CN110331486A - 一种多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架及其制备和应用 - Google Patents

一种多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架及其制备和应用，纱线为多层包芯结构，制备：芯层纱线穿过中空旋转漏斗作为接收装置，两侧双针头分别加上正负高压电源，电纺纳米纤维加捻到芯层纱线，制备出双层连续的纳米纤维纱线，然后将双层纳米纤维纱线作为芯层，外层电纺天然高分子纳米纤维，制备出三层纳米纤维纱线。最后通过针织工艺将不同层数的纳米纤维纱线针织成三维3D针织支架，用于肌腱修复。针织多层结构纳米纤维纱线支架具有长期增强再生组织力学性能的作用以及良好的生物相容性，有利于肌腱损伤的修复和正常功能的恢复特点。

Description

一种多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架及其制备和应用
技术领域
本发明属于支架及其制备和应用领域，特别涉及一种多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架及其制备和应用。
背景技术
肌腱是连接肌肉和骨骼的一种坚韧的、有规则排列的结缔组织，它将肌肉的力量转移到骨骼，使关节保持稳定和运动。随着人类寿命的延长，25％的成年人可能会出现与肌腱相关的问题。肌腱的损伤主要是在低强度的外力作用下，受到单一的剧烈冲击或频繁的拉伸，肌腱损伤后无法完全再生，特征性的反应是纤维增生。目前治疗肌腱损伤的方法包括手术缝合、自体移植、同种异体移植、异种移植和永久性肌腱假体等。临床上用于外科治疗的肌腱移植物不能满足适应性、灵活性和永久性重建的要求。为了解决这些问题，基于电纺纤维的组织工程支架为损伤肌腱组织的治疗和再生提供了潜在的替代方案。
合成高分子材料与天然材料的有机结合，使电纺支架具有良好的生物相容性和机械强度。研究表明，电纺肌腱组织工程复合支架在生物相容性、细胞黏附、增殖、力学性能等方面均优于传统肌腱材料。电纺纤维材料在肌腱组织工程中具有潜在的应用前景。电纺纳米纤维具有许多优点，采用该技术生产的纤维直径在0.05-5μm之间，纳米尺度的纤维与天然胶原纤维的尺寸相似，能够模仿细胞外基质中纤维的直径和结构，从而在体外具有良好的细胞附着、扩散和分化性能，并且有利于诱导细胞分化。
目前肌腱组织工程支架的研究主要集中在获得与天然肌腱相似的力学性能，以及高效的细胞分化能力产生新的肌腱细胞外基质(ECM)。编织纳米纤维支架将通过模拟天然肌腱的正常生物力学特性，为肌腱细胞活动提供良好的力学和结构环境，产生肌腱组织特异性ECM，用于制造功能性肌腱移植物。组织工程研究人员正在开发聚合物和三维(3D)生物人工肌腱替代物，它们可以加速愈合过程，其生物力学性能堪比天然肌腱。然而，迄今为止，利用动物模型进行肌腱修复的研究尚未找到理想的生物材料和3D生物人工替代物。
CN 105214141 A公开了一种用于肌腱和韧带修复的三维复合材料，但其用于肌腱和韧带修复的三维复合材料为致密的浇筑膜细胞不能长入复合材料内部，并且无法模拟肌腱组织细胞外基质的纤维结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架及其制备和应用，克服现有技术无法模拟肌腱组织细胞外基质的纤维结构和匹配天然肌腱力学性能的缺陷，本发明运用了静电纺纳米纱线技术制备不同层数的纳米纤维纱线，芯层纱线穿过中空旋转漏斗作为接收装置，两侧双针头，分别加上正负高压电源，电纺纳米纤维加捻到芯层纱线，制备出连续的纳米纤维纱线(如图1)。芯层聚合物纱线提供力学支撑和结构稳定性，中间层聚合物纳米纤维可负载药物、活性因子等，外层由纳米纤维包裹，可以达到药物缓释作用，并且提升纱线强度。通过针织技术将不同层数的纳米纱线针织成不同的3D针织支架，并对其形态和生物力学特性进行了表征。针织支架从纳米到宏观的层次模拟肌腱细胞外基质结构和各向异性排列。所述多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架具有长期替代受损肌腱能力，利于肌腱修复及正常功能恢复。所述肌腱仿生支架制作方法简单方便，生产效率高。
