CN114870095A - 一种表面具有各向异性纳米拓扑结构的组织工程移植物构建方法 - Google Patents

一种表面具有各向异性纳米拓扑结构的组织工程移植物构建方法 Download PDF

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Abstract

一种表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程移植物构建方法，通过静电纺丝技术与微纳加工‑模塑法相结合来制备；1)采用静电纺丝技术将天然材料溶液平行电纺到可旋转的圆筒状金属箔片上，获得有取向性平行排列的单层纳米级纤维薄膜；2)将圆筒状金属箔片摊开直接作为二维平面模具或金属箔片卷曲成纳米纤维在内壁的管状结构作为模具，将PDMS浇筑到二维平面模具上或导管模具内；3)将固化成型后的PDMS表面的纳米纤维溶解掉，获得PDMS模具；利用模具生物材料溶液制备材料。本发明方法简单，容易实现，纳米拓扑结构制备重复性好，尺寸可控。适合大规模批量生产和制造。

Description

一种表面具有各向异性纳米拓扑结构的组织工程移植物构建 方法
技术领域
本发明属于组织工程和再生医学可植入人体中的医用生物材料与制备领域，具体涉及一种用于可修复组织损伤的表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程支架或者内壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑几何结构的组织工程导管的制备方法。
技术背景
肌肉萎缩[1]、神经退行性[2]以及心血管疾病[3]等组织器官损伤问题严重威胁着人类的健康。因此，有效的组织器官损伤修复和再生是临床上亟待解决的问题。近年来，组织工程技术在组织损伤修复中发挥着越来越大的作用。将组织工程移植物植入体内，可以修复损伤或取代功能衰竭的组织器官。组织工程技术主要包括三个关键因素：生物材料、种子细胞和生长因子。其中生物材料作为种子细胞和生长因子的载体，是组成组织损伤修复微环境的主要结构。与其他的组织工程材料一样，组织工程移植物将生物材料、种子细胞、生长因子结合起来为组织再生提供良好的微环境。合格的组织工程移植物应模拟天然细胞外基质，促进损伤部位的愈合。然而目前临床上所应用的组织工程移植物促进细胞或组织生长的能力有限，难以调控细胞或组织的取向性生长及长距离缺损组织再生的问题。因此，需要对移植物进一步进行改性以提高其促进组织再生的能力。
越来越多的研究发现，除了材料自身及其化学成分会调控细胞生长和组织再生外，材料表面物理形貌特征(如拓扑结构等)也会对细胞和组织再生起到调控作用。移植物表面拓扑化可以提供有利于细胞生长的地形以促进细胞粘附、增殖、定向分化和迁移。天然的生理组织如肌肉等具有几何特征在空间上规律性排布的拓扑结构，其空间大小、阵列排布与其生理功能密切相关。Park等人制备了微拓扑结构来研究细胞的生物学行为，发现细胞可以感知微尺度曲率，从而抑制其细胞粘附和增殖[4]。特定的微拓扑结构限制了组织内细胞的生长和铺展的形状及面积，而组织内拓扑结构尺寸的区别，可能是调控细胞生物学行为的关键因素之一。Gu等人利用一种纳米纤维支架材料模拟天然细胞外基质，纳米纤维的表面粗糙性也提高了软骨细胞的附着和增殖，促进软骨再生[5]。细胞极化对细胞行为和组织功能具有重要的影响。Liu等人制备的微米/纳米级基底凹槽阵列通过空间约束和粘附诱导，引导细胞极化，其中微米级拓扑结构仅激活伪足的形成而使细胞极化，而纳米级凹槽则通过激活RhoA/ROCK途径以增强基于肌球蛋白的细胞内力从而抑制了染色质凝聚，促进了干细胞的成骨分化[6]。上述研究表明，纳米级拓扑结构信号能够更好的调控细胞的生物学行为和命运，从而促进组织再生。
各种物理化学加工方法例如微模塑、3D打印等能够制备支架材料表面的微米拓扑结构，而纳米拓扑结构则难以通过上述方式制备。通过将压印技术和软光刻技术相结合形成的纳米光刻压印技术可以制备出纳米尺寸图案，然而高昂的成本和对操作环境的严格要求限制了其发展和应用。静电纺丝出的纳米纤维因为能够模拟组织的细胞外基质微环境而引起广泛的关注，然而传统静电纺丝方法制备的纳米纤维支架存在着其孔隙率通常比天然的细胞外基质小的问题。并且常规静电纺丝制备出的纳米纤维为二维组织工程支架，需要通过人工卷曲成三维纳米组织工程导管。这种制备方法可重复性差，过程较为繁琐，且接合处会对导管内表面结构造成一定破坏，极大的限制了该技术在大规模制备纳米纤维微图案方面的应用。
为解决上述问题，本发明采用静电纺丝技术和微纳加工-模塑法相结合，首先制备出了具有各向异性高度取向长距离连续纳米结构的模具，然后利用模具制备出一种有利于细胞粘附和取向生长的具有各向异性长距离连续纳米结构的组织工程移植物。该移植物制备方法简单，容易实现，纳米拓扑结构制备重复性好，尺寸可控，并且该种移植物可以更好的促进长距离缺损组织再生。所制备的弹性印章可重复利用，且成本低廉，适合大规模批量生产和制造。
[1]N.R.W.Martin,K.Aguilar-Agon,G.P.Robinson,D.J.Player,M.C.Turner,S.D.Myers,M.P.Lewis,Hypoxia Impairs Muscle Function and Reduces Myotube Sizein Tissue Engineered Skeletal Muscle,J Cell Biochem 118(9)(2017)2599-2605.
