CN109498209B - 一种顺应性可调的多层复合人工血管 - Google Patents

一种顺应性可调的多层复合人工血管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种顺应性可调的多层复合人工血管，属于人工血管技术领域，由三层复合发泡材料管嵌套而成，相邻复合发泡材料管之间填充有凝胶或蛋白；所述复合发泡材料管由PCL、PLA和TPU共混发泡制成。本发明提供的多层复合人工血管模拟了天然血管的三层结构，并达到外层复合材料发泡管的弹性模量＞中层复合材料发泡管的弹性模量＞内层复合材料发泡管的弹性模量的目的，能够适应因血流压力变化造成的形变，克服人工血管容易形成血栓的问题，提高人工血管的顺应性。

Description

一种顺应性可调的多层复合人工血管
技术领域
本发明属于人工血管技术领域，具体涉及一种顺应性可调的多层复合人工血管。
背景技术
当人体某部位的血管由于衰老、动脉硬化、栓塞或破损等原因不能保证人体正常供血时， 需采用人工血管进行置换、搭桥或介入等外科手术进行治疗。
人体血管具有三层结构，血管的生物力学性能中，最重要的是血管的顺应性。顺应性是指在正常舒张压下，人工血管管腔内压力作用引起的管壁扩张程度，即血管壁面受血流脉动引起的应力与应变之间的关系。血管由于其动态的血液流动环境和独特的性能要求，动脉血管的应力应变曲线（例如单轴拉伸）是高度非线性的，如图1所示，在拉伸过程中随着应变增加，应力先缓慢增长经过“足趾区”（Toe region）后迅速线性增高，保证血管能够维持血压输送血液，而且在血压过高时不会破裂，这种非线性力学特性是保证血管顺应性的关键机制。血管顺应性过小会限制血流通过，造成血管管腔内狭窄，导致移植失败，顺应性过大则不利于血流保持稳定的血压范围，这点在小口径血管中表现的尤为突出。
理想的人工血管应当具有良好的组织相容性、血液相容性和顺应性，顺应性较差的人造血管缝合至正常顺应性的天然血管时将在连接处局部引起血液动力的变化，这是由于：（1）在连接处由于不同的管壁弹性造成不同的压力波传播率，引起波的反射并形成涡流，容易导致血液凝结和细胞内壁增殖。（2）由于人工血管和宿主血管的直径膨胀率不同，在吻合处将会有过多的应力产生，导致吻合处产生缝合线的疲劳、宿主大动脉产生剪切力、并产生纤维组织。为了得到良好的压力传输且避免反射效应产生，移植后的人工血管必须与宿主血管有相近的力学性能。虽然人们从各种方面，如材料的选择、织物结构、后处理方法等，进行探索和改进，但迄今为止各种人工血管的顺应性仍不能和人体动脉相比拟。在人工血管的研发过程中，如何有效地提高其纵向径向顺应性，一直是一个主要的研究方向。现有技术中大多采用静电纺丝法制备人工血管，但是不可避免的要引入有机溶剂来对高分子材料进行处理，在溶剂挥发过程中难以完全去除，在后续使用中对人体产生毒副作用。
仿生人工血管的构建，该研究在我国还处于探索阶段，目前研究大多使用单层人工血管，难以仿生人体血管复杂的微观结构和功能性。构建多层复合人工血管，更好的实现血管的功能性，是新型人工血管研发的必然趋势。作为研究热点，如何仿生制备，并提高结构设计和优化效率，利用血管结构实现顺应性有序调控，是一个新的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种顺应性可调的多层复合人工血管。
基于上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种顺应性可调的多层复合人工血管，由三层复合发泡材料管嵌套而成，相邻复合发泡材料管之间填充有凝胶或蛋白；所述复合发泡材料管由PCL、PLA和TPU共混发泡制成。
进一步地，外层复合材料发泡管的弹性模量＞中层复合材料发泡管的弹性模量＞内层复合材料发泡管的弹性模量。
进一步地，PCL、PLA和TPU按照质量比为（7～9）:（1～3）:（0～2）。
