CN109700562B - 仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架及其制备方法，所述支架由至少三层纤维膜和负载在至少其中一层纤维膜上的药物组成；其中至少有两层所述纤维膜的纤维取向方向不同。本发明的方法是由静电纺丝制备的纳米纤维，通过卷曲在滚筒接收装置上的接收膜来获得取向或无取向纤维，通过接收膜的折叠、旋转等方法获得特定层、特定取向的纳米纤维膜，再通过特定卷曲方式获得仿生天然血管结构和功能的多层双取向的管状纳米纤维血管支架。本发明的血管支架仿生度高，易均匀接种细胞，制备方法不受支架直径与长度的限制，支架取向容易得到保证，制备效率高，成本低。

Description

仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种血管支架及其制备方法，特别是一种仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架及其制备方法。

背景技术

随着现代社会的发展和进步，人们的生活水平得以明显改善。然而目前越来越常见的心血管疾病已成为了阻碍人们生活质量进一步提升的严重威胁之一，同时也是导致现代社会高发病率和高死亡率的主要因素之一。据报道，心血管疾病引发的死亡占全球总死亡数的30％。而在我国，心血管病死亡已成为城乡居民死亡的首要原因，目前估计我国心血管病患者人数约为2.9亿，相当于每10个成年人中有2人为心血管病患者，所以心血管疾病已成为国内的重大公共卫生问题。目前临床的解决方法有球囊成形术，冠状动脉旁路术，外周血管手术，动静脉瘘等进行血管通路重建措施，除此之外，目前血管问题的解决还主要依赖于药物或者通过可介入手段植入金属或者高分子的血管支架，比如治疗冠状动脉粥样硬化等，更是严重依赖于支架的植入以及其防治再狭窄的功能。然而，对那些严重病变的血管想要让其继续行使正常功能或许已经非常困难，解决方案只能是血管替换。目前移植血管主要来源于自体动、静脉及人工血管(

聚四氟乙烯等合成材料制备)。但是自体来源的血管存在着诸如来源血管疾病、前置手术、血管长度有限以及来源血管质量不高等问题。

人工血管支架目前是临床上的重要选择之一。现在广泛使用的人工血管材料是多是膨化聚四氟乙烯和聚酯纤维等不可降解材料，它们主要应用于大尺寸及中等尺寸血管的替换，但却不适合用于小尺寸血管(内径≤6mm)的替换，如在小腿血管、冠状动脉的搭桥或替换时，容易导致血栓形成，内膜增生及顺应性不匹配等问题。因此对于小尺寸血管来说，亟需有效地血管替代物。组织工程作为当今生物医学领域最具发展前景的新兴学科之一，基于细胞生物学和材料科学相结合，进行体外或体内构建组织或器官，是解决这一关键问题的有效途径。

小尺寸血管组织工程所修复的主要目标是机体内的小尺寸动脉和静脉的血管壁，其重点是要构建和天然血管类似的结构和功能，包括内皮化、平滑肌再生等。血管壁共有内膜、中膜和外膜三层。血管壁的主要特点是，内膜主要由单层扁平上皮细胞(即内皮细胞)组成，其中内皮细胞沿血液流动方向排列；中膜细胞主要为由沿血管圆周方向排列的平滑肌细胞；外膜为疏松结缔组织，其中细胞主要以无取向的成纤维细胞为主。这样的天然血管特征要求双取向血管支架与自然血管支架的力学性能相匹配，并且可以支持新生血管组织重建，在重建的过程中快速内皮化，平滑肌细胞向内生长并且无过度增生，在重建的过程中血管支架进行同步的降解。

目前见诸报到的血管支架的制备方法主要有：a)单层纤维血管支架，如中国专利201611112419.1报道了通过静电纺丝技术制备的单层取向纳米纤维血管支架可以很好的引导平滑肌细胞的取向生长。如中国专利201710397599.0使用聚乳酸纤维、胶原、丝素蛋白、N一羟基琥珀酰亚胺、牡蛎壳粉、壳聚糖、半水硫酸钙、对乙酞氨基酚、乙醇、淀粉和蒸馏水混合静电纺丝制备单层无取向纤维支架。b)双层纤维血管支架，如中国专利201510229822.1使用静电纺丝制备双层纳米纤维，内层为取向纤维，外层为的纳米纤维复合纳米纱的增强结构。c)三层复合小口径血管支架，如中国专利201611197838.X通过静电纺丝直接纺制三层管状血管支架。d)载药纤维支架，如中国专利201510640661.5静电纺丝负载肝素和CD133抗体的双层血管支架。如中国专利201510749818.8一种肝素与双生因子协同调控的P(LLA-CL)-胶原蛋白双层纳米纤维血管支架的制备方法。但是总体来说它们具有以下不足之处：

