CN110251732B - 一种多层复合编织的可降解神经导管结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层复合编织的可降解神经导管结构及其制备方法，从材料和仿生结构设计入手，设计了具有三层仿生结构的复合编织结构可降解神经再生导管：中间层是采用脱胶蚕丝制成的编织层，提供主要力学支撑性能和稳定性能；外层是具有抗菌功能的壳聚糖涂层，将壳聚糖溶液均匀涂在编制管外层，干燥成型，可以起到增强神经导管的力学性能，且可以控制降解速率，降解产物壳寡糖可抑制神经元凋亡，支持细胞粘附，促进受损轴突再生；内层为由镁离子与甲酸‑再生丝素膜通过静电纺及模浇筑法制成的纳米纤维多孔海绵层，加入镁离子能够增强神经细胞电刺激，促进神经信号传导，促进神经修复，同时，受损神经能够在导管中沿正确方向高效率生长。

Description

一种多层复合编织的可降解神经导管结构及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种多层复合编织的可降解神经导管结构及其制备方法。
背景技术
周围神经损伤是临床上常见的病症，它的修复和再生也一直是困扰着神经外科医生和材料专家的难点问题。当神经损伤距离较短时，受损神经是可以通过两端缝合连接的，但当损伤距离超过1.5厘米或者长时间受损时，就必须要借助神经移植物来帮助其完成修复。神经移植物又分为自体或异体神经，自体移植会产生二次损伤；异体移植有很大可能性会出现交叉感染。因此，人们开始了“人工神经移植物”也就是人工神经导管的研究。人工神经导管就像一个起到桥梁作用的套子一样套在受损神经的两端，给受损神经提供一个能帮助它修复的场所，在神经修复过程中进行缓慢降解，避免外科手术取出带来的二次伤害。因此，所研制的神经导管必须不仅具有良好的生物力学性能、生物相容性和降解性能，还应该具有促进神经再生的能力。
镁元素是人体必需的重要元素之一，在大脑及中枢神经系统中参与蛋白质的合成，激活体内多种酶，调节神经肌肉的活动。在微环境下，金属镁离子具有抗炎、抗氧化、抗凋亡以及调节线粒体钙缓冲等多种生物学功能。最新研究表明镁离子在适宜的微环境的培养下可以促进雪旺细胞的增殖，如分泌生长因子、细胞外基质。
因此，本发明提出了一种多层复合编织的可降解神经导管结构及其制备方法。
发明内容
本发明目的是提供一种多层复合编织的可降解神经导管结构及其制备方法。
本发明的一种技术方案是：
一种多层复合编织的可降解神经导管结构，包括神经导管外层、神经导管中间层和神经导管内层，所述神经导管中间层包覆所述神经导管内层，所述神经导管外层包覆所述神经导管中间层，所述神经导管外层为壳聚糖涂层；所述神经导管中间层为编织层，所述编织层采用带芯功能的立锭式编织机制备，其中，脱胶蚕丝f3为轴纱，脱胶蚕丝f5为编织纱，复合编织成型；所述神经导管内层为丝素蛋白/镁离子纳米纤维层，所述丝素蛋白/镁离子纳米纤维层是由镁离子与甲酸-再生丝素膜通过静电纺及模浇筑法制成的纳米纤维多孔海绵结构。
本发明的另一种技术方案是：
一种多层复合编织的可降解神经导管结构的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)制备神经导管中间层：采用带芯功能的立锭式编织机制备神经导管骨架结构，脱胶蚕丝f3为轴纱，脱胶蚕丝f5为编织纱，复合编织成型；
(2)制备神经导管外层：将水、醋酸和壳聚糖配置壳聚糖溶液，将所述壳聚糖溶液均匀涂抹在所述神经导管中间层上，真空干燥得到神经导管外层；
