CN109833521B

CN109833521B - 一种制备人工血管的方法及装置

Info

Publication number: CN109833521B
Application number: CN201711224374.1A
Authority: CN
Inventors: 李倩; 王小峰; 徐轶洋; 牛宗武; 李旭燕; 蒋晶; 侯建华; 江永超; 颜淑洁; 马雷; 孟鑫; 郭欣
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2037-11-29
Also published as: CN109833521A

Abstract

一种制备人工血管的方法及装置，属于医用材料技术领域，所述方法包括如下步骤：（1）制取具有轴向取向结构的纳米纤维管；（2）对纳米纤维管管壁材料取样，垂直于纤维方向进行拉伸测试，绘制拉伸应力‑应变曲线，确定材料的塑性形变区域；（3）对纳米纤维管施加能够使纳米纤维管产生扩径响应的力且该力应足以使纳米纤维管产生塑性形变，然后卸载外力至自然状态。所述装置包括纳米纤维管扩径机构。本发明的人工血管具有非线性的力学特性，在低应力区具有优异的膨胀性，能够轻松应对波动的血流量；而在高应力区又具有较高的强度，确保面对血栓威胁、血流量瞬间增大时血管不会爆裂，具有广阔的应用前景。

Description

一种制备人工血管的方法及装置

技术领域

本发明属于医用材料技术领域，具体涉及一种制备人工血管的方法以及相应的装置。

背景技术

据世卫组织统计，心脑血管疾病已成为人类健康的头号杀手。血管置换是治疗血管疾病的一种有效途径，但是供体短缺、排异反应等严重制约了血管置换技术的应用。近年来，人工血管的出现为血管移植提供了新的解决方案，已成为病患部位血管替代或再生的理想选择。在众多人工血管制备工艺中，静电纺丝技术因操作简便、制品孔隙率高及其拥有适宜细胞生长的纳米结构等特点而深受研究人员青睐，其制备原理为：聚合物溶液由推进器输送到喷丝口，在喷丝口施加静电高压，使具有一定粘性的聚合物溶液在电场斥力的作用下开始劈裂成纤维（直径为几百纳米），并向零电势处（收集装置）运动。随着收集时间的延长，纤维最终将在收集装置处堆砌成管状制品，将收集装置抽离后即成人工血管。现有的收集装置多为可转动的金属轴，此种接收方式所制备的人工血管在微观上纤维无法沿血管轴向取向，导致内皮细胞无法沿轴向取向生长并形成与真实血管一样的内皮组织。专利CN102560699A提供了一种神经组织支架的制备方法，并提供了改进的静电纺丝接收装置，该装置包括收集转轴，收集转轴分为三段，中间段为绝缘圆柱体，始端和末端分别于第一金属圆体和第二金属圆体相连，由两个金属圆柱固定并带动旋转。两金属圆柱相当于一对平行的收集极板，收集过程中纤维在极板间取向堆积，从而形成具有轴向取向结构的纳米纤维管。将该纳米纤维管用于神经修复，神经细胞会沿纤维排列方向生长，从而加快神经再生与愈合。事实上，将具有轴向取向结构的纳米纤维管用作人工血管，同样有利于内皮细胞沿轴取向生长并形成与真实血管一样的内皮组织。然与神经修复组织工程相比，为了保证血流量瞬间增大时血管不会破裂，人工血管对力学性能的要求更为苛刻。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种制备人工血管的方法，提供相应的制备装置则是本发明的另一个目的。

基于上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种制备人工血管的方法，包括如下步骤：（1）制取具有轴向取向结构的纳米纤维管；（2）对纳米纤维管管壁材料取样，垂直于纤维方向进行拉伸测试，绘制拉伸应力-应变曲线，确定材料的塑性形变区域；（3）对纳米纤维管施加能够使纳米纤维管产生扩径响应的力且该力应足以使纳米纤维管产生塑性形变，然后卸载外力至自然状态。优选的，所述步骤（3）中，扩径过程中应变速率不超过10s^-1；卸载外力过程中应变速率不超过10s^-1。

