CN113230461A - 一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管及其制备方法 - Google Patents

一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微纳米纤维‑水凝胶组织工程输尿管及其制备方法，采用静电纺丝工艺制备；制得的微纳米纤维‑水凝胶组织工程输尿管由内至外分为4层；第1层与第4层为微纳米纤维膜，第2层和第3层为微纳米纤维‑水凝胶互穿三维网络；第2层中微纳米纤维‑水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为纵行取向(微纳米纤维的轴向与输尿管轴向的平均夹角为15～45°)，第3层中微纳米纤维‑水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为环形取向(微纳米纤维的轴向与输尿管周向的平均夹角为15～45°)；微纳米纤维三维网络是由长径比大于10000的微纳米纤维构建且超过99％的纤维呈单分散状态的自锁三维网络。本发明的方法简单易行，制得的微纳米纤维‑水凝胶组织工程输尿管性能优异。

Description

一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管及其制备方法
技术领域
本发明属于组织工程技术领域，涉及一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管及其制备方法。
背景技术
输尿管是连接肾脏与膀胱的管状组织，起运输尿液的作用，具备一定的弹性和防尿液渗透性能。输尿管在受到创伤、坏死、医源性损伤及肿瘤等侵害时，需要进行手术修复。目前临床上常常采用自体组织进行修复，如肠、口腔粘膜、腹膜组织等。然而，由于缺少肌肉层，这些组织不具备与输尿管接近的弹性及尿不渗透性。由于组织工程技术的发展，出现了用人工材料进行输尿管修复的研究。其基本思路为，采用可降解高分子材料，如聚乳酸、聚己内酯等浇注成多孔材料，并在其表面涂覆自体细胞，体外培养一段时间后，植入输尿管缺损部位。然而该类方法过程复杂，成本昂贵，尤其是制备过程耗时过长，难以满足多变的临床情况。
原位组织工程技术是指将组织工程支架先行植入到体内缺损部位，支架在体内原位募集细胞，细胞之间互相桥接形成组织，支架在此期间逐渐降解退化为组织生长提供空间，最终完成组织修复。原位组织工程技术在血管组织工程、神经组织工程及骨组织工程等领域有相关报道，其实际效果与临床应用仍存在差距，主要是因为支架成分、结构及机械性能与人体组织仍存在较大区别。如血管组织工程支架，自然血管和人工血管之间机械性质的不同，导致吻合口处血流动力学的改变，引起应力集中，增加了血栓的形成和新生内膜的增生。神经组织工程支架也普遍存在力学性能较差，降解速率不宜控制，对神经造成卡压等问题。
支架作为组织工程的核心元件，在进行组织工程培养时，针对目标组织的结构、环境、力学性能对支架进行系统性设计是原位组织工程技术的重中之重。而目前针对输尿管的原位组织工程的探索目前未见报道。实际上输尿管管壁可分为三层，由内到位分别为粘膜层、肌层及外膜层。其中，肌层内侧为纵行肌层，外侧为环形肌层；而肌层有重要的生理意义，主要成分有胶原纤维和弹性蛋白，这种结构赋予输尿管良好的力学强度和弹性模量。
因此，在设计和制造输尿管组织工程支架材料时，应该尽可能地模拟自然输尿管的细胞外基质的成分、三维结构、生理功能及机械性能。理想的组织工程输尿管支架除了应该具有良好的材料生物相容性、可降解性、具有良好的材料-细胞界面及一定的三维结构外，还应具有一定的机械强度。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管及其制备方法。本发明提出的人工制备的输尿管组织工程支架进行了合理的设计，在植入后提供力学性能及防止尿液渗透，并对组织的生长起到诱导作用，最终形成的再生输尿管和人体原有的输尿管有相近的解剖结构和生命功能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，由内至外分为4层；
第1层与第4层为微纳米纤维膜，第2层和第3层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络；
第1层提供主要的力学性能和隔离尿液功能；第2层和第3层作为细胞黏附的支架，且具备一定的取向结构及自锁性能，防止输尿管的伸长和扩张；第4层起加固作用。
第2层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为纵行取向，第3层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为环形取向；
所述纵行取向是指微纳米纤维三维网络中的微纳米纤维的轴向与输尿管轴向的平均夹角为15～45°，所述环形取向是指微纳米纤维三维网络中的微纳米纤维的轴向与输尿管周向的平均夹角为15～45°。
微纳米纤维三维网络是由高长径比的微纳米纤维构建且超过99％的纤维呈单分散状态的自锁三维网络；所述自锁三维网络是指三维网络在拉伸条件下，随着拉伸应变的增加，拉伸模量增加，直至断裂；所述高长径比是指长径比大于10000；所述单分散状态是指纤维之间不完全并列重叠的状态；
所述微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中，微纳米纤维三维网络的体积与其中所有微纳米纤维体积和之比大于20:1，小于20：1则孔隙率不够，不利于细胞代谢物质的传输。
绝对单分散状态在实际操作中无法保证，本发明超过99％的纤维处在单分散状态。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，所述微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的水凝胶由微纳米纤维三维网络中负载的水凝胶前驱体形成。
如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，所述4层中每一层微纳米纤维的直径范围均为100nm～10μm。
如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，所述微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的纤维与水凝胶之间存在氢键和范德华力。
如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，输尿管的内径为5～7mm；第1层的厚度为0.2～0.4mm；第2层和第3层的厚度均为0.8～1.5mm，第4层的厚度为0.05～0.1mm。各层的厚度与人体输尿管解剖结构类似，第1层较厚提供主要的力学性能和隔离尿液功能，第2层和第3层更厚，作为细胞黏附的支架需要给细胞提供足够空间，第4层较薄起加固作用且便于细胞进入第2层和第3层进行黏附和生长。