本发明的一种纳米纤维纱线，所述纱线为多层结构，至少包括第一层聚合物纱线作为芯层，第二层电纺聚合物纳米纤维，包覆聚合物纱线。
所述纱线还包括第三层电纺天然高分子纳米纤维包覆电纺聚合物纳米纤维。
所述聚合物纱线包括：聚对苯二甲酸乙二酯PET线、聚乳酸PLA线、聚己内酯PCL线、乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA线、丝素SF线中的一种或几种；第一层聚合物纱线是由直径为20-30μm的单纤维经并合、牵伸形成的直径为200-240μm的单根纱线。
所述第二层电纺聚合物纳米纤维厚度为15-25μm；电纺聚合物纳米纤维中的聚合物包括乳酸-己内酯共聚物、聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种或几种。
所述电纺聚合物纳米纤维中还含有药物、活性因子中的一种或几种。
中间层聚合物纳米纤维可负载药物、活性因子。
所述第三层电纺天然高分子纳米纤维厚度为5-10μm，天然高分子包括明胶、丝素蛋白、胶原蛋白、脱细胞基质中的一种或几种。
本发明的一种纳米纤维纱线的制备方法，包括：采用电纺纳米纤维纱线制备装置，芯层纱线穿过中空旋转漏斗作为接收装置，两侧双针头，分别加上正负高压电源，电纺纳米纤维加捻到芯层纱线，制备多层纳米纤维纱线。
进一步地所述制备方法，具体包括：
(1)分别配置聚合物纺丝液，天然高分子纺丝液；
(2)将聚合物纱线置于电纺纳米纤维纱线制备装置中作为芯层，将步骤(1)中的聚合物纺丝液对喷，电纺纳米纤维利用旋转漏斗加捻到芯层纱线上，接收辊收集，得双层纳米纤维纱线；进一步地，所述双层纳米纤维纱线直径为280-320μm；
(3)将步骤(2)中双层纳米纤维纱线置于电纺纳米纤维纱线制备装置中作为芯层，将步骤(1)中天然高分子纺丝液对喷，电纺纳米纤维利用旋转漏斗加捻到芯层纱线上，接收辊收集，得到三层纳米纤维纱线，进一步地，所述三层纳米纤维纱线直径为300-350μm。
所述步骤(1)中纺丝液中聚合物或天然高分子的质量分数为6％-20％之间。进一步，6％、8％、9％、10.5％、15％等，更优选12％。
所述步骤(1)中纺丝液的溶剂为六氟异丙醇、三氟乙醇、二氯甲烷、三氟乙酸中的一种。本发明的一种所述方法制备的纳米纤维纱线。
本发明提供一种制备所述纳米纤维纱线的装置，其特征在于，包括正、负高压电源、双喷头、中空旋转漏斗、接收辊等；其中中空旋转漏斗垂直设于接收辊上方，双喷头上分别施加正负电场，当两个喷头向上喷射纳米纤维到中间的旋转漏斗上时，旋转漏斗将纳米纤维捻成纱线,旋转纱线接收辊接收得到连续纳米纱线。
本发明提供一种所述纳米纤维纱线的针织支架，通过针织工艺，将纤维纱线针织成不同的三维(3D)针织支架。
进一步地，通过电脑横机，采用针织工艺，将不同层的纳米纤维纱线针织成肌腱支架。
进一步，所述针织工艺包括十字罗纹、双罗纹、平纹、珠地。
所述支架外观包括但不限制于片状、扁状、长方体、块状，所述针织支架具有大小均匀的孔径。
进一步地，聚合物纱线针织支架：通过电脑横机，采用针织工艺，将单根连续聚合物纱线针织成聚合物纱线针织支架；
双层纳米纤维纱线针织支架：通过电脑横机，采用针织工艺，将单根连续双层纳米纤维纱线针织成双层纳米纤维纱线针织支架；