所述步骤（3）中，通过如下方式对纳米纤维管施加能够使之产生扩径响应的力：将所述纳米纤维管套设安装在至少两根平行设置的扩径杆外，然后使两根扩径杆做轴间距离逐渐远离的运动。两扩径杆可以沿直线方向做轴间距离相互远离的运动；或是一根扩径杆绕另一扩径杆沿渐开线轨迹做轴向距离逐渐远离的运动。

或者，所述步骤（3）中，通过如下方式对纳米纤维管施加能够使之产生扩径响应的力：束缚纳米纤维管一端，从另一端充入足量流体使纳米纤维管扩张膨胀。所述流体可以为空气、二氧化碳、氮气、水或是其他不与材料产生化学反应或发生溶剂效应的液体，优选空气，这样既便于操作、节约成本，且不易对材料产生化学影响。

或者，所述步骤（3）中，通过如下方式对纳米纤维管施加能够使之产生扩径响应的力：取直径大于纳米纤维管原始直径的扩径撑块，并使扩径撑块从纳米纤维管内穿越通过。所述扩径撑块优选橄榄形，这样很容易将纳米纤维管套在扩径撑块外，方便操作，而纳米纤维管从扩径撑块外穿越通过时，其所承受的外力逐渐增大，不易将纳米纤维管撑爆，提高成品率。进一步的，所述扩径撑块有多个，各扩径撑块长轴共线设置呈串珠式排布，短轴直径依次增大，最大撑块的短轴直径不超过纳米纤维管初始直径的5倍。纳米纤维管从小到大依次穿过扩径撑块过程中，经受“受力-卸载-受更大力-卸载”的渐进往复式处理，效果更佳。

一种制备人工血管的装置，包括纳米纤维管扩径机构。

所述扩径机构包括至少两根平行设置的扩径杆。

进一步地，所述扩径机构包括固定扩径杆、活动扩径杆、固定杆座和活动杆座，固定扩径杆、活动扩径杆平行设置，固定扩径杆一端安装在固定杆座上，活动扩径杆的一端安装在活动杆座上；活动杆座安装在能够驱动活动杆座绕固定扩径杆沿渐开线轨迹正向或逆向移动的驱动装置上。

所述固定扩径杆和活动扩径杆水平设置，固定扩径杆和活动扩径杆的同向一端分别安装在固定杆座和活动杆座上。固定扩径杆、活动扩径杆的自由端同向，便于纳米纤维管的安装以及处理完毕后卸下。

或者，所述扩径机构包括两根水平设置的扩径杆和两个用于安装扩径杆的马蹄形杆座；马蹄形杆座的两端部均设有通孔，位于马蹄形杆座两端部的两个通孔轴线共线，通孔的直径大于扩径杆直径，扩径杆长度大于两通孔之间的距离。所述扩径机构还可以包括间隔设置的上夹具、下夹具以及用于驱动上夹具、下夹具向相互远离的方向移动的直线驱动装置；马蹄形杆座中部设有连接头，连接头与夹具配合。

或者，所述扩径机构包括直径大于纳米纤维管初始直径的扩径撑块。

所述扩径撑块呈橄榄形。

所述扩径撑块有多个，各扩径撑块长轴共线设置呈串珠式排布，短轴直径依次增大。

如图1中曲线①所示，传统人工血管的应力应变曲线上应力与应变之间呈线性关系。本发明通过对纳米纤维管施加能够使之产生扩径响应的力后并卸载外力，经过这样的处理后，纤维与纤维之间的连接点部分脱开、部分保留，纳米纤维处于总体取向、局部弯曲的状态，赋予了人工血管非线性的力学特性，应力应变曲线趋势如图1曲线②所示，以σ表示应力、ε表示应变，所得人工血管环向的应力-应变曲线在应变ε=0～ε_c区域呈现非线性特性，且在该非线性区域内dσ/dε＞σ/ε。这样的人工血管在低应力区具有优异的膨胀性，能够轻松应对波动的血流量；而在高应力区又具有较高的强度，确保面对血栓威胁、血流量瞬间增大时血管不会爆裂。由ε=ε_c点向σ坐标对应力-应变曲线做切线，切线与ε轴交点位置的应变值若在60%以上，则该人工血管应用起来更为安全。

