CN106512087A - 一种纤维取向排列的人造血管支架及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种取向排列的人造血管支架及其制备方法，属于组织工程领域。本发明以生物相容性聚合物材料为纺丝溶液，首先通过静电纺丝法研究了不同转速对于纤维取向的影响，确定了最佳取向度的转速，在此转速基础上制备出取向排列的纤维人造血管支架，所述人造血管支架的生物相容性较好，并且可以引导平滑肌细胞取向排列在血管上。本发明可以大规模生产，有望用于实际的临床诊断中。

Description

一种纤维取向排列的人造血管支架及其制备方法
技术领域
本发明属于组织工程技术领域，具体涉及一种纤维取向排列的人造血管支架及其制备方法。
背景技术
近年来，各种血管疾病已经成为人类健康的第一大杀手。目前治疗血管疾病的主要方法为血管移植，自体血管作为血管移植的最佳选择，由于其来源有限，已经不能满足对人造血管支架越来越高的数量需求。理想的人造血管支架需要满足的条件有：首先生物相容性较好、对细胞无毒、对人体无毒不致癌、而且具有较好的机械性能、与天然血管匹配、方便快捷同时廉价等。生物相容性是血管支架使用最基本的先决条件。很多科学家观察到，自然血管中的细胞是成一定的取向排列，其特定的排列为血管的功能提供了很多作用，比如血管外层中的平滑肌细胞，其在外层结构中始终是对齐的沿着圆周取向排列的，其对于血管在环境温度响应的条件下的收缩作用，至关重要。近年来一些文献报道，纳米纤维的排列方向对于细胞生长方向、粘附方向都有很重要的引导作用，纤维的对齐度越高其细胞排列的对齐度也越高。比如通过静电纺丝制备的取向的纳米纤维可以引导3T3细胞对齐的排列生长，而无序的纳米纤维则会导致细胞的无序生长，并且随着培养时间的增加，其对齐度在逐渐增加。所以在人造血管这方面，考虑制备能够引导平滑肌细胞取向生长的工作就尤为重要了。
静电纺丝是快速的制备微纳米纤维的方法，其制备的微纳米纤维具有以下的特点：较高的孔隙率和比表面积，模拟了细胞质ECM的环境，有利于细胞的粘附和生长，通过变换纺丝过程的工艺参数和溶液性质，可以得到不同形式(随机或取向)和孔隙率及孔径的纤维，满足支架不同的要求。其主要的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，通过调节和控制纺丝参数，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。
目前，小口径血管的制备主要有以下几种方法：相分离法、溶液浇铸法、非织造技术，静电纺丝法和组织工程血管。其中使用静电纺丝技术得到的血管支架具有以下的特点:1)电纺小口径人造血管具有较高的孔隙率和比表面积，同时模拟了细胞外基质(ECM)拓扑结构，有利于细胞的粘附与生长；2)既可以选择天然材料也可以选择合成材料，或者选择两者的混合物，因此能够提供给支架最好的力学性能和生物性能的结合；3)通过变换纺丝过程的工艺参数和溶液性质，可以得到不同形式(随机或取向)和孔隙率及孔径的纤维，满足支架不同的要求；4)由于较高的比表面积，纤维支架的表面可以接枝高密度的生物活性分子，可以提高支架的生物相容性能。由于电纺技术以上特点，非常适合用来构建小口径人造血管，目前已成为该研究领域热点之一。
发明内容
本发明针对现有人工血管支架的不足，以及受自然血管的启发，提出了一种静电纺丝制备仿人体血管中平滑肌取向排列的纤维层的血管支架的方法，通过取向排列的纤维引导平滑肌取向排列，本发明成功制备了引导平滑肌细胞取向排列的人造血管支架，有望在临床使用方面得到应用。
本发明提供一种纤维取向排列的人造血管支架及其制备方法，所述的制备方法简单，易于操作，所制得的人造血管支架纤维分布均匀，所得的具有引导细胞取向排列的功能的人造血管支架在临床应用上有很大的前景。本发明所制备的人造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。
本发明所得到的具有引导细胞取向排列的人造血管支架能用于组织工程、临床医学等领域。
本发明提供的采用静电纺丝法制备纤维取向排列的人造血管支架，具体包括以下步骤：
第一步，静电纺丝溶液的配置：
将聚合物A在室温条件下溶于溶剂B中，充分搅拌至完全溶解，即得到聚合物A的纺丝溶液；所述纺丝溶液的质量浓度为8～15％。
所述的聚合物A为丝素、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚氨酯(PU)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、细菌纤维素和壳聚糖(CS)中的一种或两种。
所述的溶剂B为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、氯仿、二氯甲烷、四氢呋喃、水和丙酮中的一种或两种，当采用两种溶剂的混合时，至少一种为丙酮，并且丙酮与另一种溶剂的质量比例为1:4～1:1。
第二步，取向纤维膜的制备：
将第一步中得到的聚合物A的纺丝溶液置于配有直径0.2～1.0mm针头的注射泵中，施加10～25kV的电压，在工作距离为10cm～15cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机收集纤维，即在不锈钢管上制备得到取向纤维膜。所述旋转电机的转速为600～2800r/min，优选最佳旋转电机转速为2000～2400r/min。
第三步，制备纤维取向排列的人造血管支架。
把带有取向纤维膜的不锈钢管放入到去离子水中30min以上，脱管。30～35℃烘干，得到纤维取向排列的人造血管支架。
上述方法制备得到的纤维取向排列的目标人造血管支架中，纤维为绕着不锈钢管的圆周取向排列，大部分纤维为对齐排列。
所述的纤维取向排列的人造血管支架中的纤维为纳米纤维，纳米纤维直径为200nm～2μm。优选的纳米纤维直径为700nm～1000nm。
所述的人造血管支架可以引导细胞沿着人造血管支架的圆周取向生长，并具有良好的细胞相容性。
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纤维取向排列的人造血管支架，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，并且通过细胞实验验证了其可以引导平滑肌细胞取向排列。本发明所得的具有引导细胞取向生长的良好相容性的人造血管可以大规模生产，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)静电纺丝方法制备人造血管，与相分离法、溶液浇铸法、非织造技术相比，设备简单，操作方便，能够实现大规模的生产。
(2)与现有的无规则排列的纤维的人造血管相比，其可以引导平滑肌细胞取向排列，取向排列的结构，可以在血管对温度反应时候提高收缩和扩张。
(3)该方法制备的血管支架中，组成血管支架的纳米纤维的孔隙率达到80％以上，有利于细胞营养物质和新陈代谢废物的扩散。
附图说明
图1本发明中实施例制备的纤维取向排列的人造血管支架的SEM图。
图2本发明制备得到的人造血管支架上平滑肌细胞的取向生长示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1.
第一步，将纯的聚乳酸(PLA,(C6H8O4)n)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％的溶液，作为纺丝溶液。
第二步，将所述的纺丝溶液置于配有直径0.5mm针头的注射泵中，施加10kV的电压在工作距离为15cm时进行静电纺丝，通过带有不锈钢管的旋转电机接收纤维，调整旋转电机的转速为2000r/min，得到取向排列的纤维膜。
第三步，把带有纤维膜的不锈钢管放入去离子水中浸泡30min进行脱管，然后35℃烘干，得到目标人造血管支架。如图1所示的人造血管支架，所述人造血管支架由纳米纤维构成，纳米纤维直径为700nm～1μm。如图2中所示，平滑肌细胞在所述的取向排列的纤维膜表面可以取向的生长。可知取向的纤维可以引导平滑肌细胞取向排列，并且细胞可以在其表面快速的生长，表面无细胞毒性，并且血管的孔隙率达到80％。
实施例2.
将纯的聚氨酯(PU,C28H44N2O11)、聚己内酯(PCL,C6H10O2)二者的混合物溶于混合溶剂(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10wt％溶液，作为纺丝溶液；
将该纺丝溶液置于配有直径0.5～1.0mm针头的注射泵中，施加15kV的电压在工作距离为10cm时进行静电纺丝，通过带有金属管的旋转电机接收纳米纤维，调整旋转电机的转动速度，即可在所述金属管外圆周得到取向纤维。所述旋转电机的转速为2400r/min。
再把带有取向纤维的不锈钢管放入含去离子水中浸泡1小时实现脱管，30℃烘干，得到纤维取向排列的人造血管支架。所述人造血管支架由取向的纳米纤维构成，纳米纤维直径为600nm～1μm。平滑肌细胞在所述的人造血管支架上生长的荧光图可知，取向的人造血管支架可引导平滑肌细胞取向生长。所述人造血管支架上纤维孔隙率为81％。
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)二者的混合物溶于混合溶剂中，所述的混合溶剂为丙酮和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15wt％的纺丝溶液。
将该纺丝溶液置于内径为1mm的注射器中，并且固定在注射泵上，通过静电纺丝得到取向的复合纤维膜，电纺丝参数为电压25kV，接收距离为15cm，电机的旋转速度600r/min，得到一种取向排列对齐的人造血管纤维膜。
然后放入去离子水中浸泡30min，脱管，然后30℃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排列为取向结构，并且可以引导平滑肌细胞取向排列，具有良好的生物相容性。纤维孔隙率为85％。

