CN114832162B - 一种基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，包括：(1)将一定量的聚氨酯透明原料颗粒溶于溶剂中，室温下连续搅拌形成纺丝原液；(2)纺丝原液在纺丝前通过自转公转搅拌机脱泡；(3)采用干喷湿纺法，通过搭建的纺丝设备制备双层聚氨酯管状支架；(4)纺丝结束后，获得的管状支架在甘油水溶液中浸泡，然后将获得的支架干燥。本发明通过干喷湿纺技术一体化制备双层血管，该血管结合高弹性聚氨酯和高强度聚氨酯材料的优势，赋予支架低压下内径快速增大和高压下内径增幅变小的行为，获得与天然血管一致的P‑D“J”型曲线关系，同时调整支架的结构和力学性能可获得不同顺应性的人工血管以匹配不同部位的动脉。

Description

一种基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法
技术领域
本发明属于人工血管制备领域，尤其是涉及一种基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法。
背景技术
动脉粥样硬化是一种特定类型的心血管疾病。目前用于治疗血管系统疾病的外科干预手术包括血管成形术、支架植入和旁路移植术等。然而至少三分之一的患者由于供体部位的发病率、尺寸不匹配、血管疾病造成的无法获取自体血管和重复手术带来的血管损伤等限制而无法使用自体血管。因此，开发与天然血管具有相似形态、力学和生物学特性的人工血管显得尤为重要。临床上可用的人工血管用于小口径血管移植时，较慢的血液流速容易引起血小板、蛋白质等血液成分在内表面积累最终形成血栓等，影响长期通畅率。此外，人工管血管与天然组织之间巨大的机械性能差异是制约小口径血管支架开发的另一大挑战。因此，需要通过寻求新材料和新设计方法来克服现有合成聚合物材料小口径人工血管的不足，藉以促进血管的原位再生。
尽管载细胞的组织工程支架也被探索用于动脉置换，然而自体细胞来源和支架成熟必须的较长培养周期导致其无法广泛应用。原位组织工程是一种有前途的替代方法，即植入一个没有细胞的支架，并提供理想生物力学性能和生理线索来指导宿主内功能性血管移植的重建。现阶段临床上应用最广泛的PET、ePTFE人工血管由于材料均存在弹性和柔韧性差、疏水性强、生物相容性不足等缺陷，无法满足小口径人工血管的临床要求。由软、硬分子段交替连接组成的聚氨酯材料(PU)不仅具有优良的生物相容性和力学性能，由其制备的人造血管还可以快速实现内皮化，从而使得应用时体内通畅率显著提高，在人造血管领域越来越引起人们的关注。
干喷湿纺法是一种典型的相转化工艺，其制造效率高、处理速度快、工艺参数易于调控，被广泛应用于管状支架的制造。干喷湿纺法制备的中空管状结构由于具有比表面积大、渗透速度快、重量轻、选择性渗透好、吸附能力强等诸多优点，已广泛应用于气体分离、废水处理、能源储存、生物燃料生产、渗透汽化等领域。此外，得益于其典型的非对称性和多孔结构，中空管状结构也生物和再生医学领域获得应用，例如作为生物反应器来培养目标细胞、组织和器官；或者直接用作管状组织工程支架以支持细胞生长和组织再生，实现目标器官的功能替代。支架的微观孔隙结构会影响对氧气、营养物质、代谢产物、纤维组织等成分的选择渗透性，也会改变支架的力学性能，而调整纺丝工艺参数可以改变支架的形貌和微观结构从而实现力学性能的调整。
但迄今为止，尚无采用干喷湿纺技术制备基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的报道。
发明内容
本发明提供了一种基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，可以制备出高强度聚氨酯外层和高弹性聚氨酯内层组成的能匹配天然血管顺应性特征的不同尺寸双层人工血管支架。
一种基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，包括以下步骤：