(3)制备神经导管内层：将丝素蛋白溶液倒入培养皿中，室温下，放在超净台中通风12-24小时后晾干，待晾干后揭下即形成再生丝素膜，将所述再生丝素膜溶解在浓度为99％的甲酸中形成甲酸-再生丝素膜溶液，将镁离子溶液与甲酸-再生丝素膜溶液混合得到纺丝溶液，将所述纺丝溶液进行静电纺丝，制备纳米纤维膜；然后，将所述纳米纤维膜剪碎后放入叔丁醇溶液中，利用高速匀浆机将纳米纤维均匀分散、打碎，获得纳米纤维膜匀浆；将管状聚四氟乙烯模具固定于导管内部，向导管内壁与模具外壁之间的空间倒入所述纳米纤维膜匀浆，将分散后的所述纳米纤维膜匀浆冷冻干燥制备成纳米纤维海绵，得到神经导管内层。
进一步的，步骤(2)中所述水：醋酸：壳聚糖的质量浓度比为92.5％：4％：3.5％。
进一步的，步骤(2)中所述丝素蛋白溶液的制备方式为：称取家蚕生丝在沸腾的Na2CO3水溶液中脱胶30分钟，每10分钟用玻璃棒进行搅拌，用去离子水多次冲洗后放在通风橱中过夜自然风干，获得干燥的家蚕丝素纤维，将所述干燥的家蚕丝素纤维溶于LiBr溶液中，在60℃的烘箱中溶解4小时，每小时轻微摇晃以保证溶解完全，获得第一混合溶液，将透析后的第一混合溶液离心，获得丝素蛋白溶液，放置于4℃冰箱中放置待用。
进一步的，步骤(3)中所述甲酸-再生丝素膜溶液的质量浓度为18％-22％。
进一步的，步骤(3)中所述镁离子溶液与丝素溶液的质量比为1：2-9。
进一步的，步骤(3)中所述静电纺丝以21kV作为实验电压值，0.2mL/h为推速。
进一步的，步骤(3)中所述叔丁醇溶液的质量浓度为50％-80％。
进一步的，步骤(3)中所述高速匀浆机的工作时长为30s-150s。
进一步的，步骤(3)中所述冷冻干燥的时长为24-48h。
本发明提供了一种多层复合编织的可降解神经导管结构及其制备方法，其优点是：
(1)增加了导管的径向抗压和拉伸等机械性能，同时增加了神经导管的柔韧弯曲性能，更适应复杂的体内受力环境；
(2)导管生物相容性、表面活性和通透性良好，能促进神经元细胞的粘附、生长和增殖，加快受损神经的再生速度；
(3)可通过选择不同的材料和改性工艺，调控导管的降解速率，从而为神经的再生提供合适的生长空间；
(4)由于加入具有生物功能的镁离子，可以增强神经细胞电刺激，促进信号传导，更好的引导神经、促进神经修复。
(5)本发明采用通过直接加入纳米级别的医用氧化镁而加入镁离子的方法，使得镁离子的分散程度更高，同时静电纺得到的纳米纤维膜可以促进细胞的增殖、粘附。除此之外，本发明使用医用氧化镁而不用镁丝，使得降解变得容易。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，
图1为本发明所述的一种多层复合编织的可降解神经导管结构在实施例1中的结构示意图；
图2为本发明所述的一种多层复合编织的可降解神经导管结构在实施例2中的结构示意图；
图3为本发明所述的一种多层复合编织的可降解神经导管结构在实施例1中的结构示意图，
其中，1为壳聚糖、2为醋酸分子、3为水分子、4为编织纱、5为轴纱、6为丝素蛋白、7为镁离子、8为外层、9为中间层、10为内层；
图4为加入不同浓度镁离子后的丝素蛋白溶液的质量分数对应的静电纺丝直径；
图5为不同质量分数的静电纺的镁离子的分布情况；