Claims (6)

1.一种纤维取向排列的人造血管支架，其特征在于：所述的人造血管支架是由纳米纤维所构成的，纳米纤维直径为200nm～2μm；纳米纤维沿人造血管支架的圆周方向取向分布。
2.根据权利要求1所述的一种纤维取向排列的人造血管支架，其特征在于：纳米纤维直径为700nm～1000nm。
3.一种纤维取向排列的人造血管支架的制备方法，其特征在于：
第一步，静电纺丝溶液的配置：
将聚合物A在室温条件下溶于溶剂B中，充分搅拌至完全溶解，即得到聚合物A的纺丝溶液；所述纺丝溶液的质量浓度为8～15％；
第二步，取向纤维膜的制备：
将第一步中得到的聚合物A的纺丝溶液置于配有直径0.2～1.0mm针头的注射泵中，施加10～25kV的电压，在工作距离为10cm～15cm时进行静电纺丝，采用带有不锈钢管的旋转电机收集纤维，即在不锈钢管上制备得到取向纤维膜；所述旋转电机的转速为600～2800r/min；
第三步，制备纤维取向排列的人造血管支架；
把带有取向纤维膜的不锈钢管放入到去离子水中30min以上脱管，30～35℃烘干，得到纤维取向排列的人造血管支架。
4.根据权利要求3所述的一种纤维取向排列的人造血管支架的制备方法，其特征在于：所述的聚合物A为丝素、聚乳酸、聚己内酯、聚氨酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、细菌纤维素和壳聚糖中的一种或两种；所述的溶剂B为N,N-二甲基甲酰胺、氯仿、二氯甲烷、四氢呋喃、水和丙酮中的一种或两种。
5.根据权利要求4所述的一种纤维取向排列的人造血管支架的制备方法，其特征在于：所述的溶剂B采用两种溶剂的混合溶剂，混合溶剂中至少一种为丙酮，并且丙酮与另一种溶剂的质量比例为1:4～1:1。
6.根据权利要求4所述的一种纤维取向排列的人造血管支架的制备方法，其特征在于：所述的旋转电机转速为2000～2400r/min。
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