如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，第1层至第4层中的微纳米纤维的材质均为聚乳酸、聚己内酯、聚乙丙交酯、聚羟基乙酸或者聚对二氧环己酮。
如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的拉伸断裂强度为0.1～1MPa，断裂伸长率为30～80％，耐静水压大于500mmH2O。
本发明还提供如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，包括如下步骤：
(1)在静电纺丝工艺I下，且以外径5～7mm的滚筒X作为接收装置制得壁厚为0.2～0.4mm的管状物A；
(2)先按照方向1将片状的取向电纺膜第一次卷绕到管状物A表面得到结构管状物B；再按照方向2将片状的取向电纺膜第二次卷绕到管状物B表面得到管状物C；
片状的取向电纺膜(厚度为0.4～0.75mm)是在静电纺丝工艺II下，且以滚筒Y作为接收装置接收微纳米纤维时添加水凝胶前驱体制得(纺丝全过程中添加)；所述水凝胶前驱体吸水膨胀后体积增长大于2000％；
“静电纺丝工艺I”和“静电纺丝工艺II”均是将高聚物溶于相应的溶液中制备质量分数为10～20wt％的纺丝液，纺丝参数：进料速度为1～4ml/h，电源电压为8～20kV，纺丝接收距离为8～25cm，针头内径为0.5～0.7mm；
方向1是使取向电纺膜的纵向与管状物A轴向一致，即实现纵行取向；方向2是使取向电纺膜的横向与管状物B轴向一致，即实现环行取向；取向电纺膜的横向是指制备取向电纺膜时滚筒Y的轴向；取向电纺膜的纵向是指与取向电纺膜的横向垂直的方向；
(3)使管状物C中的水凝胶前驱体膨胀，制得管状物D；
(4)将管状物D进行冷冻干燥后套在滚筒Z上作为静电纺丝接收装置，进行静电纺丝包覆一层厚度为0.1～0.2mm的微纳米纤维膜，制得微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，滚筒X的转速为10～200rpm；滚筒Y的外径大于6cm，滚筒Y的转速为800～2000rpm；低于此转速，则无法形成理想的取向纤维，取向程度可以通过调节滚筒转速而调整；第一次卷绕的圈数为2圈；第二次卷绕的圈数为2圈；滚筒Z的转速为10～200rpm，滚筒Z的外径为5～7mm。
如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，所述片状的取向电纺膜中，水凝胶前驱体添加量为微纳米纤维的100～500wt％；添加量为微纳米纤维的100～500wt％的目的是以保证足够的膨胀度和孔隙率；且管状物D中的水凝胶的含水量大于95wt％是使三维网络冷冻干燥后孔隙率大于95％。
如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，所述水凝胶前驱体为明胶粉末、壳聚糖粉末、海藻酸钠粉末和透明质酸粉末的一种以上。
如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，使管状物C中的水凝胶前驱体膨胀是指：将管状物C浸渍到过量含交联剂的水溶液中，水凝胶前驱体吸水膨胀形成水合物，且在交联剂的作用下进一步形成水凝胶，水凝胶通过氢键和范德华力固化微纳米纤维三维网络，得到微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络。
如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，所述含交联剂的水溶液中交联剂的浓度为0.1～2wt％。当低于这个浓度时会导致交联不充分，高于这个范围浪费交联剂。
如上所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，所述交联剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)、戊二醛或氯化钙。
本发明的原理如下：
本发明中的三维微纳米纤维网络自锁的机理：本发明中采用的高长径比纤维之间互相搭接勾连程度远高于现有技术中的短纤维。此外，由于纤维呈单分散状态，即任意两根纤维间均存在空间位置上的交错，大大增加了这样的搭接勾连效果。三维微纳米纤维网络受力后，网络中的高长径比纤维互相挤压抱合，进一步增加纤维间摩擦力，减弱了纤维间的相互滑移，从而提高了三维网络的拉伸模量。该过程随着拉伸变形程度的提高而强化，直至纤维断裂，整体结构崩塌。本发明在接收纳米纤维的同时添加水凝胶前驱体(而不是将水凝胶前驱体添加于成型的纳米纤维膜上)使水凝胶前驱体与纳米纤维充分接触并混合，水凝胶前驱体膨胀后膨胀力可克服微纳米纤维之间的摩擦力，使纤维发生空间位移(由于膨胀作用力的方向性不一致，取向程度会降低，但取向度应仍处于界定范围)；并且分散于相邻纳米纤维间的水凝胶前驱体发生体积变化，加大纤维间的距离，且固化了微纳米纤维的三维结构，防止坍塌脱散；最终实现微纳米纤维在三维空间的单分散分布，制得微纳米纤维三维网络。
本发明中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络具有较高的孔隙率(大于95％)，利于细胞的进入和营养物质及代谢废物的传输。单分散的微纳米纤维具备良好的细胞-材料界面，可为细胞的黏附提供足够的位点，且由于具备取向的纤维结构，平滑肌细胞在纤维表面或纤维间黏附增殖时顺着纤维取向呈纵向和环向生长。此外，互穿的水凝胶组分与细胞外基质有相似的微纳结构及软硬度，具备良好的生物相容性，利于细胞的增殖及迁移。上述结构均有利于形成与人体输尿管相似的环形肌层及纵行肌层，有利于实现输尿管的蠕动功能。由于所采用的水凝胶和三维纳米纤维均为可降解材料，输尿管具备可降解性。由于输尿管中的第2层和第3层结构具备取向结构及自锁性能，可防止输尿管的伸长和扩张。输尿管的拉伸断裂强度达0.1～1MPa，断裂伸长率为30～80％，与人体组织有相近的力学性能。
有益效果：
(1)本发明的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，与人体输尿管有相似的解剖结构，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络具备高孔隙率，且纤维呈单分散状态，与细胞外基质有相近的微纳米结构，可为细胞生长提供足够的黏附位点，有利于营养物质和代谢废物的传输；