三层纳米纤维纱线针织支架：通过电脑横机，采用针织工艺，将单根连续三层纳米纤维纱线针织成三层纳米纤维纱线针织支架。
进一步地，聚合物纱线针织支架宽度为1cm，厚度为1.1mm-1.3mm，空隙大小为760±43μm；
所述双层纳米纤维纱线针织支架宽度为1cm，厚度为1.4mm-1.6mm，空隙大小为510±37μm；
所述三层纳米纤维纱线针织支架宽度为1cm，厚度为1.5mm-1.7mm，空隙大小为380±21μm。
进一步地，所述三层纳米纤维针织支架的杨氏模量为103.39±14.2MPa，最大拉伸强度为32.28±1.78MPa。
本发明的一种所述针织支架作为肌腱、韧带支架的应用。
优选地，本发明为提高纳米纤维纱线的长期力学性能，将不可降解PET微米纤维纱作为内芯层，第二层电纺聚合物P(LLA-CL)纳米纤维负载抗炎药物布洛芬，并且提升纱线强度，第三层电纺天然高分子明胶纳米纤维，提升纱线的生物相容性。
选择PET纱线为内芯，是因为PET材质的人工肌腱/韧带已被用于临床，其具有优良的物理机械性能，抗蠕变性，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都很好，可提高纳米纤维纱线的长期力学性能，长期使用。乳酸-己内酯共聚物(P(LLA-CL))是乳酸和己内酯的共聚物，是可降解聚合物中少有的弹性材料。明胶是一种天然的高分子材料，其结构与生物体组织结构相似，因此具有良好的生物相容性。明胶作为一种天然的水溶性的生物可降解高分子材料，其优点就是降解产物易被吸收而不产生炎症反应。
有益效果
(1)本发明提供的多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架，支架孔径大小适宜，解决纳米纤维支架孔径小细胞难以长入的问题，提升三维细胞长入能力，定向引导细胞生长；
(2)本发明提供的多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架，多层纱线芯层聚合物纱线能够提供力学支撑和保持结构稳定性(如本发明中使用的芯层聚合物纱线是不可降解PET，PET具有优良的力学性能和稳定性)，本发明可采用不同针织方式制备出具有不同力学性能的针织肌腱支架以匹配人体不同部位肌腱的力学要求；
(3)本发明提供的多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架，根据临床需求，可在多层纱线中间层聚合物纳米纤维中加入抗炎、防止组织粘连药物或生长因子，其从纳米纤维中持续缓慢向外释放，减轻炎症反应、避免组织粘连和促进肌腱修复及正常功能恢复；
(4)本发明提供的一种多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架，具有长期增强再生组织力学性能的作用以及良好的生物相容性，有利于肌腱损伤的修复和正常功能的恢复特点，此针织多层结构纳米纤维纱线支架可应用于肌腱或韧带的修复；本发明中芯层聚合物纱线提供力学支撑和结构稳定性，中间层聚合物纳米纤维可负载药物、活性因子等，外层由纳米纤维包裹，可以达到药物缓释作用，并且提升纱线强度；
(5)本发明提供的多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架，多层纱线的外层由天然高分子纳米纤维包裹，增加支架的生物相容性，有利于肌腱组织生长，并且提升纱线强度；
(6)本发明提供的多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架，提供一种有临床应用价值的肌腱组织工程支架，为临床肌腱损伤的治疗带来新材料、新方法和新途径。
附图说明
图1为电纺多层纳米纤维纱线制备设备原理示意图；