图6为静电纺中C、O、Mg元素的分布情况。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明从材料和仿生结构设计入手，设计了具有三层仿生结构的复合编织结构可降解神经再生导管：中间层是采用脱胶蚕丝制成的编织层，采用带芯功能的立锭式编织机制备神经导管骨架结构，脱胶蚕丝f3为轴纱，脱胶蚕丝f5为编织纱，复合编织成型，中间层是提供主要力学支撑性能和稳定性能的编织层；外层是具有抗菌功能的壳聚糖涂层，将壳聚糖溶液均匀涂在编制管外层，干燥成型，可以起到增强神经导管的力学性能，且可以控制降解速率，降解产物壳寡糖可抑制神经元凋亡，支持细胞粘附，促进受损轴突再生；内层为由镁离子与甲酸-再生丝素膜通过静电纺及模浇筑法制成的纳米纤维多孔海绵层，是可以促进神经的再生丝素蛋白/镁离子纳米纤维层。加入镁离子能够增强神经细胞电刺激，促进神经信号传导，促进神经修复，同时，受损神经能够在导管中沿正确方向高效率生长。
上述多层复合编织的可降解神经导管结构的制备方法包括以下步骤：
(一)制备神经导管中间层，采用带芯功能的立锭式编织机制备神经导管骨架结构，脱胶蚕丝f3为轴纱，脱胶蚕丝f5为编织纱，复合编织成型。
(二)制备神经导管外层：根据水：醋酸：壳聚糖＝92.5％：4％：3.5％的质量浓度分数配置壳聚糖溶液，均匀涂抹在编织好的导管上，真空干燥
(三)制备丝素蛋白溶液，称取30g家蚕生丝在12L沸腾的Na2CO3(0.02M)水溶液中脱胶30分钟，每10分钟用玻璃棒进行搅拌，以保证脱胶的彻底性，然后用去离水多次冲洗，将洗好的丝素蛋白纤维放在通风橱中过夜自然风干。称取干燥后的25g家蚕丝素纤维溶于100mL LiBr(9.3M)溶液中，在60℃的烘箱中溶解4小时，每小时轻微摇晃以保证溶解完全。取出溶液倒入透析袋(截留分子量3500D)中，在去离子水中透析36小时，每4小时换一次水。透析后的溶液在高速离心机中以9000r/min离心两次，每次20分钟，以去除杂质，最终获得丝素蛋白溶液，放置于4℃冰箱中放置待用。
(四)制备神经导管内层，将制备好的丝素蛋白溶液倒入培养皿中，放在超净台中通风12-24小时后晾干，待晾干后揭下即形成再生丝素膜，将形成的再生丝素膜溶解在浓度为99％的甲酸中形成溶液，选择18％的浓度作为最优浓度，将镁离子溶液按与丝素溶液按照体积比1：4的比例混合。将上述制备的纺丝溶液进行静电纺丝，以21kV作为实验最优电压值，0.2mL/h为最优推速。制备纳米纤维膜；然后，将纳米纤维膜剪碎后放入50％-80％叔丁醇溶液中，利用高速匀浆机将纳米纤维均匀分散、打碎，时间为30s-150s；将管状聚四氟乙烯模具固定于导管内部，向导管内壁与模具外壁之间的空间倒入纳米纤维膜匀浆，将分散后纳米纤维冷冻干燥24-48小时制备成纳米纤维海绵，得到神经导管的内层。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
首先，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
其次，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。
实施例1
本实施案例展示一种多层复合编织结构的可降解神经导管及其制备方法，如图1所示，该神经导管具有三层结构，如图一所示，其中中间层9采用带芯功能的立锭式编织机制备的神经导管骨架结构，脱胶蚕丝f3为轴纱5，脱胶蚕丝f5为编织纱4，复合编织成型；外层8为壳聚糖涂层，其中水：醋酸：壳聚糖＝92.5％：4％：3.5％；内层10为由镁离子与甲酸-再生丝素膜溶液通过静电纺及建模浇筑法制成的纳米纤维基多孔海绵层，其中镁离子溶液与甲酸-再生丝素膜溶液的质量比为1：2-9，甲酸-再生丝素膜溶液的质量浓度为18％-22％。具体工艺如下：
首先编制中间层9。中间层9是由采用带芯功能的立锭式编织机制备的神经导管骨架结构，脱胶蚕丝f3为轴纱5，脱胶蚕丝f5为编织纱4，复合编织成型；锭数：32；齿轮比：88：36；速度：60r/min；内径，4mm；编织角：50°；纵向纱线16根。