(2)本发明的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，由于第2层和第3层中的微纳米纤维的取向结构可诱导细胞取向生长，引导其最终形成纵行生长和环形生长的组织结构；
(3)本发明的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管中包含取向的高长径比微纳米纤维网络，具备较高的力传导效率，再加上其自锁效应，可以提供良好的轴向及周向的力学性能；
(4)本发明的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管中，第1层为较为致密的纳米纤维膜(纯静电纺丝膜本身就比较致密，而且本层厚度较厚)，具备一定的尿不渗透性(耐静水压大于500mm H2O)。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，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
一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，具体步骤如下：
(1)将重均分子量为3万的聚乳酸颗粒溶于溶液(体积比为7:3的二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺混合溶液)中制备质量分数为10wt％的纺丝液，搅拌均匀后，采用静电纺丝机进行静电纺丝，在一定的静电纺丝工艺下，以外径5mm、转速为100rpm的滚筒X作为接收装置制得管状物A(厚度为0.2mm)；其中，静电纺丝工艺的纺丝参数：进料速度为1ml/h，电源电压为10kV，纺丝接收距离为15cm，针头内径为0.5mm；
(2)在与步骤(1)相同的静电纺丝工艺下，再以外径为6.2cm，转速为800rpm的滚筒Y作为接收装置接收微纳米纤维，接收纳米纤维的同时添加明胶粉末(水凝胶前驱体)制得厚度为0.4mm的片状的取向电纺膜；其中，明胶粉末的添加量为微纳米纤维的100wt％；
(3)按照方向1将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第一次卷绕到管状物A表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物B；再按照方向2将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第二次卷绕到管状物B表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物C；
方向1是使步骤(2)制得的取向电纺膜的纵向与管状物A轴向一致；方向2是使步骤(2)制得的取向电纺膜的横向与管状物B轴向一致；取向电纺膜的横向是指制备取向电纺膜时滚筒Y的轴向；取向电纺膜的纵向是指与取向电纺膜的横向垂直的方向；
(4)将步骤(3)制得的管状物C浸没于浓度为0.1wt％的含1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)的水溶液中，明胶粉末吸水膨胀形成水合物，明胶粉末吸水膨胀后体积增长为2001％，且在交联剂的作用下进一步形成含水量为95.1wt％的水凝胶，水凝胶通过氢键和范德华力固化微纳米纤维三维网络，得到由微纳米纤维三维网络和水凝胶网络构成的微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络，制得管状物D；其中，微纳米纤维三维网络是由长径比为10100的微纳米纤维构建且超过99％的纤维呈单分散状态的自锁三维网络；自锁三维网络是指三维网络在拉伸条件下，随着拉伸应变的增加，拉伸模量增加，直至断裂；单分散状态是指纤维之间不完全并列重叠的状态；微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中，微纳米纤维三维网络的体积与其中所有微纳米纤维体积和之比为20.5:1；
(5)将步骤(4)制得的管状物D进行冷冻干燥后套在外径为5mm，转速为100rpm的滚筒Z上作为静电纺丝接收装置，在与步骤(1)相同的静电纺丝工艺下，包覆一层微纳米纤维膜(厚度为0.05mm)，制得微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管。
制得的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，内径为5mm，由内至外分为4层；第1层为微纳米纤维膜(管状物A)，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为400nm；第2层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第一次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为400nm，且第2层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为纵行取向(微纳米纤维的轴向与输尿管轴向的平均夹角为45°)；第3层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第二次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为400nm，且第3层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为环形取向(微纳米纤维的轴向与输尿管周向的平均夹角为45°)；第4层为微纳米纤维膜，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为400nm；
该微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的拉伸断裂强度为0.1MPa，断裂伸长率为70％，耐静水压为550mmH2O。
实施例2
一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，具体步骤如下：
(1)将重均分子量为5万的聚己内酯颗粒溶于溶液(体积比为7:3的二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺混合溶液)中制备质量分数为12wt％的纺丝液，搅拌均匀后，采用静电纺丝机进行静电纺丝，在一定的静电纺丝工艺下，以外径5mm、转速为120rpm的滚筒X作为接收装置制得管状物A(厚度为0.2mm)；其中，静电纺丝工艺的纺丝参数：进料速度为2ml/h，电源电压为20kV，纺丝接收距离为20cm，针头内径为0.6mm；
