CN110575290B - 弹性可降解气管支架及其构建方法 - Google Patents

弹性可降解气管支架及其构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种弹性可降解气管支架及其构建方法，所述支架为三层弹性气管状复合结构，从内到外依次包括PGS管芯、平行排布的C型PCL环和PCL鞘层；所述PGS管芯为聚癸二酸丙三醇酯材料制成的管状结构；所述C型PCL环为聚己内酯制成的C形结构；PCL鞘层为静电纺丝制备的聚己内酯鞘层。本发明通过构建PGS管芯‑C型PCL环‑PCL鞘层的三层弹性气管状的复合支架材料，得到弹性好、孔隙连通性好、支撑性好、可及时降解的气管支架材料，优于以往的其它组织工程化材料，该支架材料可实现快速血管化，组织浸润好和灵活性好等的优势，将为后续应用于临床研究做好铺垫。

Description

弹性可降解气管支架及其构建方法
技术领域
本发明涉及生物医疗器械技术领域，具体涉及一种弹性可降解气管支架及其构建方法。
背景技术
气管肿瘤、气管外伤或先天性气管畸形往往导致气管的狭窄甚至严重威及到患者的生命。在临床上，气管畸形在先天性心脏病患儿中发病率较高，据文献报道气管畸形约占先天性心脏病患儿的12.9%。而我国先天性心脏病发病率占到0.7%-0.8%，并且每年以大约15万人的患儿增长。其中，在先天性心脏病患儿中每年有很多并发有气管畸形。气管畸形中最常见的是气管狭窄，而心血管畸形使气管受压和软化是其中的原因之一。临床上，婴幼儿气管狭窄的治疗依然是一个难题，目前能做先天性心脏病伴气管狭窄的患儿行一期手术矫治的医院少之又少，且术后恢复欠佳。
针对气管狭窄，目前临床上依然需要对患者进行气管切除和气管重建。目前临床外科主要的手术方式是端端吻合术和滑片吻合术。端端吻合术主要是针对气管切除长度小于1.5cm的缺损，而滑片吻合术是针对长度大于1.5cm的缺损。而这两种手术方式术后易导致吻合口裂开、漏气及肉芽组织的增生等并发症的发生。基于以上问题，需要气管替代物进行气管重建。尽管目前气管重建方法和材料较多，但至今因种种原因尚无比较理想的替代物。
众所周知，正常气管为管状结构，由内而外依次为黏膜上皮层、黏膜下结缔组织层和软骨层三层结构。那么气管替代物成功的关键也必须具备以下三点：1. 具有完整的上皮层结构，有利于气道分泌物的排出，并抑制肉芽组织的增生；2. 软骨层应具备放射状的支撑力，能防止气道的塌陷，维持其管型结构；3. 支持新血管形成，恢复开放和功能性气道以避免再狭窄、细菌感染和缺血性坏死。目前能够同时满足以上三个条件还尚未成功报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种弹性可降解气管支架及其构建方法，克服现有技术的不足。
本发明所采用的技术方案为：
弹性可降解气管支架，其特征在于：
所述支架为三层弹性气管状复合结构，从内到外依次包括PGS管芯、平行排布的C型PCL环和PCL鞘层；
所述PGS管芯为聚癸二酸丙三醇酯材料制成的管状结构；
所述C型PCL环为聚己内酯制成的C形结构；
PCL鞘层为静电纺丝制备的聚己内酯鞘层。
C型PCL环作为中间支撑环层，包括至少两环，大小等同、并轴向平行排布。
所述支架的内径为4-9 mm，外径为6-11 mm；
所述C型PCL环的宽度为2-3 mm，相邻间距为2-3 mm。
如所述的弹性可降解气管支架的构建方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：利用管状盐模制备PGS管芯，形成PGS聚合物-盐模板；
步骤二：采用选择性激光烧结技术制备C型PCL环，将C型PCL环均匀套于PGS聚合物-盐模板上；
步骤三：通过静电纺丝方式，将PCL纤维束缠绕在包含C型PCL环的PGS聚合物-盐模板上，形成PCL鞘层；
步骤四：去除管状盐模，得到弹性可降解气管支架。
步骤一具体为：