同时，经扩径受力处理后，纳米纤维之间的连接点部分脱开，赋予了人工血管适当的通透性，便于物质交换，非常接近于真实血管的性能，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明人工血管的与传统人工血管的应力-应变曲线对比图；

图2是实施例1中制备人工血管的装置的结构示意图；

图3是图2中马蹄形杆座的结构示意图；

图4是图3的右视图；

图5是实施例1制备的人工血管的数码照片；

图6是实施例1步骤（1）制备的具有轴向取向结构的纳米纤维管的扫描电镜照片；

图7是实施例1制备的人工血管的的扫描电镜照片；

图8是实施例1制备的人工血管的与该实施例步骤（1）制备的具有轴向取向结构的纳米纤维管与的应力-应变曲线对比图；

图9是实施例2中制备人工血管的装置的结构示意图；

图10是图9的右视图；

图11是实施例2制备的人工血管的与该实施例步骤（1）制备的具有轴向取向结构的纳米纤维管与的应力-应变曲线对比图；

图12是实施例3中制备人工血管的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明做进一步说明。

实施例1

一种制备人工血管的装置，包括轴取向纳米纤维管扩径机构，如图2-4所示，扩径机构包括间隔设置的上夹具2、下夹具5以及用于驱动上夹具2、下夹具5向相互远离的方向移动的直线驱动装置1，还包括两根水平设置的扩径杆4和两个用于安装扩径杆4的马蹄形杆座3。马蹄形杆座3的两端部均设有通孔3-2，位于马蹄形杆座3两端部的两个通孔3-2轴线共线，通孔3-2的直径大于扩径杆4直径，扩径杆4长度大于两通孔3-2之间的距离。马蹄形杆座3中部设有连接头3-1，连接头3-1与夹具配合。

一种制备人工血管的方法，包括如下步骤：

（1）制取具有轴向取向结构的纳米纤维管：以体积比为7:3的二氯甲烷、二甲基甲酰胺混合溶液为溶剂，配制浓度8wt%的聚乳酸聚己内酯嵌段共聚物（PLCL）纺丝液，静电纺丝并参照专利CN102560699A提供的接收装置进行接收，制取纳米纤维沿轴向取向、直径为2mm的纳米纤维管，产品照片如图5所示，扫描电镜照片如图6所示。

（2）对纳米纤维管管壁材料取样，垂直于纤维方向进行拉伸测试，绘制拉伸应力-应变曲线，如图8中的一次拉伸曲线所示，图8中小图为其局部方法图，从局部放大图中可以确定，该应力应变曲线约在应变为22.8%处发生了转变，当应变小于22.8%，材料发生弹性形变，继续拉伸材料发生塑性形变，直到应变达到425%时材料断裂。应变22.8-425%之间视为材料的塑性形变区域。

（3）利用本实施例提供的装置对纳米纤维管施加能够使纳米纤维管产生扩径响应的力且该力应足以使纳米纤维管产生塑性形变，然后卸载外力至自然状态：取一根扩径杆4和一个马蹄形杆座3，依次使扩径杆4穿过马蹄形杆座3一端部通孔3-2、步骤（1）制得的纳米纤维管6、马蹄形杆座3另一端部通孔3-2，将扩径杆4安装在相应的马蹄形杆座3上；执行同样操作，将另一扩径杆4安装在另一马蹄形杆座3上，并使纳米纤维管6套设安装在两扩径杆4外，两扩径杆4平行设置。将两马蹄形杆座3通过连接头3-1分别安装在上夹具2和下夹具5。启动直线驱动装置1，使两扩径杆4沿直线方向做轴间距离相互远离的运动。纳米纤维管6在两扩径杆4的作用下被拉伸，控制应变速率为2/min，当纳米纤维管6的应变量达到材料的塑性形变区但在破坏前，停止拉伸；启动直线驱动装置1反向运动以卸载外力，卸载过程中应变速率2/min。如此循环拉伸四次，其循环拉伸曲线见图8。