(2)在与步骤(1)相同的纺丝液及静电纺丝工艺下，再以外径为6.6cm，转速为900rpm的滚筒Y作为接收装置接收微纳米纤维，接收纳米纤维的同时添加壳聚糖粉末(水凝胶前驱体)制得厚度为0.5mm的片状的取向电纺膜；其中，壳聚糖粉末添加量为微纳米纤维的150wt％；
(3)按照方向1将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第一次卷绕到管状物A表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物B；再按照方向2将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第二次卷绕到管状物B表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物C；
方向1是使步骤(2)制得的取向电纺膜的纵向与管状物A轴向一致；方向2是使步骤(2)制得的取向电纺膜的横向与管状物B轴向一致；取向电纺膜的横向是指制备取向电纺膜时滚筒Y的轴向；取向电纺膜的纵向是指与取向电纺膜的横向垂直的方向；
(4)将步骤(3)制得的管状物C浸没于浓度为0.1wt％的含戊二醛的水溶液中，壳聚糖粉末吸水膨胀形成水合物，壳聚糖粉末吸水膨胀后体积增长为2100％，且在交联剂的作用下进一步形成含水量为95.5wt％的水凝胶，水凝胶通过氢键和范德华力固化微纳米纤维三维网络，得到由微纳米纤维三维网络和水凝胶网络构成的微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络，制得管状物D；其中，微纳米纤维三维网络是由长径比为11000的微纳米纤维构建且超过99％的纤维呈单分散状态的自锁三维网络；自锁三维网络是指三维网络在拉伸条件下，随着拉伸应变的增加，拉伸模量增加，直至断裂；单分散状态是指纤维之间不完全并列重叠的状态；微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中，微纳米纤维三维网络的体积与其中所有微纳米纤维体积和之比为21:1；
(5)将步骤(4)制得的管状物D进行冷冻干燥后套在外径为5mm，转速为120rpm的滚筒Z上作为静电纺丝接收装置，在与步骤(1)相同的纺丝液及静电纺丝工艺下，包覆一层微纳米纤维膜(厚度为0.05mm)，制得微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管。
制得的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，内径为5mm，由内至外分为4层；第1层为微纳米纤维膜(管状物A)，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为600nm；第2层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第一次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为600nm，且第2层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为纵行取向(微纳米纤维的轴向与输尿管轴向的平均夹角为41°)；第3层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第二次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为600nm，且第3层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为环形取向(微纳米纤维的轴向与输尿管周向的平均夹角为41°)；第4层为微纳米纤维膜，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为600nm；
该微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的拉伸断裂强度为0.3MPa，断裂伸长率为60％，耐静水压为700mmH2O。
实施例3
一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，具体步骤如下：
(1)将重均分子量为8万的聚乙丙交酯颗粒溶于溶液(体积比为7:3的二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺混合溶液)中制备质量分数为14wt％的纺丝液，搅拌均匀后，采用静电纺丝机进行静电纺丝，在一定的静电纺丝工艺下，且以外径5mm、转速为130rpm的滚筒X作为接收装置制得管状物A(厚度为0.3mm)；其中，静电纺丝工艺的纺丝参数：进料速度为1ml/h，电源电压为15kV，纺丝接收距离为15cm，针头内径为0.5mm；
(2)在与步骤(1)相同的纺丝液及静电纺丝工艺下，再以外径为7cm，转速为1200rpm的滚筒Y作为接收装置接收微纳米纤维时，接收纳米纤维的同时添加海藻酸钠粉末(水凝胶前驱体)制得厚度为0.55mm的片状的取向电纺膜；其中，海藻酸钠粉末添加量为微纳米纤维的200wt％；
(3)按照方向1将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第一次卷绕到管状物A表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物B；再按照方向2将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第二次卷绕到管状物B表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物C；
方向1是使步骤(2)制得的取向电纺膜的纵向与管状物A轴向一致；方向2是使步骤(2)制得的取向电纺膜的横向与管状物B轴向一致；取向电纺膜的横向是指制备取向电纺膜时滚筒Y的轴向；取向电纺膜的纵向是指与取向电纺膜的横向垂直的方向；
(4)将步骤(3)制得的管状物C浸没于浓度为0.15wt％的含氯化钙的水溶液中，海藻酸钠粉末吸水膨胀形成水合物，海藻酸钠粉末吸水膨胀后体积增长为2150％，且在交联剂的作用下进一步形成含水量为96wt％的水凝胶，水凝胶通过氢键和范德华力固化微纳米纤维三维网络，得到由微纳米纤维三维网络和水凝胶网络构成的微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络，制得管状物D；其中，微纳米纤维三维网络是由长径比为12000的微纳米纤维构建且超过99％的纤维呈单分散状态的自锁三维网络；自锁三维网络是指三维网络在拉伸条件下，随着拉伸应变的增加，拉伸模量增加，直至断裂；单分散状态是指纤维之间不完全并列重叠的状态；微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中，微纳米纤维三维网络的体积与其中所有微纳米纤维体积和之比为21.5:1；