进一步地，所述复合发泡材料管的内径为3～7mm，外径为5～9mm，且外层复合材料发泡管的内径＞中层复合材料发泡管的外径，中层复合材料发泡管的内径＞内层复合材料发泡管的外径，相邻复合发泡材料管之间间隔1µm～2mm。
进一步地，所述蛋白的弹性模量为0.01MPa～0.3MPa。
上述顺应性可调的多层复合人工血管的制备过程为：
（1）将PCL、PLA和TPU按比例共混造粒；
（2）将料粒于190～220℃下融化、热压制得薄膜，具体为；
a. 待平板硫化机的温度达到190℃后，将粒料置于厚度为0.5mm的空心钢板内，空心钢板上下平面覆盖聚四氟乙烯膜，平板硫化机放入加热板，待粒料融化后挤压5min制得薄片；
b. 将所述薄片在热压机上进行二次挤压，得到厚度为0.1～0.2mm的薄膜；
（3）在直径为3～7mm实心圆柱外包裹铝箔纸层，再在铝箔纸层外包裹薄膜，然后再包裹一层铝箔纸层后置于内径为5～9mm空心圆柱内，然后放入高压反应釜中在35～50℃、1500～2000PSI下超临界CO2微孔发泡，恒温恒压保持0.5～4h后将反应釜置于冰水中并迅速泄压，泄压时间小于2s，制得单层复合材料发泡管；
（4）将三个不同弹性模量单层复合材料发泡管嵌套，相邻单层复合材料发泡管间的间隙填充凝胶或蛋白即得顺应性可调的多层复合人工血管。
本发明提供的多层复合人工血管模拟了天然血管的三层结构，并且通过控制PLA、PCL和TPU组成控制每层复合材料发泡管的内部泡孔大小、开闭孔程度、泡孔尺寸分布，进而使每层复合材料发泡管弹性模量可控，达到外层复合材料发泡管的弹性模量＞中层复合材料发泡管的弹性模量＞内层复合材料发泡管的弹性模量的目的。内层复合材料发泡管最软，弹性模量最小，能够适应因血流压力变化造成的形变，克服人工血管容易形成血栓的问题，提高人工血管的顺应性。多层复合人工血管在血流脉冲过程中，内、中、外各层抵抗变形的能力分阶段依次产生作用，宏观应力应变曲线近似为三段斜率直线连成，近似模拟血管的非线性力学特性，使复合人工血管接近天然血管顺应性的力学性能。
另外，复合材料发泡管中PCL与PLA参与发泡，而TPU不参与发泡，TPU在材料内部生成微米粒级结构，该微米粒可以作为交联点，有效提高材料的韧性。同时在发泡过程中，薄膜卷成的人工血管，血管两端对接的的接口在超临界发泡中由于温度、压力的升高，聚合物进入超临界状态，接口处自动结合，沿血管壁不会形成接缝，增强了其人工血管的通畅性，不易形成血栓。
与现有的静电纺丝法相比，本申请无需引入额外的化学溶剂，只使用了二氧化碳气体，具有无毒无害的特点，且静电纺丝纤维间是搭接形式结合，具有宏观力学性能较低的劣势。而本申请采用的凝胶或蛋白能为血管细胞生长提供诱发点，促进细胞生长，缩短血管愈合时间。
附图说明
图1是本发明多层复合人工血管的结构示意图；
图2是实施例1～5制备的单层复合材料发泡管的拉伸力学性能图；
图3是实施例1制备的复合材料发泡管内部结构电镜图。
具体实施方式
一、发泡条件确定
由于PCL为基体材料，其对发泡条件影响具有指导意义，因此考察发泡条件时仅以PCL为原料进行考察来指导实验。
制备PCL薄膜：（1）将设定平板硫化机的温度为190℃，温度达到后，将PCL粒料放在厚度为0.5mm的空心钢板内，上下平面盖上聚四氟乙烯膜，放入加热板，约15min后融化，融化后挤压5min左右，取出薄片；将薄片在热压机上进行二次挤压，得到厚度约为0.2mm的薄膜；（2）在直径为0.3mm的实心圆柱外包裹铝箔纸层（两层铝箔纸制成），再在铝箔纸层外包裹薄膜，然后再包裹一层铝箔纸层（两层铝箔纸制成）后置于内径为0.5mm的空心圆柱内制得预发泡样品。
1、确定发泡温度
选取9个相同的预发泡样品分别置于放入高压反应釜中，7个样品的发泡温度依次设为38℃、40℃、42℃、44℃、46℃、48℃、50℃，待温度稳定后，充入CO2增大压强至1500PSI，保持恒温恒压的状态1h，然后将反应釜放入冰水中，同时迅速泄压，得到单层PCL发泡管，测定其发泡倍率，结果见表1。
从表1可以看出，发泡温度为42℃时，发泡倍率最大，其中发泡倍率越大，泡孔壁越薄，越易于形成开孔结构，有利于物质在人工血管壁内外运输。