图2为多层结构纳米纤维纱线表面和横截面扫描电镜图；其中a为第一层纱线表面SEM图、b为第二层纱线表面SEM图、c为第三层纱线表面SEM图、a’为第一层纱线横截面SEM图、b’为第二层纱线横截面SEM图、c’为第三层纱线横截面SEM图；
图3为纱线针织工艺双罗纹组织示意图；
图4为多层结构纳米纤维纱线针织支架的红外光谱图；
图5为多层结构纳米纤维纱线针织支架表面扫描电镜图；其中a为单层纱线针织支架、b为双层纱线针织支架、c为三层纱线针织支架；
图6为多层结构纳米纤维纱线针织支架的应力-应变曲线图；
图7为多层结构纳米纤维纱线针织支架动水接触角图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)配制聚合物纺丝液：称取1.0g分子量约为八万的P(LLA-CL)(75:25)(购于济南岱罡生物科技有限公司)溶于10mL六氟异丙醇(购于上海达瑞精细化学品有限公司)中，配成质量浓度为10％的P(LLA-CL)纺丝液。
(2)配制明胶纺丝液：称取1.2g牛皮明胶(Ge)(A型明胶，购于美国Sigma-Aldrich公司)溶于10mL三氟乙醇(购于上海达瑞精细化学品有限公司)中，配成质量浓度为12％的明胶纺丝液。
(3)制备双层纳米纤维纱线：将PET纱线置于电纺纳米纤维纱线制备设备中作为芯层，将步骤(1)中P(LLA-CL)纺丝液对喷，利用旋转漏斗将P(LLA-CL)纳米纤维加捻到芯层PET纱线上，接收辊收集连续的PET-P(LLA-CL)双层纳米纤维纱线。
(4)制备三层纳米纤维纱线：将步骤(3)中得到双层纳米纤维纱线置于电纺纳米纤维纱线制备设备中作为芯层，将步骤(2)中明胶纺丝液对喷，利用旋转漏斗将明胶纳米纤维加捻到芯层PET-P(LLA-CL)纱线上，接收辊收集连续的PET-P(LLA-CL)-Ge三层纳米纤维纱线。
(5)制备PET纱线针织支架：利用LXC-352CVI型电脑横机，采用双罗纹组织工艺，将单根连续PET纱线针织成PET支架。
(6)制备PET-P(LLA-CL)双层纳米纤维纱线针织支架：利用LXC-352CVI型电脑横机，采用双罗纹组织工艺，将单根连续PET-P(LLA-CL)双层纳米纤维纱线针织成PET-P(LLA-CL)支架。
(7)制备PET-P(LLA-CL)-Ge三层纳米纤维纱线针织支架：利用LXC-352CVI型电脑横机，采用双罗纹组织工艺，将单根连续PET-P(LLA-CL)-Ge三层纳米纤维纱线针织成PET-P(LLA-CL)-Ge支架。
(8)上述(3)-(4)静电纺具体工艺为：将纺丝液加入注射器中，然后分别连接纱线左右两端的纺丝喷头，分别施加8KV的正负高压，推进泵速度1.2mL/h，接收距离12cm，旋转漏斗转速400转/分钟，接收辊8转/分钟。
上述实例1中多层结构纱线扫描电镜如图2所示，芯层聚合物纱线是由多根直径为20-30μm的单纤维合并形成的直径为200-240μm的单根纱线。芯层纱线外面包裹电纺纳米纤维形成双层纱线，双层纳米纤维纱线直径为280-320μm，其中纳米纤维厚度为15-25μm。双层纱线外层包裹厚度为5-10μm的电纺天然高分子纳米纤维，形成直径为300-350μm的三层结构纱线。
上述实例1中的多层结构纱线采用双罗纹针织方式(如图3)，针织成多层结构支架(如图5)，单层纱线针织支架宽度为1cm，厚度为1.1mm-1.3mm，空隙大小为760±43μm；双层纳米纤维纱线针织支架宽度为1cm，厚度为1.4mm-1.6mm，空隙大小为510±37μm；三层纳米纤维纱线针织支架宽度为1cm，厚度为1.5mm-1.7mm，空隙大小为380±21μm。
上述实例1中的针织支架置于万能测试机上进行力学拉伸测试，试样宽度1.0cm，试样标距为2.0cm，拉伸速率为20.0mm/min。应力-应变曲线如图6所示，结果显示三种支架力学性能无明显差异，说明芯层PET纱线对支架力学起主要作用。三层纳米纤维针织支架的杨氏模量为103.39±14.2MPa，最大拉伸强度为32.28±1.78MPa。