(5)将步骤(4)制得的管状物D进行冷冻干燥后套在外径为5mm，转速为130rpm的滚筒Z上作为静电纺丝接收装置，在与步骤(1)相同的纺丝液及静电纺丝工艺下，包覆一层微纳米纤维膜(厚度为0.07mm)，制得微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管。
制得的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，内径为5mm，由内至外分为4层；第1层为微纳米纤维膜(管状物A)，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为200nm；第2层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第一次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为200nm，且第2层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为纵行取向(微纳米纤维的轴向与输尿管轴向的平均夹角为39°)；第3层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第二次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为200nm，且第3层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为环形取向(微纳米纤维的轴向与输尿管周向的平均夹角为39°)；第4层为微纳米纤维膜，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为200nm；
该微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的拉伸断裂强度为0.4MPa，断裂伸长率为55％，耐静水压为750mmH2O。
实施例4
一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，具体步骤如下：
(1)将重均分子量为12万的聚羟基乙酸颗粒溶于溶液(体积比为7:3的二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺混合溶液)中制备质量分数为16wt％的纺丝液，搅拌均匀后，采用静电纺丝机进行静电纺丝，在一定的静电纺丝工艺下，以外径5mm、转速为140rpm的滚筒X作为接收装置制得管状物A(厚度为0.3mm)；其中，静电纺丝工艺的纺丝参数：进料速度为3ml/h，电源电压为20kV，纺丝接收距离为22cm，针头内径为0.7mm；
(2)在与步骤(1)相同的纺丝液及静电纺丝工艺下，再以外径为7.5cm，转速为1400rpm的滚筒Y作为接收装置接收微纳米纤维时，接收纳米纤维的同时添加透明质酸粉末(水凝胶前驱体)制得厚度为0.6mm的片状的取向电纺膜；其中，透明质酸粉末添加量为微纳米纤维的300wt％；
(3)按照方向1将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第一次卷绕到管状物A表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物B；再按照方向2将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第二次卷绕到管状物B表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物C；
方向1是使步骤(2)制得的取向电纺膜的纵向与管状物A轴向一致；方向2是使步骤(2)制得的取向电纺膜的横向与管状物B轴向一致；取向电纺膜的横向是指制备取向电纺膜时滚筒Y的轴向；取向电纺膜的纵向是指与取向电纺膜的横向垂直的方向；
(4)将步骤(3)制得的管状物C浸没于浓度为0.15wt％的戊二醛的水溶液中，透明质酸粉末吸水膨胀形成水合物，透明质酸粉末吸水膨胀后体积增长为2200％，且在交联剂的作用下进一步形成含水量为96.5wt％的水凝胶，水凝胶通过氢键和范德华力固化微纳米纤维三维网络，得到由微纳米纤维三维网络和水凝胶网络构成的微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络，制得管状物D；其中，微纳米纤维三维网络是由长径比为13000的微纳米纤维构建且超过99％的纤维呈单分散状态的自锁三维网络；自锁三维网络是指三维网络在拉伸条件下，随着拉伸应变的增加，拉伸模量增加，直至断裂；单分散状态是指纤维之间不完全并列重叠的状态；微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中，微纳米纤维三维网络的体积与其中所有微纳米纤维体积和之比为22:1；
(5)将步骤(4)制得的管状物D进行冷冻干燥后套在外径为5mm，转速为140rpm的滚筒Z上作为静电纺丝接收装置，在与步骤(1)相同的纺丝液及静电纺丝工艺下，包覆一层微纳米纤维膜(厚度为0.07mm)，制得微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管。
制得的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，内径为5mm，由内至外分为4层；第1层为微纳米纤维膜(管状物A)，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为2μm；第2层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第一次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为2μm，且第2层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为纵行取向(微纳米纤维的轴向与输尿管轴向的平均夹角为35°)；第3层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第二次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为2μm，且第3层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为环形取向(微纳米纤维的轴向与输尿管周向的平均夹角为35°)；第4层为微纳米纤维膜，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为2μm；
