.1-0.5mL，静电高压8-12kV，纺丝喷头到接收装置距离为10-15cm，旋转速度为300-1500rpm。
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