利用内有均匀柱状管芯的圆柱模具，将盐颗粒导入模具内，上下弹动，使盐颗粒紧密填入空隙，进行雾化处理后推出盐管，制作出由盐颗粒构成的管状盐模；
将聚癸二酸丙三醇酯预聚合物用四氢呋喃溶液分别配制成10%和15%的混合溶液，依次将15%、15%和10%的混合溶液滴在管状盐模上，待其完全饱和后，将PGS预聚合物-盐模混合体放入真空干燥箱，形成PGS聚合物-盐模板。
步骤二具体为：
采用选择性激光烧结技术，将聚己内酯材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层PCL材料上扫描出零件截面；PCL材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层PCL材料粉末，选择地烧结下层截面；最终获得大小均一的PCL环结构，备用；
将C型PCL环均匀套于PGS聚合物-盐模板上，将其放置于酒精浴中，取出后，冷却晾干，备用。
步骤三具体为：
将PCL颗粒溶解在2,2,2三氟乙醇溶液中，加热使PCL颗粒完全溶解，振荡形成均匀的PCL-2,2,2三氟乙醇溶液；用注射器抽取PCL-2,2,2三氟乙醇溶液，再固定到注射泵上，同时，固定在电机上的对应尺寸的注射器针头上固定一个有交联过后的包含C型PCL环的PGS聚合物-盐模板，将电机连同盐模板放入静电纺丝系统，将盐模对准接受片的中心与喷丝针头垂直，且与地面平行；
打开旋转电机电源，打开注射泵开关后，纳米纤维束从喷丝针头喷出，缠绕在接收铁板的前方包含C型PCL环的PGS聚合物-盐模板上，形成PCL鞘层。
步骤四具体为：
将包含PCL鞘层和C型PCL环的PGS聚合物-盐模板浸泡在去离子水中去除盐颗粒；然后将其放入酒精中去除未聚合的聚癸二酸丙三醇酯；最后，获得PGS管芯-C型PCL环-PCL鞘层的支架材料，冻干并在室温下保存，直到使用。
所述支架在植入前采用环氧乙烷灭菌处理。
本发明具有以下优点：
本发明通过构建PGS管芯-C型PCL环-PCL鞘层的三层弹性气管状的复合支架材料，得到弹性好、孔隙连通性好、支撑性好、可及时降解的气管支架材料，优于以往的其它组织工程化材料，该支架材料可实现快速血管化，组织浸润好和灵活性好等的优势，将为后续应用于临床研究做好铺垫。
附图说明
图1为PGS管芯-C型PCL环-PCL鞘层支架材料制备的模式图。
图2为PGS管芯-C型PCL环-PCL鞘层支架材料制备的示意图。
图3为PGS管芯-C型PCL环-PCL鞘层支架材料制备的结构图。
图中，（A）为支架材料的大体图；（B-F）为扫描电镜图，其中(B,C)分别为支架材料的侧面观和背面观，(D)为高倍镜下PGS管芯的孔隙结构图，(E)为高倍镜下PGS和C型PCL环的交界连接处，(F)为高倍镜下PCL鞘层的结构；（G-I）为CT图，其中(G,H)分别为支架材料的正面观和侧面观，(I)为支架材料的剖面观图。
图4为自体气管与PGS管芯-C型PCL环-PCL鞘层支架材料的力学统计结果。
图中，（A,B）为纵向拉伸力；（C,D）为横向拉伸力；（E,F）为横向压缩50% 的力。
图5为自体气管与PGS管芯-C型PCL环-PCL鞘层支架材料在体内改建5周的免疫荧光结果图。
图中，（A,B）分别为自体气管与PGS-C型PCL环-PCL鞘层支架材料中CD31表达；（C,D）分别为自体气管与PGS-C型PCL环-PCL鞘层支架材料中SMA表达；（E,F）分别为自体气管与PGS-C型PCL环-PCL鞘层支架材料中FSP-1表达；（G,H）分别为自体气管与PGS-C型PCL环-PCL鞘层支架材料中MHC表达。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及弹性可降解气管支架，所述支架为三层弹性气管状复合结构，从内到外依次包括PGS管芯、平行排布的C型PCL环和PCL鞘层，组成PGS管芯-C型PCL环-PCL鞘层的具有弹性可降解的气管支架材料。