(1)将一定量的聚氨酯(PU)透明原料颗粒溶于溶剂中，在室温下连续搅拌直至形成均匀的聚合物溶液；将聚氨酯质量分数为18-25％的聚合物溶液作为外层纺丝原液，聚氨酯质量分数为10-17％的聚合物溶液作为内层纺丝原液；
(2)将外层纺丝原液和内层纺丝原液通过搅拌机脱泡；
(3)搭建纺丝设备，所述的纺丝设备包括喷丝头以及和喷丝头配合连接的三个进样针，所述的喷丝头包括从外向内依次套设的外喷口、中针管和内针管；
采用干喷湿纺法进行纺丝，将内层纺丝原液、外层纺丝原液和纺丝芯液分别装入进样针；将三个进样针分别安装于注射泵上且出口通过软管与喷丝头连接；外层纺丝原液、内层纺丝原液和纺丝芯液在注射泵的控制下以一定的流速分别从喷丝头的外喷口、中针管和内针管通道中挤出；经过一段空气后进入凝固浴，最终凝固成双层聚氨酯管状支架；
(4)纺丝结束后，将获得的双层聚氨酯管状支架在甘油水溶液中浸泡，然后将获得的支架干燥，得到双层小口径人工血管。
可选择地，步骤(1)中，所述的溶剂采用二甲基亚砜(DMSO)。
优选地，聚氨酯质量分数为20％的聚合物溶液作为外层纺丝原液，聚氨酯质量分数为15％的聚合物溶液作为内层纺丝原液。
优选地，步骤(2)中，搅拌机脱泡时间为1-2h。
优选地，步骤(3)中，喷丝头的内针管内径为0.8mm，外径为1.1mm；中针管的内径为2.6mm，外径为2.9mm；外喷口的内径为3.5mm。
优选地，外层纺丝原液的流速为1.6-2ml/min；内层纺丝原液的流速为2-2.4ml/min；纺丝芯液的流速为3.2-4.8ml/min。
优选地，进行纺丝过程中，保持内层纺丝原液、外层纺丝原液和纺丝芯液的温度为33～37℃，进一步优选为35℃。
优选地，外喷口、中针管和内针管的出口与凝固浴之间的间距为1-4cm，进一步优选为3cm。
优选地，纺丝芯液和凝固浴均采用水。
优选地，干喷湿纺法的纺丝的收集方式为自由下落。
优选地，步骤(4)中，甘油水溶液的体积分数为25％；浸泡时间为24h，干燥方式是冻干，干燥时间为8h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用干喷湿纺法来实现所设计的聚氨酯双层管状支架的一体化成型制备，一方面简化支架的制造工艺过程，另一方面通过调节工艺参数可以保证两层的同轴度和层间结合强度，同时光滑内表面有助于消除对血流动力学的影响。
2、本发明中，双层聚氨酯人工血管的设计同时发挥两种类型聚氨酯材料弹性和强度的优势，随着管腔内部压力的增加，由于高强度外层的限制，高弹性聚氨酯内层逐渐被压缩，支架内径逐渐增大，直到达到压缩极限后，在高压条件下两层结构一起扩张。这种双层结构设计不仅不会带来对支架弯曲性能和血流动力学的影响，通过内外层材料模量的差异还可以赋予支架低压下内径快速增大和高压下内径增幅变小的行为，获得天然血管一致的P-D“J”型曲线关系，同时调整支架的结构和力学性能可以获得不同顺应性的人工血管以匹配不同部位的动脉。这种具有很好顺应性匹配性能的组织工程血管的制备为发展小口径血管支架提供了一种简单而有效的制备技术思路。
附图说明
图1为本发明中利用搭建的纺丝设备进行纺丝的示意图；
图2为实施例1制备的人工血管支架的微观结构及表面形貌的电镜图；
图3为实施例2的双层支架的力学性能；
图4为实施例2的不同纺丝溶液流速制备的PU双层血管支架的尺寸及横截面形貌。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，搭建纺丝设备，包括喷丝头1以及和喷丝头1配合连接的三个进样针，分别为用于装外层纺丝原液的第一进样针11，装内层纺丝原液的第二进样针12，以及装纺丝芯液的第三进样针13。喷丝头1包括从外向内依次套设的外喷口21、中针管22和内针管23。
采用干喷湿纺法进行纺丝过程中，将外层纺丝原液、内层纺丝原液和纺丝芯液分别装入第一进样针11、第二进样针12和第三进样针13；将三个进样针分别安装于注射泵上且出口通过软管与喷丝头1连接；外层纺丝原液、内层纺丝原液和纺丝芯液在注射泵的控制下以一定的流速分别从喷丝头的外喷口21、中针管22和内针管23通道中挤出；经过一段空气后进入凝固浴24，最终凝固成双层聚氨酯管状支架。在具体操作过程中，可根据需要制备单层或双层支架，如需制备单层支架，只在第二进样针12中装入外层纺丝原液或内层纺丝原液，在第三进样针13中装入纺丝芯液即可。