1、这些支架基本都是基于静电纺丝直接得到的三维的管状支架，不容易进行均匀的接种细胞，对直径和支架长度也有一定的限制，制备效率低。

2、这些支架基本上很难做到真正的仿生天然血管结构，支架的取向度很难得到保证。

3、这些支架的直径和长度不能随意变换，很难做到任意直径和任意长度的支架。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架及其制备方法。本发明的血管支架仿生度高，易均匀接种细胞，制备方法不受支架直径与长度的限制，支架取向容易得到保证，制备效率高，成本低。

本发明的技术方案：一种仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，由至少三层纤维膜组成，其中至少有两层所述纤维膜的纤维取向方向不同。

前述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，至少其中一层所述纤维膜上负载有药物。

前述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，所述药物为血管内皮生长因子、血小板源性生长因子等生长因子或CD133抗体、肝素纳等促血管生长药物中的一种或多种。

前述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，所述纤维膜的原料为聚乙醇酸、聚乳酸、聚ε-己内酯、聚乙二醇-聚己内酯嵌段共聚物、聚乳酸羟基乙酸共聚物等人工合成高分子材料或胶原、明胶、壳聚糖、丝素蛋白、纤连蛋白等天然高分子材料中的一种或任意多种的任意比混合物。

前述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，所述的至少有两层纤维膜的纤维取向方向不同，是指其中至少一层纤维膜的纤维取向方向与天然血管内血流方向平行，至少一层纤维膜的纤维取向方向与天然血管的圆周方向平行。

一种前述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架的方法，包括如下步骤：

1)将纤维膜原料溶于水或有机溶剂中，待高分子均匀溶解后，得静电纺丝液；

2)将接收膜以宽度方向为轴线对折，然后沿宽度方向将接收膜卷曲在固定接收膜的滚筒上，通过静电纺丝法将静电纺丝液纺丝在接收膜的其中一面上，制备无纤维取向的第一层纤维膜；

3)将接收膜展开，沿宽度方向将接收膜卷曲在固定接收膜的滚筒上，通过静电纺丝法在第一层纤维膜上以及与第一层纤维膜对称的接收膜上制备有纤维取向的第二层纤维膜；

4)将接收膜再次沿步骤2)的轴线对折，然后使包含两层纤维膜的一面朝上，沿接收膜的长度方向将接收膜卷曲在固定接收膜的滚筒上，通过静电纺丝法在包含两层纤维膜的一面制备有纤维取向的第三层纤维膜；

5)根据血管支架使用要求，在任意两层纤维膜之间或第三层纤维膜上选择是否继续制备纤维膜；

6)将接收膜展开后自第二层纤维膜远离三层纤维膜的一侧开始将纤维膜卷曲成血管支架所需直径大小的管即可。

前述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架的制备方法，在制备所述第一层纤维膜、第二层纤维膜、第三层纤维膜或多层纤维膜中的其中一层或几层纤维膜时，通过悬浮液纺丝法、乳液纺丝法或纳米颗粒包覆后将药物分散于静电纺丝液中，制备负载药物的纤维膜。

前述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架的制备方法，制备所述纤维膜时，喷头与固定接收膜的滚筒的竖直距离为大于0cm小于30cm，纺丝电压为大于0kV小于30kV。

前述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架的制备方法，制备所述无纤维取向的第一层纤维膜时，滚筒的转速大于0rpm小于100rpm，制备有纤维取向的第二层纤维膜和第三层纤维膜时，滚筒的转速大于1500rpm小于10000rpm。

前述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架的制备方法，所述接收膜为铝箔、离型纸、无纺布或者油纸。

本发明的有益效果

(1)本发明的仿生天然血管结构与功能的多层多取向纳米纤维支架，能够有效的模拟天然血管的结构与功能，通过纤维取向对细胞的接触引导作用，可以最大程度的仿生天然血管的多层结构，以及每层的细胞的取向排列，容易均匀接种细胞，原位诱导干细胞定向分化及引导细胞取向生长。

(2)本发明制备的仿生天然血管结构与功能的多层双取向血管支架，还可以通过控制每层加入的水溶性高分子的含量或者改变纺丝液的浓度调控纺丝直径大小和、纤维的孔隙率大小，进而促进平滑肌细胞的向内迁移生长。