所述PGS管芯为聚癸二酸丙三醇酯（polyglycerol sebacate，PGS）材料制成的管状结构；所述C型PCL环为聚己内酯（PCL）制成的C形结构；PCL鞘层为静电纺丝制备的聚己内酯鞘层。C型PCL环作为中间支撑环层，包括至少两环，大小等同、并轴向平行排布。所述支架的内径为4-9 mm，外径为6-11 mm；所述C型PCL环的宽度为2-3 mm，相邻间距为2-3 mm。
各层结构的构建过程为：
1、PGS管芯的制备：
选用270目与400目的标准样筛，将打磨机打磨后的分析纯氯化钠筛出能透过270目筛孔而不能被400目筛孔筛下的盐颗粒，直径大约是(38-53)um。利用内有均匀柱状管芯的圆柱模具，将(38-53)um盐颗粒导入模具内，上下弹动，使盐颗粒紧密填入空隙，进行雾化处理后推出盐管，制作出由(38-53)um盐颗粒构成的管状盐模。
将聚癸二酸丙三醇酯（polyglycerol sebacate，PGS） 预聚合物用四氢呋喃溶液分别配制成10%和15%的混合溶液，依次将15%、15%和10%的混合溶液滴在管状盐模上，待其完全饱和后，将PGS预聚合物-盐模混合体放入真空干燥箱，150℃，24h，形成PGS聚合物-盐模板。
2、C型PCL环的制备：
采用选择性激光烧结（SLS）技术，将聚己内酯（PCL）材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层PCL材料上扫描出零件截面；PCL材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层PCL材料粉末，选择地烧结下层截面。最终获得大小均一的PCL环结构，备用。
为增加PGS管芯-C型PCL环之间的粘结力，将C型PCL环均匀套于PGS聚合物-盐模板上，将其放置于60℃酒精浴中40-60 s后，取出后，冷却晾干，备用。
3、PCL鞘层的制备：
将PCL颗粒溶解在2,2,2三氟乙醇溶液中，按照0.14%（质量体积比g/ml）比例配制，混合后将其加热至55℃，2小时，使PCL颗粒完全溶解，再于振荡器上振荡1小时后，形成均匀的PCL-2,2,2三氟乙醇溶液。用1毫升注射器抽取1ml PCL-2,2,2三氟乙醇溶液，再固定到注射泵上。同时，固定在电机上的对应尺寸的注射器针头上固定一个有交联过后的PGS管芯-C型PCL环的支架材料的管状盐模，将电机连同盐模放入静电纺丝系统，将盐模对准接受片的中心与喷丝针头垂直，且与地面平行。
喷丝针头与接受铁板的距离调整为25 cm；注射泵的推进速度调整为1.275毫米/分钟，液体量调整为30 μl；旋转电机转速调整为100转/分钟。接通电源后，高压直流电发生器电压调整为3万伏。打开旋转电机电源，打开注射泵开关后，纳米纤维束从喷丝针头喷出，缠绕在接收铁板的前方的含有PGS管芯-C型PCL环的支架材料的管状盐模上。待喷丝稳定后，持续喷丝时间为5分钟，喷丝结束后，依次关闭注射泵开关和电机电源。
将PGS管芯-C型PCL环-PCL鞘层制备而成的支架材料浸泡在去离子水中去除盐颗粒。然后将其放入75%酒精中24h去除未聚合的PGS。最后，获得PGS管芯-C型PCL环-PCL鞘层的支架材料冻干并在室温下保存，直到使用。该支架材料在植入前采用环氧乙烷灭菌处理。
本发明涉及的支架材料埋植入体内培养的过程为：
实验动物用速眠新（0.05-0.1ml/kg）和3%戊巴比妥（0.3-0.5ml/kg）肌注麻醉，常规消毒铺巾，行腹部第2和3乳头间靠外侧显露腹主动脉位置，分离带血管的皮瓣将PGS管芯-C型PCL环-PCL鞘层构成的具有弹性可降解的气管支架材料包裹并用3-0缝合线缝合固定，防止其滑脱。并用3-0缝合线将筋膜组织两侧缘拉拢缝合，逐层缝合关闭切口。待动物苏醒后送回饲养室，术后三天给予青霉素肌注，每日2次。
结果分析：
如图4所示，通过本发明方法制备的气管支架，力学结果显示， 与自体气管结构相比较，PGS-C型PCL环-PCL鞘层的支架材料，最终获得支撑性好，弹性好的支架材料。