结束步骤（3），获得人工血管成品，其扫描电镜照片如图7所示。通过对比图6和图7可以发现，处理前纤维平行排列未见弯曲，处理后纤维出现了大量的弯曲结构，这是由于应力松弛所致，并且这些弯曲构筑了血管的非线性力学特性。对制得的人工血管成品再次进行拉伸测试，应力-应变曲线参见图8循环拉伸曲线末段,与一次拉伸曲线进行对比，可以看出，未处理的血管未见非线性区域，而处理后的血管出现了明显的非线性区域。

实施例2

一种制备人工血管的装置，包括轴取向纳米纤维管扩径机构，如图9和图10所示，扩径机构包括固定扩径杆7、活动扩径杆8、固定杆座9和活动杆座10，固定扩径杆7、活动扩径杆8平行设置，固定扩径杆7一端安装在固定杆座9上，活动扩径杆8的一端安装在活动杆座10上；活动杆座10安装在能够驱动活动杆座10绕固定扩径杆7沿渐开线轨迹正向或逆向移动的驱动装置10上。固定扩径杆7和活动扩径杆8水平设置，固定扩径杆7和活动扩径杆8的同向一端分别安装在固定杆座9和活动杆座10上。固定扩径杆7、活动扩径杆8的自由端同向，便于纳米纤维管6的安装以及处理完毕后卸下。

一种制备人工血管的方法，包括如下步骤：

（1）以体积比为7:3的二氯甲烷、二甲基甲酰胺混合溶液为溶剂，配制14wt%浓度的聚己内酯（PCL）纺丝液，静电纺丝并参照专利CN102560699A提供的接收装置进行接收，制取具有轴向取向结构的纳米纤维管，其直径为3mm。

（2）对纳米纤维管管壁材料取样，垂直于纤维方向进行拉伸测试，绘制拉伸应力-应变曲线，如图11中的一次拉伸曲线所示，图11中小图为其局部方法图，从局部放大图中可以确定，该应力应变曲线约在应变为7%处发生了转变，当应变小于7%，材料发生弹性形变，继续拉伸，材料发生塑性形变，当应变达到112%时，材料断裂。因此，应变7-112%之间视为材料的塑性形变区域。

（3）利用本实施例提供的装置对纳米纤维管施加能够使纳米纤维管产生扩径响应的力且该力应足以使纳米纤维管产生塑性形变，然后卸载外力至自然状态：将步骤（1）制得的纳米纤维管6从固定扩径杆7、活动扩径杆8的自由端套装在两扩径杆7、8外，启动驱动装置11，驱动活动扩径杆8使其沿渐开线轨迹做逐渐远离固定扩径杆7的运动，应变速率控制在1/min，在纳米纤维管6的应变量达到材料的塑性形变区但在破坏前，停止。启动驱动装置11使其反向运动，卸载外力至自然状态，卸载过程中应变速率为1/min。循环处理三次，应力应变曲线如图11循环拉伸曲线所示，再次进行拉伸，其应力应变曲线前段下凹，呈现明显的非线性特征。

实施例3

一种制备人工血管的装置，包括轴取向纳米纤维管扩径机构，如图12所示，扩径机构包括三个直径大于纳米纤维管初始直径的扩径撑块12，扩径撑块12呈橄榄形，各扩径撑块12长轴共线设置呈串珠式排布安装在中心杆13上，扩径撑块12的短轴直径依次增大排列。

一种制备人工血管的方法，包括如下步骤：

（1）制取具有轴向取向结构的纳米纤维管：以体积比为7:3的二氯甲烷、二甲基甲酰胺混合溶液为溶剂，配制10wt%浓度的聚乳酸（PLA）纺丝液，静电纺丝并参照专利CN102560699A提供的接收装置进行接收，制取具有轴向取向结构的纳米纤维管，其直径为4mm。

（2）对纳米纤维管管壁材料取样，垂直于纤维方向进行拉伸测试，绘制拉伸应力-应变曲线，确定材料的塑性形变区域。通过调整扩径撑块的短轴直径来控制纳米纤维管的周向最大应变处于材料的塑性形变区间。