一种基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备外层纺丝原液，将40g的型号为75D的聚氨酯(PU)透明原料颗粒分散在160ml的二甲基亚砜(DMSO)中，室温下连续搅拌8小时直至形成均匀的聚合物溶液(75D20)，浓度为20％；
(2)制备内层纺丝原液，将30g的型号为65A的聚氨酯(PU)透明原料颗粒分散在170ml的二甲基亚砜(DMSO)中，室温下连续搅拌8小时直至形成均匀的聚合物溶液(65A15)，浓度为15％。
(3)将(1)和(2)制备的纺丝原液在纺丝前通过自转公转搅拌机脱泡1小时。
(4)用干喷湿纺技术来制造血管支架，外层用(1)制备的纺丝原液，内层用(2)制备的纺丝原液，纺丝芯液用水。
本实施例中，内外层纺丝原液及纺丝芯液的流速见下表1，其中Qo、Qi、Qb分别为外层纺丝原液、内层纺丝原液和纺丝芯液的流速，单位为ml/min。
表1
Figure BDA0003651832470000061
(5)纺丝结束后，获得的管状支架在25％的甘油水溶液中甘油水溶液中浸泡24h，冻干8h。
如图2所示，为本实施例制备的人工血管支架的微观结构及表面形貌的电镜图，可以看出，单独65A PU材料制备的单层管状支架由于材料太软，无法实现自支撑，自然未受外力情况下仍然表现出坍塌的外形；而含有75D材料的单、双层支架均能呈现规则的圆管形状且结构保持性好，较强的径向支撑力有助于保持管腔的开放性。用镊子沿着血管支架的周向拉伸发现单、双层支架均具备较好的延展性能。此外，双层支架的内外表面均呈现光滑的表面形态，并且内表面上离散分布有微米级别的孔隙结构，而外表面则更厚更致密，具有纳米级别的表面孔隙结构。在显微镜下观察支架横截面发现所有支架壁厚均匀，且双层支架呈现明显的内外两层结构，且两层紧密结合为一体，并未发生分层现象。从支架横截面的SEM图中可以看出，由于使用不同的内外层材料，其内层与外层相比孔隙更大，内表皮层比外表皮层更薄。总的来说，所制备的PU双层血管支架具有开放的相互连通的微孔结构，有助于促进细胞营养物质扩散和代谢产物的释放；支架能够自支撑，以保证使用过程中官腔的开放，且光滑的表面结构避免了现有纺织结构人工血管波纹化处理(增加血管保形性)造成的褶皱内壁引起的血液湍流流动模式，降低了血栓风险；支架内表面微米级别的孔隙结构能提供合适的物理表面形态以调控相关蛋白吸附和细胞行为。
测试制备的双层小口径人工血管的轴向拉伸强度、杨氏模型、断裂伸长率、周向拉伸强度、缝线保留强度、破裂强度。结果如图3所示，可以看出，不同工艺参数制备的双层支架表现出不一致的拉伸行为，这是由于支架的不同尺寸造成的，由于内层材料较软，双层支架的力学强度更依赖于外层结构，因此，改变支架外层的厚度可以显著调节支架的力学性能。无论如何，双层支架的轴向拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率均超过1MPa，4.5MPa和140％，与人体冠状动脉的拉伸强度(1.40～11.14MPa)和断裂延伸率(45～99％)相当，揭示所制备的PU双层支架体内应用时可以提供足够的支撑以维持结构，平衡血管回路中血流动力和支持血管组织的原位再生。同理，双层支架的周向拉伸强度也因为支架壁厚的不同而有所差异。双层支架的缝线保留强度与人体隐静脉(1.81±0.02N)相当且高于人乳内动脉(1.40±0.01N)[186]，揭示所制备的双层血管支架足以支持手术缝合操作。对于破裂强度，虽然随壁厚的变化而有所不同，但所有血管支架的破裂强度均达到了0.9MPa以上，超过人乳内动脉(0.43±0.17MPa)和人体隐静脉(0.21±0.12MPa)，揭示双层支架的破裂强度满足体内植入的要求。总的来说，所制备的PU双层支架具备与人体血管相似或更优异的力学性能，能够满足手术移植需求和承受移植后血液冲击造成的收缩和扩展力。