(3)本发明的制备工艺简单，方法灵活，效率高且成本低廉，制备的纳米纤维膜能够控制支架的直径与长度大小，并且保证支架纤维的取向。

附图说明

附图1为静电纺丝第一层纤维膜的流程图；

附图2为静电纺丝第二层纤维膜的流程图；

附图3为静电纺丝第三层纤维膜的流程图；

附图4为静电纺丝第一层无取向纤维膜扫描电镜图；

附图5为静电纺丝第二层有取向纤维膜扫描电镜图；

附图6为静电纺丝第三层有取向纤维膜扫描电镜图；

附图7为静电纺丝纤维膜三层截面图；

附图8为静电纺丝纤维膜三层效果示意图；

附图9为有取向纳米纤维膜及在上面接种后的细胞生长状况。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

本发明的实施例

实施例1：一种仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架的制备方法，步骤如下：

1)将聚乳酸羟基乙酸共聚物、明胶按质量比1：1溶于三氟乙醇中，磁力搅拌8小时，制备质量体积比为14％的静电纺丝液；

2)如图1A所示，将铝箔以宽度方向为轴线对折，得图1B形状，然后如图1C所示，沿宽度方向将铝箔卷曲在固定铝箔的滚筒上，控制滚筒的转速为50rpm，通过静电纺丝法将静电纺丝液纺丝在铝箔的其中一面上(对应附图1D的abef面)，制备无纤维取向的第一层纤维膜，如图1D所示；

3)如图2A-B所示，将铝箔展开，然后如图2C所示，沿宽度方向将铝箔卷曲在固定铝箔的滚筒上，控制滚筒的转速为2500rpm，通过静电纺丝法在第一层纤维膜上以及与第一层纤维膜对称的铝箔上(对应附图2D的abcdef面)制备有纤维取向的第二层纤维膜，如图2D所示；

4)如图3A-C所示，将铝箔旋转90°后，再次沿步骤2)的轴线对折，然后如图3D所示，使包含两层纤维膜的一面朝上后，沿铝箔的长度方向将铝箔卷曲在固定铝箔的滚筒上，控制滚筒的转速大于2000rpm，通过静电纺丝法在包含两层纤维膜的一面(对应附图3E的abef面)上制备有纤维取向的第三层纤维膜，如图3E-F所示；

5)将铝箔展开后自第二层纤维膜远离包含三层纤维膜的一侧(对应附图3F中的cd边)开始将纤维膜卷曲成血管支架所需直径大小的管即可。

上述静电纺丝工艺中，喷头与固定铝箔的滚筒的纺丝距离为15cm，纺丝电压为20kV。

实施例2：一种仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架的制备方法，步骤如下：

1)根据乳液纺丝法原理，将纤连蛋白及聚乙醇酸按质量比1:9溶于六氟异丙醇中，搅拌8小时，制备质量体积比为15％的溶液，随后加入少量聚醚F127，搅拌均匀后作为油相；

2)将1μg血管内皮生长因子溶于2％明胶水溶液中作为水相，以油水比25:1均匀混合水相及油相并搅拌8小时，得均匀乳化的静电纺丝液；

3)如图1A所示，将离型纸以宽度方向为轴线对折，得图1B形状，然后如图1C所示，沿宽度方向将离型纸卷曲在固定离型纸的滚筒上，控制滚筒的转速为100rpm，通过静电纺丝法将静电纺丝液纺丝在离型纸的其中一面上，制备无纤维取向的第一层纤维膜，如图1D所示；

4)如图2A-B所示，将离型纸展开，然后如图2C所示，沿宽度方向将离型纸卷曲在固定离型纸的滚筒上，控制滚筒的转速为3000rpm，通过静电纺丝法在第一层纤维膜上以及与第一层纤维膜对称的离型纸上制备有纤维取向的第二层纤维膜，如图2D所示；

5)如图3A-C所示，将离型纸旋转90°后，再次沿步骤2)的轴线对折，然后如图3D所示，使包含两层纤维膜的一面朝上后，沿离型纸的长度方向将离型纸卷曲在固定离型纸的滚筒上，控制滚筒的转速为3000rpm，通过静电纺丝法在包含两层纤维膜的一面上制备有纤维取向的第三层纤维膜，如图3E-F所示；

6)将离型纸展开后自第二层纤维膜远离包含三层纤维膜的一侧(对应附图3F中的cd边)开始将纤维膜卷曲成血管支架所需直径大小的管即可。

上述静电纺丝工艺中，喷头与固定离型纸的滚筒的竖直距离为20cm，纺丝电压为10kV。

实施例3：一种仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架的制备方法，步骤如下：

1)将聚乳酸己内酯共聚物溶于二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺(体积比为7:3)的混合溶液中，搅拌10小时，得静电纺丝液；