上述实施例1中得到的针织支架采用接触角仪对其表面的水接触角进行测定。将支架水平放在接触角仪的载物台上，调整蒸馏水液滴大小(直径6μL)，将蒸馏水液滴滴在样品表面平整处，滴水后5s内测量接触角大小并记录数据。针织支架的表面动态水接触角如图7所示，单层PET支架水接触角2秒内从26.7°迅速降低到0°，双层支架水接触角6秒内由115.9°降为0°，而三层支架水接触角从119.7°至0°的时间为8秒，这与针织支架的空隙大小向关，支架空隙越大水接触角越小。

Claims (12)

1.一种纳米纤维纱线，其特征在于，所述纱线为多层结构，至少包括第一层聚合物纱线作为芯层，第二层电纺聚合物纳米纤维，包覆聚合物纱线。
2.根据权利要求1所述纱线，其特征在于，所述纱线还包括第三层电纺天然高分子纳米纤维包覆电纺聚合物纳米纤维。
3.根据权利要求1所述纱线，其特征在于，所述聚合物纱线包括：聚对苯二甲酸乙二酯PET线、聚乳酸PLA线、聚己内酯PCL线、乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA线、丝素SF线中的一种或几种；第一层聚合物纱线是由直径为20-30μm的单纤维经并合、牵伸形成的直径为200-240μm的单根纱线。
4.根据权利要求1所述纳米纤维纱线，其特征在于，所述第二层电纺聚合物纳米纤维厚度为15-25μm；电纺聚合物纳米纤维中的聚合物包括乳酸-己内酯共聚物、聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种或几种；电纺聚合物纳米纤维中还可含有药物、活性因子中的一种或几种。
5.根据权利要求2所述纳米纤维纱线，其特征在于，所述第三层电纺天然高分子纳米纤维厚度为5-10μm，天然高分子包括明胶、丝素蛋白、胶原蛋白、脱细胞基质中的一种或几种。
6.一种纳米纤维纱线的制备方法，包括：采用电纺纳米纤维纱线制备装置，芯层纱线穿过中空旋转漏斗作为接收装置，两侧双针头，分别加上正负高压电源，电纺纳米纤维加捻到芯层纱线，重复上述步骤，制备多层纳米纤维纱线。
7.根据权利要求6所述制备方法，具体包括：
(1)分别配置聚合物纺丝液，天然高分子纺丝液；
(2)将聚合物纱线置于电纺纳米纤维纱线制备装置中作为芯层，将步骤(1)中的聚合物纺丝液对喷，电纺纳米纤维利用旋转漏斗加捻到芯层纱线上，接收辊收集，得双层纳米纤维纱线；
(3)将步骤(2)中双层纳米纤维纱线置于电纺纳米纤维纱线制备装置中作为芯层，将步骤(1)中天然高分子纺丝液对喷，电纺纳米纤维利用旋转漏斗加捻到芯层纱线上，接收辊收集，得到三层纳米纤维纱线。
8.一种权利要求6所述方法制备的纳米纤维纱线。
9.一种制备权利要求1所述纳米纤维纱线的装置，其特征在于，包括正、负高压电源、双喷头、中空旋转漏斗、接收辊；其中中空旋转漏斗垂直设于接收辊上方，双喷头上分别施加正负电场，当两个喷头向上喷射纳米纤维到中间的旋转漏斗上时,旋转漏斗将纳米纤维捻成纱线,旋转纱线接收辊接收得到连续纳米纱线。
10.一种基于权利要求1所述纳米纤维纱线的针织支架，其特征在于，通过针织工艺，将权利要求1所述纤维纱线针织成支架。
11.根据权利要求10所述针织支架，其特征在于，聚合物纱线针织支架宽度为1cm，厚度为1.1mm-1.3mm，空隙大小为760±43μm；所述双层纳米纤维纱线针织支架宽度为1cm，厚度为1.4mm-1.6mm，空隙大小为510±37μm；所述三层纳米纤维纱线针织支架宽度为1cm，厚度为1.5mm-1.7mm，空隙大小为380±21μm。
12.一种权利要求10所述针织支架作为肌腱、韧带支架的应用。
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