2、确定发泡压力
选取7个相同的预发泡样品分别置于放入高压反应釜中，5个样品的发泡温度为、42℃，待温度稳定后，充入CO2增大压强，5个预发泡样品的发泡压力分别为1400PSI、1500PSI、1600PSI、1800PSI、2000PSI，保持恒温恒压的状态1h，然后将反应釜放入冰水中，同时迅速泄压，得到单层PCL发泡管，测定其发泡倍率，结果见表2。
表2
从表2可以看出，发泡压力为1500PSI时，发泡倍率最大。
3、确定发泡时间
选取8个相同的预发泡样品分别置于放入高压反应釜中，8个样品的发泡温度为、42℃，待温度稳定后，充入CO2增大压强，发泡压力为1500PSI，8个预发泡样品分别保持恒温恒压的状态0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h，然后将反应釜放入冰水中，同时迅速泄压，得到单层PCL发泡管，测定其发泡倍率，结果见表3。
表3
从表3可以看出，发泡时间为1h时，发泡倍率最大。
由于发泡倍率越大，泡孔壁越薄，越易于形成开孔结构，有利于物质在人工血管壁内外运输。综上，选择42℃、1500PSI下发泡1h最合适。
二、单层复合材料发泡管制备
2.1实施例1
一种复合材料发泡管，由PCL、PLA和TPU按照质量比80:10:10共混发泡制成，其内径约为7mm，外径约为8mm。
上述复合材料发泡管采用下述方法制备而成：
（1）在双螺旋挤出机上将由PCL、PLA和TPU按照质量比80:10:10共混造粒；
（2）设定平板硫化机的温度为190℃，温度达到后，将粒料放在厚度为0.5mm的空心钢板内，上下平面盖上聚四氟乙烯膜，放入加热板，约15min后融化，融化后挤压5min左右，取出薄片；将薄片在热压机上进行二次挤压，得到厚度约为0.2mm的薄膜；
（3）在直径为7mm的实心圆柱外包裹铝箔纸层（两层铝箔纸制成），再在铝箔纸层外包裹薄膜，然后再包裹一层铝箔纸层（两层铝箔纸制成）后置于内径为8mm，的空心圆柱内；然后放入高压反应釜中升高温度至42℃，待温度稳定后，充入CO2增大压强至1500PSI，保持恒温恒压的状态1h，然后将反应釜放入冰水中，同时迅速泄压，得到单层复合材料发泡管，即单层人工血管样品，记为样品1。
将人工血管经液氮淬断，取其断面考察熔体温度、压力、气体溶解度等工艺参数对泡孔生长状态的影响；利用光学显微镜、扫描电镜等手段，分别对单层人工血管外壁，横断面及内表面进行观察，分析研究泡孔结构及生长状态。
经测定上述样品1的泡孔率为89.98%，内部泡孔尺寸平均大小为9.2μm、泡孔尺寸分布为9.2±3.6μm、泡孔密度3.76×108个/cm3，其弹性模量为6.04 MPa，抗拉强度1.67MPa，断裂伸长率为442%。
实施例2
一种复合材料发泡管，由PCL和PLA按照质量比80:20共混发泡制成，其内径约为7mm，外径约为8mm，其制备方法与实施例1相同。所得产品记为样品2。
经测定上述样品2的泡孔率为84.71%，内部泡孔尺寸平均大小为 10.06μm、泡孔尺寸分布为10.06±3.3 μm、泡孔密度2.55X108个/cm3，其弹性模量为4.86MPa，抗拉强度1.36MPa，断裂伸长率为203%。
实施例3
一种复合材料发泡管，由PCL和PLA按照质量比90:10共混发泡制成，其内径约为5.5mm，外径约为6.5mm。记为样品3。
其制备过程参考实施例1，与实施例1的制备过程不同之处在于，实心圆柱的直径为5.5mm，空心圆柱的内径为6.5mm。
经测定上述样品3的泡孔率为88.52%，内部泡孔尺寸平均大小为 10.67μm、泡孔尺寸分布为10.67±3.03μm、泡孔密度1.75×108个/cm3，其弹性模量为4.49 MPa，抗拉强度1.25MPa，断裂伸长率为326%。
实施例4
一种复合材料发泡管，由PCL、PLA和TPU按照质量比70:10:20共混发泡制成，其内径约为4mm，外径约为5mm，记为样品4。