该微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的拉伸断裂强度为0.6MPa，断裂伸长率为50％，耐静水压为800mmH2O。
实施例5
一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，具体步骤如下：
(1)将重均分子量为16万的聚己内酯颗粒溶于溶液(体积比为7:3的二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺混合溶液)中制备质量分数为17wt％的纺丝液，搅拌均匀后，采用静电纺丝机进行静电纺丝，在一定的静电纺丝工艺下，以外径6mm、转速为150rpm的滚筒X作为接收装置制得管状物A(厚度为0.4mm)；其中，静电纺丝工艺的纺丝参数：进料速度为1ml/h，电源电压为10kV，纺丝接收距离为12cm，针头内径为0.5mm；
(2)在与步骤(1)相同的纺丝液及静电纺丝工艺下，再以外径为8cm，转速为1600rpm的滚筒Y作为接收装置接收微纳米纤维时，接收纳米纤维的同时添加明胶粉末(水凝胶前驱体)制得厚度为0.65mm的片状的取向电纺膜；其中，明胶粉末添加量为微纳米纤维的400wt％；
(3)按照方向1将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第一次卷绕到管状物A表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物B；再按照方向2将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第二次卷绕到管状物B表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物C；
方向1是使步骤(2)制得的取向电纺膜的纵向与管状物A轴向一致；方向2是使步骤(2)制得的取向电纺膜的横向与管状物B轴向一致；取向电纺膜的横向是指制备取向电纺膜时滚筒Y的轴向；取向电纺膜的纵向是指与取向电纺膜的横向垂直的方向；
(4)将步骤(3)制得的管状物C浸没于浓度为0.2wt％的含氯化钙的水溶液中，明胶粉末吸水膨胀形成水合物，明胶粉末吸水膨胀后体积增长为2250％，且在交联剂的作用下进一步形成含水量为97wt％的水凝胶，水凝胶通过氢键和范德华力固化微纳米纤维三维网络，得到由微纳米纤维三维网络和水凝胶网络构成的微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络，制得管状物D；其中，微纳米纤维三维网络是由长径比为15000的微纳米纤维构建且超过99％的纤维呈单分散状态的自锁三维网络；自锁三维网络是指三维网络在拉伸条件下，随着拉伸应变的增加，拉伸模量增加，直至断裂；单分散状态是指纤维之间不完全并列重叠的状态；微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中，微纳米纤维三维网络的体积与其中所有微纳米纤维体积和之比为22.5:1；
(5)将步骤(4)制得的管状物D进行冷冻干燥后套在外径为6mm，转速为150rpm的滚筒Z上作为静电纺丝接收装置，在与步骤(1)相同的纺丝液及静电纺丝工艺下，包覆一层微纳米纤维膜(厚度为0.1mm)，制得微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管。
制得的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，内径为5mm，由内至外分为4层；第1层为微纳米纤维膜(管状物A)，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为300nm；第2层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第一次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为300nm，且第2层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为纵行取向(微纳米纤维的轴向与输尿管轴向的平均夹角为31°)；第3层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第二次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为300nm，且第3层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为环形取向(微纳米纤维的轴向与输尿管周向的平均夹角为31°)；第4层为微纳米纤维膜，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为300nm；
该微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的拉伸断裂强度为0.7MPa，断裂伸长率为45％，耐静水压为900mmH2O。
实施例6
一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，具体步骤如下：
(1)将重均分子量为18万的聚乙丙交酯颗粒溶于溶液(体积比为7:3的二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺混合溶液)中制备质量分数为19wt％的纺丝液，搅拌均匀后，采用静电纺丝机进行静电纺丝，在一定的静电纺丝工艺下，以外径6mm、转速为180rpm的滚筒X作为接收装置制得管状物A(厚度为0.4mm)；其中，静电纺丝工艺的纺丝参数：进料速度为4ml/h，电源电压为20kV，纺丝接收距离为25cm，针头内径为0.7mm；
(2)在与步骤(1)相同的纺丝液及静电纺丝工艺下，再以外径为8.3cm，转速为1800rpm的滚筒Y作为接收装置接收微纳米纤维时，接收纳米纤维的同时添加壳聚糖粉末(水凝胶前驱体)制得厚度为0.7mm的片状的取向电纺膜；其中，壳聚糖粉末添加量为微纳米纤维的450wt％；
(3)按照方向1将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第一次卷绕到管状物A表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物B；再按照方向2将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第二次卷绕到管状物B表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物C；