将编织好的导管完全浸没于壳聚糖溶液中约30分钟，直到完全浸透为止，然后，用镊子把管子从一端捏起，用刷子将管表面的壳聚糖涂刷均匀，并在空气中晾干10分钟，最后放入烘箱中烘30分钟，得到具有壳聚糖涂层的导管。
对医用氧化镁与甲酸-再生丝素膜溶液进行静电纺丝，选择21kV作为实验最优电压值，选择0.2mL/h的推速。制备纳米纤维膜；然后，将纳米纤维膜剪碎后放入质量浓度50％-80％叔丁醇溶液中，利用高速匀浆技术将纳米纤维均匀分散、打碎，时间为30s-150s；将管状聚四氟乙烯模具固定于导管内部，向导管内壁与模具外壁之间的空间倒入纳米纤维膜匀浆，进行冷冻干燥24-72小时将分散后的纳米纤维冷冻成型制备成纳米纤维基多孔海绵，从而得到神经导管的内层。
实施例2
本实施案例展示一种多层复合编织结构的可降解神经导管及其制备方法，如图2所示，其中内层为采用含有镁离子涂层的蚕丝纤维为原料，采用带芯功能的立锭式编织机编织而成；外层为壳聚糖涂层，其中水：醋酸：壳聚糖＝92.5％:4％:3.5％，镁离子溶液与甲酸-再生丝素膜溶液的质量比为1:2-9，甲酸-再生丝素膜溶液的质量浓度为18％-22％。具体工艺如下：
利用镁离子溶液和甲酸-再生丝素膜溶液混合后的溶液进行静电纺丝，选择21kV作为实验最优电压值，选择0.2mL/h的推速制备纳米纤维膜；然后将纳米纤维膜剪成0.1mm-2mm宽纤维条，使用粗纱机的罗拉装置并成60-150旦多股纱线；最后将并成的纱线在小型编织机上编织成管。
将编好的导管完全浸没于壳聚糖溶液中约30分钟，直到完全浸透为止；然后，用镊子把管子从一端捏起，用刷子将管表面的壳聚糖涂刷均匀，放置于通风橱干燥10分钟，最后放入真空干燥箱中干燥30分钟，得到具有壳聚糖涂层的导管。
实施例3
本实施案例展示一种具有能提高神经轴突再生有序性，使受损神经定向生长的神经导管及其制备方法。该神经导管为单层结构。如图3所示，将镁离子溶液与浓缩后浓度为15％-25％的甲酸-再生丝素溶液混合，通过静电纺纺制成膜，并用高速匀浆机将其搅成匀浆，并通过建模浇筑法制成单层结构。具体工艺如下：
溶液配置：将镁离子溶液以1:2-9的比例多次加入浓度为15％-25％的甲酸—再生丝素溶液中。静电纺丝：对(1)中所配置的混合溶液进行静电纺丝，以21kV为实验最优电压，0.2mL/h为最优纺丝速度，制备纳米纤维膜。制备匀浆：将静电纺丝纺出的纤维膜加入水中，质量比为1:10-1:30，放入高速匀浆机30s-150s中将其均匀打散。浇筑成型：将匀浆倒入模具中，进行冷冻干燥24-72小时将匀浆固定成型，然后取出模具，即得到成型的导管。
上述方法所制备的多层复合编织的可降解神经导管结构的性能请参阅图4-6：由图4可知，静电纺丝直径在2.3μm-3.2μm之间变化，纺丝直径稳定；从图5中可以看出，镁离子在静电纺中均匀、稳定分布；由图6可知，镁元素的质量分数为0.38％，在人体正常接受范围内。
综上所述，本发明公开了一种多层复合编织结构的可降解神经导管及其制备方法，从材料和仿生结构设计入手，设计了具有三层仿生结构的复合编织结构可降解神经再生导管：中间层是采用脱胶蚕丝制成的编织层，提供主要力学支撑性能和稳定性能；外层是具有抗菌功能的壳聚糖涂层，将壳聚糖溶液均匀涂在编制管外层，干燥成型，可以起到增强神经导管的力学性能，且可以控制降解速率，降解产物壳寡糖可抑制神经元凋亡，支持细胞粘附，促进受损轴突再生；内层为由镁离子与甲酸-再生丝素膜通过静电纺及模浇筑法制成的纳米纤维多孔海绵层，加入镁离子能够增强神经细胞电刺激，促进神经信号传导，促进神经修复，同时，受损神经能够在导管中沿正确方向高效率生长。