[2]W.H.Chooi,S.Y.Chew,Modulation of cell-cell interactions for neuraltissue engineering:Potential therapeutic applications of cell adhesionmolecules in nerve regeneration,Biomaterials 197(2019)327-344.
[3]J.V.Serbo,S.Gerecht,Vascular tissue engineering:biodegradablescaffold platforms to promote angiogenesis,Stem Cell Res Ther 4(2013).
[4]J.Y.Park,D.H.Lee,E.J.Lee,S.H.Lee,Study of cellular behaviors onconcave and convex microstructures fabricated from elastic PDMS membranes,Labon a Chip 9(14)(2009)2043-2049.
[5]G.Cheng,J.H.Dai,J.W.Dai,H.Wang,S.Chen,Y.H.Liu,X.Y.Liu,X.R.Li,X.Zhou,H.B.Deng,Z.Li,Extracellular matrix imitation utilizing nanofibers-embedded biomimetic scaffolds for facilitating cartilage regeneration,ChemEng J 410(2021).
[6]W.Liu,Q.Sun,Z.L.Zheng,Y.T.Gao,G.Y.Zhu,Q.Wei,J.Z.Xu,Z.M.Li,C.S.Zhao,Topographic Cues Guiding Cell Polarization via Distinct CellularMechanosensing Pathways,Small 18(2)(2022).
发明内容
本发明所要解决的技术问题：根据现有研究，人工组织工程移植物表面的纳米拓扑结构对于细胞的粘附、生长、迁移具有重要意义，而常规的纳米拓扑组织工程移植物制备方法较为繁琐，且接合处会对移植物内表面结构造成一定破坏，使炎症发生的概率增加。针对上述问题，本发明致力于提供一种制备表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构并且无需缝合粘接的移植物的方法。
本发明采用如下技术方案：一种表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程移植物构建方法，是通过静电纺丝技术与微纳加工-模塑法相结合来制备。组织工程移植物表面具有连续的各向异性长距离纳米拓扑结构，这种长距离连续纳米拓扑结构有利于细胞的粘附、取向性和长距离生长。
1)采用静电纺丝技术将天然或合成生物材料溶液平行电纺到可旋转的圆筒状金属箔片上，在圆筒状金属箔片上获得有取向性平行排列的单层纳米级纤维薄膜；
2)将圆筒状金属箔片摊开直接作为二维平面模具(纳米纤维朝上)或卷曲成纳米纤维在内壁的管状结构作为模具，将PDMS聚二甲基硅氧烷浇筑到二维平面模具上或导管模具内，采用微模塑技术待聚二甲基硅氧烷固化成型后剥离金属箔片；
3)将固化成型后的PDMS表面的纳米纤维溶解掉，获得表面或外壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑图形的PDMS平面或圆柱状轴心弹性印章即平面PDMS模具；
4)表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的二维组织工程支架(组织工程移植物)的制备：将平面PDMS模具有拓扑结构的一面朝上，然后将配置好的生物材料溶液浇铸到模具表面，进一步采用冷冻干燥、溶剂挥发或水凝胶技术使生物材料溶液成型，然后将模具剥离后制备获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的二维组织工程支架；
5)内壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程导管(组织工程移植物)的制备：以圆柱状弹性印章为模具轴心，在外加同心圆形外套管，封闭其中一端，在模具轴心和外套管之间加入生物材料溶液，进一步采用冷冻干燥、溶剂挥发或水凝胶技术使生物材料溶液成型，然后将模具剥离后制备获得内壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程导管。