方向1是使步骤(2)制得的取向电纺膜的纵向与管状物A轴向一致；方向2是使步骤(2)制得的取向电纺膜的横向与管状物B轴向一致；取向电纺膜的横向是指制备取向电纺膜时滚筒Y的轴向；取向电纺膜的纵向是指与取向电纺膜的横向垂直的方向；
(4)将步骤(3)制得的管状物C浸没于浓度为0.2wt％含戊二醛的水溶液中，壳聚糖粉末吸水膨胀形成水合物，壳聚糖粉末吸水膨胀后体积增长为2300％，且在交联剂的作用下进一步形成含水量为97.5wt％的水凝胶，水凝胶通过氢键和范德华力固化微纳米纤维三维网络，得到由微纳米纤维三维网络和水凝胶网络构成的微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络，制得管状物D；其中，微纳米纤维三维网络是由长径比为20000的微纳米纤维构建且超过99％的纤维呈单分散状态的自锁三维网络；自锁三维网络是指三维网络在拉伸条件下，随着拉伸应变的增加，拉伸模量增加，直至断裂；单分散状态是指纤维之间不完全并列重叠的状态；微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中，微纳米纤维三维网络的体积与其中所有微纳米纤维体积和之比为23:1；
(5)将步骤(4)制得的管状物D进行冷冻干燥后套在外径为6mm，转速为180rpm的滚筒Z上作为静电纺丝接收装置，在与步骤(1)相同的纺丝液及静电纺丝工艺下，包覆一层微纳米纤维膜(厚度为0.1mm)，制得微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管。
制得的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，内径为6mm，由内至外分为4层；第1层为微纳米纤维膜(管状物A)，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为4μm；第2层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第一次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为4μm，且第2层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为纵行取向(微纳米纤维的轴向与输尿管轴向的平均夹角为24°)；第3层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第二次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为4μm，且第3层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为环形取向(微纳米纤维的轴向与输尿管周向的平均夹角为24°)；第4层为微纳米纤维膜，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为4μm；
该微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的拉伸断裂强度为0.8MPa，断裂伸长率为40％，耐静水压为950mmH2O。
实施例7
一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，具体步骤如下：
(1)将重均分子量为20万的聚对二氧环己酮颗粒溶于溶液(体积比为7:3的二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺混合溶液)中制备质量分数为20wt％的纺丝液，搅拌均匀后，采用静电纺丝机进行静电纺丝，在一定的静电纺丝工艺下，以外径6mm、转速为200rpm的滚筒X作为接收装置制得管状物A(厚度为0.4mm)；其中，静电纺丝工艺的纺丝参数：进料速度为1ml/h，电源电压为15kV，纺丝接收距离为15cm，针头内径为0.5mm；
(2)在与步骤(1)相同的纺丝液及静电纺丝工艺下，再以外径为9cm，转速为2000rpm的滚筒Y作为接收装置接收微纳米纤维时，接收纳米纤维的同时添加水凝胶前驱体制得厚度为0.75mm的片状的取向电纺膜；其中，水凝胶前驱体为质量比为1:1的明胶粉末和透明质酸粉末的混合物，水凝胶前驱体添加量为微纳米纤维的500wt％；
(3)按照方向1将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第一次卷绕到管状物A表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物B；再按照方向2将步骤(2)制得的片状的取向电纺膜第二次卷绕到管状物B表面，卷绕的圈数为2圈，得到管状物C；
方向1是使步骤(2)制得的取向电纺膜的纵向与管状物A轴向一致；方向2是使步骤(2)制得的取向电纺膜的横向与管状物B轴向一致；取向电纺膜的横向是指制备取向电纺膜时滚筒Y的轴向；取向电纺膜的纵向是指与取向电纺膜的横向垂直的方向；
(4)将步骤(3)制得的管状物C浸没于浓度为0.2wt％的含氯化钙的水溶液中，水凝胶前驱体吸水膨胀形成水合物，水凝胶前驱体吸水膨胀后体积增长为2350％，且在交联剂的作用下进一步形成含水量为98wt％的水凝胶，水凝胶通过氢键和范德华力固化微纳米纤维三维网络，得到由微纳米纤维三维网络和水凝胶网络构成的微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络，制得管状物D；其中，微纳米纤维三维网络是由长径比为30000的微纳米纤维构建且超过99％的纤维呈单分散状态的自锁三维网络；自锁三维网络是指三维网络在拉伸条件下，随着拉伸应变的增加，拉伸模量增加，直至断裂；单分散状态是指纤维之间不完全并列重叠的状态；微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中，微纳米纤维三维网络的体积与其中所有微纳米纤维体积和之比为23.5:1；
(5)将步骤(4)制得的管状物D进行冷冻干燥后套在外径为6mm，转速为200rpm的滚筒Z上作为静电纺丝接收装置，在与步骤(1)相同的纺丝液及静电纺丝工艺下，包覆一层微纳米纤维膜(厚度为0.1mm)，制得微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管。