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种多层复合编织的可降解神经导管结构，其特征在于：包括神经导管外层、神经导管中间层和神经导管内层，所述神经导管中间层包覆所述神经导管内层，所述神经导管外层包覆所述神经导管中间层，所述神经导管外层为壳聚糖涂层；所述神经导管中间层为编织层，所述编织层采用带芯功能的立锭式编织机制备，其中，脱胶蚕丝f3为轴纱，脱胶蚕丝f5为编织纱，复合编织成型；所述神经导管内层为丝素蛋白/镁离子纳米纤维层，所述丝素蛋白/镁离子纳米纤维层是由镁离子与甲酸-再生丝素膜通过静电纺及模浇筑法制成的纳米纤维多孔海绵结构，其制备方法包括如下步骤：
(1)制备神经导管中间层：采用带芯功能的立锭式编织机制备神经导管骨架结构，脱胶蚕丝f3为轴纱，脱胶蚕丝f5为编织纱，复合编织成型；
(2)制备神经导管外层：将水、醋酸和壳聚糖配置壳聚糖溶液，将所述壳聚糖溶液均匀涂抹在所述神经导管中间层上，真空干燥得到神经导管外层；
(3)制备神经导管内层：将丝素蛋白溶液倒入培养皿中，室温下，放在超净台中通风12-24小时后晾干，待晾干后揭下即形成再生丝素膜，将所述再生丝素膜溶解在浓度为99％的甲酸中形成甲酸-再生丝素膜溶液，将镁离子溶液与甲酸-再生丝素膜溶液混合得到纺丝溶液，将所述纺丝溶液进行静电纺丝，制备纳米纤维膜；然后，将所述纳米纤维膜剪碎后放入叔丁醇溶液中，利用高速匀浆机将纳米纤维均匀分散、打碎，获得纳米纤维膜匀浆；将管状聚四氟乙烯模具固定于导管内部，向导管内壁与模具外壁之间的空间倒入所述纳米纤维膜匀浆，将分散后的所述纳米纤维膜匀浆冷冻干燥制备成纳米纤维海绵，得到神经导管内层。
2.根据权利要求1所述的多层复合编织的可降解神经导管结构，其特征在于：步骤(2)中所述水：醋酸：壳聚糖的质量浓度比为92.5％：4％：3.5％。
3.根据权利要求1所述的多层复合编织的可降解神经导管结构，其特征在于：步骤(2)中所述丝素蛋白溶液的制备方式为：称取家蚕生丝在沸腾的Na2CO3水溶液中脱胶30分钟，每10分钟用玻璃棒进行搅拌，用去离子水多次冲洗后放在通风橱中过夜自然风干，获得干燥的家蚕丝素纤维，将所述干燥的家蚕丝素纤维溶于LiBr溶液中，在60℃的烘箱中溶解4小时，每小时轻微摇晃以保证溶解完全，获得第一混合溶液，将透析后的第一混合溶液离心，获得丝素蛋白溶液，放置于4℃冰箱中放置待用。
4.根据权利要求1所述的多层复合编织的可降解神经导管结构，其特征在于：步骤(3)中所述甲酸-再生丝素膜溶液的质量浓度为18％-22％。
5.根据权利要求1所述的多层复合编织的可降解神经导管结构，其特征在于：步骤(3)中所述镁离子溶液与丝素溶液的质量比为1：2-9。
6.根据权利要求1所述的多层复合编织的可降解神经导管结构，其特征在于：步骤(3)中所述静电纺丝以21kV作为实验电压值，0.2mL/h为推速。
7.根据权利要求1所述的多层复合编织的可降解神经导管结构，其特征在于：步骤(3)中所述叔丁醇溶液的质量浓度为50％-80％。
8.根据权利要求1所述的多层复合编织的可降解神经导管结构，其特征在于：步骤(3)中所述高速匀浆机的工作时长为30s-150s。
9.根据权利要求1所述的多层复合编织的可降解神经导管结构，其特征在于：步骤(3)中所述冷冻干燥的时长为24-48h。
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