如图5所示，通过本发明方法制备的气管支架，经过体内筋膜下包裹5周后，可获得良好的血管化和肌性重塑能力，为后续气管移植做好铺垫。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.弹性可降解气管支架的构建方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：利用管状盐模制备PGS管芯，形成PGS聚合物-盐模板；
步骤二：采用选择性激光烧结技术制备C型PCL环，将C型PCL环均匀套于PGS聚合物-盐模板上；
步骤三：通过静电纺丝方式，将PCL纤维束缠绕在包含C型PCL环的PGS聚合物-盐模板上，形成PCL鞘层；
步骤四：去除管状盐模，得到弹性可降解气管支架；
步骤一具体为：
利用内有均匀柱状管芯的圆柱模具，将盐颗粒导入模具内，上下弹动，使盐颗粒紧密填入空隙，进行雾化处理后推出盐管，制作出由盐颗粒构成的管状盐模；
将聚癸二酸丙三醇酯预聚合物用四氢呋喃溶液分别配制成10%和15%的混合溶液，依次将15%、15%和10%的混合溶液滴在管状盐模上，待其完全饱和后，将PGS预聚合物-盐模混合体放入真空干燥箱，形成PGS聚合物-盐模板。
2.根据权利要求1所述的弹性可降解气管支架的构建方法，其特征在于：
步骤二具体为：
采用选择性激光烧结技术，将聚己内酯材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层PCL材料上扫描出零件截面；PCL材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层PCL材料粉末，选择地烧结下层截面；最终获得大小均一的PCL环结构，备用；
将C型PCL环均匀套于PGS聚合物-盐模板上，将其放置于酒精浴中，取出后，冷却晾干，备用。
3.根据权利要求2所述的弹性可降解气管支架的构建方法，其特征在于：
步骤三具体为：
将PCL颗粒溶解在2,2,2三氟乙醇溶液中，加热使PCL颗粒完全溶解，振荡形成均匀的PCL-2,2,2三氟乙醇溶液；用注射器抽取PCL-2,2,2三氟乙醇溶液，再固定到注射泵上，同时，固定在电机上的对应尺寸的注射器针头上固定一个有交联过后的包含C型PCL环的PGS聚合物-盐模板，将电机连同盐模板放入静电纺丝系统，将盐模对准接受片的中心与喷丝针头垂直，且与地面平行；
打开旋转电机电源，打开注射泵开关后，纳米纤维束从喷丝针头喷出，缠绕在接收铁板的前方包含C型PCL环的PGS聚合物-盐模板上，形成PCL鞘层。
4.根据权利要求3所述的弹性可降解气管支架的构建方法，其特征在于：
步骤四具体为：
将包含PCL鞘层和C型PCL环的PGS聚合物-盐模板浸泡在去离子水中去除盐颗粒；然后将其放入酒精中去除未聚合的聚癸二酸丙三醇酯；最后，获得PGS管芯-C型PCL环-PCL鞘层的支架材料，冻干并在室温下保存，直到使用。
5.根据权利要求4所述的弹性可降解气管支架的构建方法，其特征在于：
所述支架在植入前采用环氧乙烷灭菌处理。
6.如权利要求5所述的方法构建的弹性可降解气管支架，其特征在于：
所述支架为三层弹性气管状复合结构，从内到外依次包括PGS管芯、平行排布的C型PCL环和PCL鞘层；
所述PGS管芯为聚癸二酸丙三醇酯材料制成的管状结构；
所述C型PCL环为聚己内酯制成的C形结构；
PCL鞘层为静电纺丝制备的聚己内酯鞘层。
7.根据权利要求6所述的弹性可降解气管支架，其特征在于：
C型PCL环作为中间支撑环层，包括至少两环，大小等同、并轴向平行排布。
8.根据权利要求7所述的弹性可降解气管支架，其特征在于：
所述支架的内径为4-9 mm，外径为6-11 mm；
所述C型PCL环的宽度为2-3 mm，相邻间距为2-3 mm。
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