其制备过程参考实施例1，与实施例1的制备过程不同之处在于，实心圆柱的直径为4mm，空心空心圆柱的内径为5mm。
经测定上述样品4的泡孔率为88.12%，内部泡孔尺寸平均大小为 5.79μm、泡孔尺寸分布为5.79±2.87μm、泡孔密度11.12×108个/cm3，其弹性模量为3.05MPa，抗拉强度0.78MPa，断裂伸长率为445%。
实施例5
一种复合材料发泡管，由PCL和PLA按照质量比70:30共混发泡制成，其内径约为4mm，外径约为5mm，其制备方法与实施例4相同。所得产品记为样品5。
经测定上述样品5的泡孔率为76.63%，内部泡孔尺寸平均大小为8.87μm、泡孔尺寸分布为8.87±2.93 μm、泡孔密3.68x108个/cm3，其弹性模量为5.03MPa，抗拉强度1.54MPa，断裂伸长率为125%。
性能检测
（1）拉伸测试
将实施例1～5制备的将发泡样品裁剪成哑铃状的样条，有效拉伸长度为20cm，采用材料万能试验机（型号：UTM2203，公司：深圳三思纵横科技股份有限公司）进行拉伸测试，拉伸速率为2mm/min，具体结果见图2。
从图2可以看出，样品1(8:1:1)、 样品3(9:1)和样品4(7:1:2)的韧性相对较好，且弹性模量逐渐减少，满足三层血管的要求。
（2）电镜分析
选择实施例1制备的样品经液氮淬断，利用扫描电镜观察其形貌，具体结果见图3。
从图3可以看出，泡孔尺寸分布均匀，且均为开孔结构，且样品1的泡孔率为89.98%，内部泡孔尺寸平均大小为9.2μm、泡孔尺寸分布为9.2±3.6μm、泡孔密度3.76×108个/cm3。
三、制备组织工程人工血管
（1）从图1可以看出，样品1(8:1:1)、样品3(9:1)和样品4(7:1:2)的韧性相对较好，且弹性模量逐渐减少，满足三层血管的要求。
因此，选取样品4作为内层管，样品3为中层管、样品1为外层管，其中样品1的弹性模量＞样品3的弹性模量＞样品4的弹性模量，达到外层复合材料发泡管的弹性模量＞中层复合材料发泡管的弹性模量＞内层复合材料发泡管的弹性模量的目的。
（2）将三个样品嵌套，相邻复合发泡材料管之间间隔0.5mm左右，管间间隙填充凝胶或弹性模量为0.01MPa～0.3MPa的蛋白，即得顺应性良好的多层复合人工血管，其结构见图1。
当人体血管发生病变无法自我修复时，切除病变血管，根据病变血管的尺寸，制备相应尺寸的人工血管后移植即可。由于内层复合材料发泡管最软，弹性模量最小，能够适应因血流压力变化造成的形变，克服人工血管容易形成血栓的问题，提高人工血管的顺应性。同时。多层复合人工血管在血流脉冲过程中，内、中、外各层抵抗变形的能力分阶段依次产生作用，宏观应力应变曲线近似为三段斜率直线连成，近似模拟血管的非线性力学特性，使复合接近天然血管顺应性的力学性能，增强了人工血管的通畅性，不易形成血栓。

Claims (4)

1.一种顺应性可调的多层复合人工血管，其特征在于，由三层复合发泡材料管嵌套而成，相邻复合发泡材料管之间填充有凝胶或蛋白；所述复合发泡材料管由PCL、PLA和TPU共混发泡制成，并且外层复合材料发泡管的弹性模量＞中层复合材料发泡管的弹性模量＞内层复合材料发泡管的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的顺应性可调的多层复合人工血管，其特征在于，PCL、PLA和TPU按照质量比为（7～9）:（1～3）:（0～2）。
3.根据权利要求2所述的顺应性可调的多层复合人工血管，其特征在于，所述复合发泡材料管的内径为3～7mm，外径为5～9mm，且外层复合材料发泡管的内径＞中层复合材料发泡管的外径，中层复合材料发泡管的内径＞内层复合材料发泡管的外径，相邻复合发泡材料管之间间隔1µm～2mm。
4.根据权利要求3所述的顺应性可调的多层复合人工血管，其特征在于，所述蛋白的弹性模量为0.01MPa～0.3MPa。
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