以及上述方法得到的组织工程移植物；所述组织工程支架移植物的表面或导管内壁具有规则取向的各向异性长距离连续纳米拓扑结构；所述各向异性长距离连续纳米拓扑结构由具有该结构的PDMS模具制备所述组织工程支架移植物，所述PDMS模具由微模塑技术和静电纺丝技术联合制备而成；所述各向异性长距离连续纳米拓扑结构的直径为20-800nm，长度为1-100mm，且纳米拓扑结构为单层平行排列分布；
所述组织工程支架或导管可由冷冻干燥、溶剂挥发、水凝胶技术制备而成；所述移植物制备方法简单，容易实现，长距离连续纳米拓扑结构制备重复性好，尺寸可控，并且在制备导管时无需对导管侧壁进行粘合加工，可简化操作并提高导管稳定性；所述的弹性印章模具可重复利用，适合大规模批量生产和制造，可显著减小样品组间差异；除去模具也可以是无损脱出、拌出等。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的制备方法制得的组织工程移植物表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构，并且具有良好的取向性，有利于细胞的粘附、生长、迁移。
本发明所用移植物制备方法可以是冷冻干燥、溶剂挥发、水凝胶技术，具体制备工艺可以根据所选用制备方法调整。制备方法制得的组织工程移植物可为支架、膜或水凝胶等不同形式。
本发明制得的各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程移植物可以按需采用天然或合成生物材料的一种或几种，亦可负载生长因子或生物活性分子。
本发明制备的组织工程移植物无需进行缝合粘接，保证了表面结构的完整性和连续性。可简化操作并提高移植物的稳定性。
本发明制备的组织工程移植物较易从PDMS模具上剥离，且内表面形貌保留完整。本发明所制备的弹性印章可重复利用，适合大规模批量生产和制造。
本发明所采用的制备方法较为简便，长距离连续纳米拓扑结构制备重复性好，尺寸可控，易于实现大批量生产。本发明制备的组织工程移植物化学性质较为稳定且生物相容性好。
本发明制备的组织工程移植物可以具有多孔的结构，有利于新生组织细胞的营养运输和与周边环境进行物质交换。
本发明制备的组织工程移植物以其独特的结构，在组织工程中如神经再生等方面具有广阔的应用前景。
本发明移植物制备方法简单，容易实现，纳米拓扑结构制备重复性好，尺寸可控，且在制备导管时无需对导管侧壁进行粘合加工，可简化操作并提高导管稳定性。所制备的弹性印章(模具结构)可重复利用及容易物理去除而不影响到制品，适合大规模批量生产和制造。
附图说明
图1为本发明实施例所述利用静电纺丝技术制备长距离纳米级纤维薄膜的示意图。
图2和图3为本发明实施例所述制备表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的平面或圆柱体PDMS弹性印章示意图。图2和图3中所制备的弹性印章可重复利用，适合大规模批量生产和制造。
图4为本发明专利所公开的一种用于调控细胞和组织生长的表面具有各向异性长距离连续纳米结构的组织工程移植物制备方法流程图。在图4中可利用冷冻干燥、溶剂挥发、水凝胶技术等不同制备方法制备出不同形式的移植物。
图5、图6与图7为本发明实施例所述不同电压下(20kV、18kV、15kV)通过静电纺丝制备的纳米纤维。图5、图6与图7中所制备的纳米纤维具有高度取向性。
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。
上述表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程移植物的制备方法具体如下：
步骤1)：将天然或合成的生物材料溶于有机溶剂中制得电纺溶液，以接收距离、电压、溶液体积、电纺时间、电纺喷射速度、滚筒转速为参数，采用静电纺丝技术平行电纺到金属箔片上，所得薄膜具有取向性较好的长距离连续纳米拓扑结构，这种长距离连续纳米拓扑结构由沟和脊组成，沟的表面为凹面，沟的宽度为20-800纳米，脊的表面为凸面，脊的宽度为100-5000纳米，沟和脊的表面之间的垂直距离为50-500纳米。
步骤2)：将步骤一中的金属箔片直接作为二维平面模具(纳米纤维朝上)或卷曲成纳米纤维在内壁的管子作为模具。将二甲基硅氧烷单体和交联剂溶液(如将单体和交联剂按照10:1比例混合)以一定比例配制固化后制得PDMS。将PDMS浇筑到二维平面模具上或导管模具内，采用微模塑技术待PDMS固化成型后剥离金属箔片。使用有机溶剂溶解PDMS表面的纤维获得表面或外壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑图形的PDMS平面和圆柱体轴心弹性印章模具。