制得的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，内径为6mm，由内至外分为4层；第1层为微纳米纤维膜(管状物A)，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为200nm；第2层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第一次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为200nm，且第2层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为纵行取向(微纳米纤维的轴向与输尿管轴向的平均夹角为15°)；第3层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络(第二次卷绕的取向电纺膜)，微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的微纳米纤维的平均直径为200nm，且第3层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为环形取向(微纳米纤维的轴向与输尿管周向的平均夹角为15°)；第4层为微纳米纤维膜，微纳米纤维膜中的微纳米纤维的平均直径为200nm；
该微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的拉伸断裂强度为0.9MPa，断裂伸长率为30％，耐静水压为1000mmH2O。

Claims (10)

1.一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，其特征是：由内至外分为4层；
第1层与第4层为微纳米纤维膜，第2层和第3层为微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络；
第2层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为纵行取向，第3层中微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络的微纳米纤维三维网络为环形取向；
所述纵行取向是指微纳米纤维三维网络中的微纳米纤维的轴向与输尿管轴向的平均夹角为15～45°，所述环形取向是指微纳米纤维三维网络中的微纳米纤维的轴向与输尿管周向的平均夹角为15～45°；
微纳米纤维三维网络是由高长径比的微纳米纤维构建且超过99％的纤维呈单分散状态的自锁三维网络；所述自锁三维网络是指三维网络在拉伸条件下，随着拉伸应变的增加，拉伸模量增加，直至断裂；所述高长径比是指长径比大于10000；所述单分散状态是指纤维之间不完全并列重叠的状态；
所述微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中，微纳米纤维三维网络的体积与其中所有微纳米纤维体积和之比大于20:1。
2.根据权利要求1所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，其特征在于，所述微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络中的水凝胶由微纳米纤维三维网络中负载的水凝胶前驱体形成。
3.根据权利要求1所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，其特征在于，所述4层中每一层微纳米纤维的直径范围均为100nm～10μm。
4.根据权利要求1所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，其特征在于，输尿管的内径为5～7mm；第1层的厚度为0.2～0.4mm；第2层和第3层的厚度均为0.8～1.5mm，第4层的厚度为0.05～0.1mm。
5.根据权利要求1所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，其特征在于，第1层至第4层中的微纳米纤维的材质均为聚乳酸、聚己内酯、聚乙丙交酯、聚羟基乙酸或者聚对二氧环己酮。
6.根据权利要求1所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管，其特征在于，微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的拉伸断裂强度为0.1～1MPa，断裂伸长率为30～80％，耐静水压大于500mmH2O。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，其特征是包括如下步骤：
(1)在静电纺丝工艺I下，且以外径5～7mm的滚筒X作为接收装置制得管状物A；
(2)先按照方向1将片状的取向电纺膜第一次卷绕到管状物A表面得到管状物B；再按照方向2将片状的取向电纺膜第二次卷绕到管状物B表面得到管状物C；
片状的取向电纺膜是在静电纺丝工艺II下，且以滚筒Y作为接收装置接收微纳米纤维时添加水凝胶前驱体制得；所述水凝胶前驱体吸水膨胀后体积增长大于2000％；
方向1是使取向电纺膜的纵向与管状物A轴向一致；方向2是使取向电纺膜的横向与管状物B轴向一致；取向电纺膜的横向是指制备取向电纺膜时滚筒Y的轴向；取向电纺膜的纵向是指与取向电纺膜的横向垂直的方向；
(3)使管状物C中的水凝胶前驱体膨胀，制得管状物D；
(4)将管状物D进行冷冻干燥后套在滚筒Z上作为静电纺丝接收装置，进行静电纺丝包覆一层微纳米纤维膜，制得微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管。
8.根据权利要求7所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，其特征在于，滚筒X的转速为10～200rpm；滚筒Y的外径大于6cm，滚筒Y的转速为800～2000rpm；第一次卷绕的圈数为2圈；第二次卷绕的圈数为2圈；滚筒Z的转速为10～200rpm，滚筒Z的外径为5～7mm。
9.根据权利要求7所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，其特征在于，所述片状的取向电纺膜中，水凝胶前驱体添加量为微纳米纤维的100～500wt％；管状物D中的水凝胶的含水量大于95wt％。
10.根据权利要求7所述的一种微纳米纤维-水凝胶组织工程输尿管的制备方法，其特征在于，使管状物C中的水凝胶前驱体膨胀是指：将管状物C浸渍到过量含交联剂的水溶液中，水凝胶前驱体吸水膨胀形成水合物，且在交联剂的作用下进一步形成水凝胶，水凝胶通过氢键和范德华力固化微纳米纤维三维网络，得到微纳米纤维-水凝胶互穿三维网络。
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