（3）利用本实施例提供的装置对纳米纤维管施加能够使纳米纤维管产生扩径响应的力且该力应足以使纳米纤维管产生塑性形变，然后卸载外力至自然状态：将纳米纤维管套在最小的扩径撑块12外，拉动纳米纤维管逐渐向较大的扩径撑块12方向移动，纳米纤维管从小到大依次穿过扩径撑块12过程中，经受“受力-卸载-受更大力-卸载”的渐进往复式扩径处理。完全通过各个扩径撑块12后，纳米纤维管恢复自然状态。

实施例4

一种制备人工血管的方法，包括如下步骤：

（1）制取具有轴向取向结构的纳米纤维管：以体积比为7:3的二氯甲烷、二甲基甲酰胺混合溶液为溶剂，配制8wt%浓度的聚乳酸聚己内酯嵌段共聚物（PLCL）纺丝液，进行静电纺丝并参照专利CN102560699A提供的接收装置进行接收，制取直径为2mm的、具有轴向取向结构的纳米纤维管。

（2）对纳米纤维管管壁材料取样，垂直于纤维方向进行拉伸测试，绘制拉伸应力-应变曲线，确定材料的塑性形变区域。

（3）对纳米纤维管施加能够使纳米纤维管产生扩径响应的力且该力应足以使纳米纤维管产生塑性形变，然后卸载外力至自然状态：束缚纳米纤维管一端，从另一端充入足量气体使纳米纤维管扩张膨胀；放掉气体至自然状态。然后再次充气，重复上述操作2次。充气过程中控制纳米纤维管的周向最大应变处于材料的塑性形变区间。

Claims

1.一种制备人工血管的方法，包括如下步骤：（1）制取具有轴向取向结构的纳米纤维管；（2）对纳米纤维管管壁材料取样，垂直于纤维方向进行拉伸测试，绘制拉伸应力-应变曲线，确定材料的塑性形变区域；（3）对纳米纤维管施加能够使纳米纤维管产生扩径响应的力且该力应足以使纳米纤维管产生塑性形变，然后卸载外力至自然状态；所述纳米纤维管由聚乳酸聚己内酯嵌段共聚物、聚乳酸或聚己内酯制成。

2.如权利要求1所述制备人工血管的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，通过如下方式对纳米纤维管施加能够使之产生扩径响应的力：将所述纳米纤维管套设安装在至少两根平行设置的扩径杆外，然后使两根扩径杆做轴间距离逐渐远离的运动。

3.如权利要求1所述制备人工血管的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，通过如下方式对纳米纤维管施加能够使之产生扩径响应的力：束缚纳米纤维管一端，从另一端充入足量流体使纳米纤维管扩张膨胀。

4.如权利要求1所述制备人工血管的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，通过如下方式对纳米纤维管施加能够使之产生扩径响应的力：取直径大于纳米纤维管原始直径的扩径撑块，并使扩径撑块从纳米纤维管内穿越通过。

5.制备权利要求1所述人工血管的装置，其特征在于，包括纳米纤维管扩径机构；所述扩径机构包括至少两根平行设置的扩径杆。

6.如权利要求5所述制备人工血管的装置，其特征在于，所述扩径机构包括固定扩径杆、活动扩径杆、固定杆座和活动杆座，固定扩径杆、活动扩径杆平行设置，固定扩径杆一端安装在固定杆座上，活动扩径杆的一端安装在活动杆座上；活动杆座安装在能够驱动活动杆座绕固定扩径杆沿渐开线轨迹正向或逆向移动的驱动装置上。

7.如权利要求6所述制备人工血管的装置，其特征在于，所述固定扩径杆和活动扩径杆水平设置，固定扩径杆和活动扩径杆的同向一端分别安装在固定杆座和活动杆座上。

8.如权利要求5所述制备人工血管的装置，其特征在于，所述扩径机构包括两根水平设置的扩径杆和两个用于安装扩径杆的马蹄形杆座；马蹄形杆座的两端部均设有通孔，位于马蹄形杆座两端部的两个通孔轴线共线，通孔的直径大于扩径杆直径，扩径杆长度大于两通孔之间的距离。