如图4所示，为本实施例不同纺丝溶液流速制备的PU双层血管支架的尺寸及横截面形貌，可以看出当内外层纺丝原液流速不变时，随着纺丝芯液流速增大，双层血管支架的内、外径变大，壁厚和内外层层厚变薄，且内层层厚减小量比外层层厚的变化多(比较DL1和DL3，DL2和DL4)；当外层纺丝原液和纺丝芯液流速不变时，随着内层纺丝原液流速的增大，支架内、外径变小，外层层厚减小，内层层厚增大，壁厚轻微增大(比较DL3和DL4)；当内层纺丝原液和纺丝芯液流速不变时，随着外层纺丝原液流速的减小，支架外径、壁厚、内外层层厚均减小，内径轻微增大。总体上看，调整纺丝溶液流速可以获得不同尺寸和内外层厚度的双层血管支架，即通过改变纺丝工艺参数可以实现双层支架尺寸和结构的定制。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚氨酯透明原料颗粒溶于溶剂中，在室温下连续搅拌直至形成均匀的聚合物溶液；
将型号为75D的聚氨酯质量分数为18-25％的聚合物溶液作为外层纺丝原液，将型号为65A的聚氨酯质量分数为10-17％的聚合物溶液作为内层纺丝原液；
(2)将外层纺丝原液和内层纺丝原液通过搅拌机脱泡；
(3)搭建纺丝设备，所述的纺丝设备包括喷丝头以及和喷丝头配合连接的三个进样针，所述的喷丝头包括从外向内依次套设的外喷口、中针管和内针管；
采用干喷湿纺法进行纺丝，将内层纺丝原液、外层纺丝原液和纺丝芯液分别装入进样针；将三个进样针分别安装于注射泵上且出口通过软管与喷丝头连接；外层纺丝原液、内层纺丝原液和纺丝芯液在注射泵的控制下以一定的流速分别从喷丝头的外喷口、中针管和内针管通道中挤出；经过一段空气后进入凝固浴，最终凝固成双层聚氨酯管状支架；
(4)纺丝结束后，将获得的双层聚氨酯管状支架在甘油水溶液中浸泡，然后将获得的支架干燥，得到双层小口径人工血管。
2.根据权利要求1所述的基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的溶剂采用二甲基亚砜。
3.根据权利要求1所述的基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，搅拌机脱泡时间为1-2h。
4.根据权利要求1所述的基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，喷丝头的内针管内径为0.8mm，外径为1.1mm；中针管的内径为2.6mm，外径为2.9mm；外喷口的内径为3.5mm。
5.根据权利要求1所述的基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，外层纺丝原液的流速为1.6-2ml/min；内层纺丝原液的流速为2-2.4ml/min；纺丝芯液的流速为3.2-4.8ml/min。
6.根据权利要求1所述的基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，进行纺丝时，保持内层纺丝原液、外层纺丝原液和纺丝芯液的温度为33～37℃。
7.根据权利要求1所述的基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，外喷口、中针管和内针管的出口与凝固浴之间的间距为1-4cm。
8.根据权利要求1所述的基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，纺丝芯液和凝固浴均采用水。
9.根据权利要求1所述的基于顺应性匹配的双层小口径人工血管的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，甘油水溶液的体积分数为25％；浸泡时间为24h，干燥方式是冻干，干燥时间为8h。
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