2)如图1A所示，将油纸以宽度方向为轴线对折，得图1B形状，然后如图1C所示，沿宽度方向将油纸卷曲在固定油纸的滚筒上，控制滚筒的转速为100rpm，通过静电纺丝法将静电纺丝液纺丝在油纸的其中一面上，制备无纤维取向的第一层纤维膜，如图1D所示；

3)如图2A-B所示，将油纸展开，然后如图2C所示，沿宽度方向将油纸卷曲在固定油纸的滚筒上，控制滚筒的转速为2000rpm，通过静电纺丝法在第一层纤维膜上以及与第一层纤维膜对称的油纸上制备有纤维取向的第二层纤维膜，如图2D所示；

4)如图3A-C所示，将油纸旋转90°后，再次沿步骤2)的轴线对折，然后如图3D所示，使包含两层纤维膜的一面朝上后，沿油纸的长度方向将油纸卷曲在固定油纸的滚筒上，控制滚筒的转速大于2000rpm，通过静电纺丝法在包含两层纤维膜的一面上制备有纤维取向的第三层纤维膜，如图3E-F所示；

5)根据血管支架使用要求，在第三层纤维膜上继续制备多层纤维膜(具体制备层数按照实际需要进行)；

6)将油纸展开后自第二层纤维膜远离包含三层纤维膜的一侧(对应附图3F中的cd边)开始将纤维膜卷曲成血管支架所需直径大小的管即可。

上述静电纺丝工艺中，喷头与固定油纸的滚筒的竖直距离为25cm，纺丝电压为30kV。

Claims (9)

1.一种仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，其特征在于：由至少三层纤维膜组成，其中至少有两层所述纤维膜的纤维取向方向不同；

其制备方法包括如下步骤：

1）将纤维膜原料溶于水或有机溶剂中，待高分子均匀溶解后，得静电纺丝液；

2）将接收膜以宽度方向为轴线对折，然后沿宽度方向将接收膜卷曲在固定接收膜的滚筒上，通过静电纺丝法将静电纺丝液纺丝在接收膜的其中一面上，制备无纤维取向的第一层纤维膜；

3）将接收膜展开，沿宽度方向将接收膜卷曲在固定接收膜的滚筒上，通过静电纺丝法在第一层纤维膜上以及与第一层纤维膜对称的接收膜上制备有纤维取向的第二层纤维膜；

4）将接收膜再次沿步骤2）的轴线对折，然后使包含两层纤维膜的一面朝上，沿接收膜的长度方向将接收膜卷曲在固定接收膜的滚筒上，通过静电纺丝法在包含两层纤维膜的一面制备有纤维取向的第三层纤维膜；

5）根据血管支架使用要求，在任意两层纤维膜之间或第三层纤维膜上选择是否继续制备纤维膜；

6）将接收膜展开后自第二层纤维膜远离包含三层纤维膜的一侧开始将纤维膜卷曲成血管支架所需直径大小的管即可。

2.根据权利要求1所述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，其特征在于：至少其中一层纤维膜上负载有药物。

3.根据权利要求2所述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，其特征在于：所述药物为血管内皮生长因子、血小板源性生长因子、CD133抗体或肝素纳中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，其特征在于：纤维膜的原料为聚乙醇酸、聚乳酸、聚ε-己内酯、聚乙二醇-聚己内酯嵌段共聚物、聚乳酸羟基乙酸共聚物、胶原、明胶、壳聚糖、丝素蛋白或纤连蛋白中的一种或任意多种的任意比混合物。

5.根据权利要求1所述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，其特征在于：所述的至少有两层纤维膜的纤维取向方向不同，是指其中至少一层纤维膜的纤维取向方向与天然血管内血流方向平行，至少一层纤维膜的纤维取向方向与天然血管的圆周方向平行。

6.根据权利要求1所述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，其特征在于：在制备所述第一层纤维膜、第二层纤维膜、第三层纤维膜或多层纤维膜中的其中一层或几层纤维膜时，通过悬浮液纺丝法、乳液纺丝法或纳米颗粒包覆后将药物分散于静电纺丝液中，制备负载药物的纤维膜。

7.根据权利要求1所述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，其特征在于：制备纤维膜时，喷头与固定接收膜的滚筒的竖直距离为大于0 cm小于30 cm，纺丝电压为大于0 kV小于30 kV。

8.根据权利要求1所述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，其特征在于：制备所述无纤维取向的第一层纤维膜时，滚筒的转速大于0 rpm小于100 rpm，制备有纤维取向的第二层纤维膜和第三层纤维膜时，滚筒的转速大于1500 rpm小于10000 rpm。

9.根据权利要求1所述的仿生天然血管结构与功能的多层双取向支架，其特征在于：所述接收膜为铝箔、离型纸、无纺布或者油纸。

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