步骤3)：将平面PDMS模具有拓扑结构的一面朝上，另一面固定到培养皿底部。然后将配置好的壳聚糖、丝素蛋白、胶原、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)等天然或合成高分子材料中的一种或几种混合溶液浇铸到模具表面。待生物材料溶液成型，然后将制备的组织工程支架在所用生物材料不可溶的溶液环境下除去模具，模具剥离后制备获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的二维组织工程支架。
步骤4)：以弹性印章为模具轴心在外加同心圆形外套管，封闭其中一端，在模具轴心和外套管之间加入生物材料溶液。待生物材料溶液成型，然后将模具和外套管在所用生物材料不可溶的溶液环境下剥离后制备获得内壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程导管。
步骤1)中的天然或高分子生物材料为壳聚糖、丝素蛋白、胶原、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)等天然或合成高分子材料中的一种或几种混合。
步骤1)中的电纺溶剂可使用六氟异丙醇、丙酮、二氯甲烷、DMF等。
金属箔片可为钛箔、铝箔、锡箔或不锈钢箔片等。
电纺的接收端为滚筒装置，电压参数范围为10-30kV，接收距离为10-30cm，电纺时间为1-60min，滚筒转速为500-6000rpm，电纺推进速度为0.05-1mL/min，所制备纤维直径为20-800纳米，长度为1-100mm，且纳米纤维为单层平行分布。由于室温、湿度等不同，可进行调整，以实际获得纤维取向性最好的参数为准。
步骤2)中所使用的二维金属箔片尺寸和金属箔片管状结构直径可调。
PDMS可由二甲基硅氧烷单体与交联剂溶液以10：1的体积比配置得到，固化时间为120min，固化温度为80℃。
使用配制纳米纤维时所用的相同溶剂将PDMS表面的纳米纤维溶解。
步骤3)中溶液浇铸要完全覆盖PDMS表面，并采用真空处理除去气泡。
步骤3、4)中可采用冷冻干燥、溶剂挥发或水凝胶技术使生物材料溶液成型。不同制备方法处理后可获得冻干多孔支架、溶剂挥发干燥成膜或水凝胶等不同形式的移植物。
步骤4)中使用的外接圆同心套管材料为聚氯乙烯、苯乙烯等耐腐蚀性透明材料。所述制备导管要在所用生物材料不可溶的溶液环境下除去模具以减小对拓扑结构的损坏。
本发明的移植物材料可以采用一种或几种天然或合成生物材料，如丝素蛋白、壳聚糖、胶原、PLA、PCL等。
本发明制得的组织工程导管内径可以为1-10mm，长度可以为10-100mm，厚度约为1mm。
所述步骤1)所使用的天然或合成生物材料为壳聚糖、丝素蛋白、胶原、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)等天然或合成高分子材料中的一种或几种混合，且材料不与PDMS溶液互溶；所述电纺的接收端为滚筒装置，电压参数范围为10-30kV，电纺时间为1-60min，滚筒转速为500-6000rpm，电纺推进速度为0.05-1mL/h；所制备纤维直径为20-800nm，长度为1-100mm，且纳米纤维为单层平行分布；
所述步骤1)中所用金属箔片可以是钛箔、铝箔、锡箔或不锈钢箔片，箔片厚度为20-500μm，箔片表面光滑，粗糙度1-5nm；
所述步骤2)中二维金属箔片上的纳米纤维朝上分布放置，卷成管状的金属箔片有纳米纤维的一面面向管内壁放置，二维金属箔片尺寸和金属箔片管状结构直径可调；
所述步骤2)中由体积比为10:1的PDMS单体和交联剂溶液配制后制得，固化时间为120min，固化温度为80℃；
所述步骤3)中溶解纳米纤维的溶液应该是配制纳米纤维时所用的相同溶剂，如六氟异丙醇(HFIP)或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等有机溶剂，且不会溶解PDMS模具，溶解时间为1-60min；所制备的各向异性长距离连续纳米拓扑结构为纳米沟脊，沟的宽度为20-800纳米，脊的宽度为100-5000纳米，沟的表面为凹面，脊的表面为凸面；
所述步骤4)中平面PDMS模具具有长距离连续纳米拓扑结构的一面向上，另一面固定到培养皿底部，所述生物材料溶液可以是壳聚糖、丝素蛋白、胶原、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)等天然或合成高分子材料中的一种或几种混合，溶液要完全覆盖PDMS表面，并采用真空处理除去气泡；所用支架制备方法可以是冷冻干燥、溶剂挥发、水凝胶技术，具体制备工艺可以根据所选用制备方法调整，所述制备支架要在所用生物材料不可溶的溶液环境下除去模具以减小对拓扑结构的损坏；
所述步骤5)中外表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的PDMS圆柱体作为模具轴心，外接套管材料为聚氯乙烯、苯乙烯等耐腐蚀性透明材料，外套管套在轴心外侧后底部固定并密封，轴心和外套管间隙为0.2-5mm，所用生物材料溶液可以是壳聚糖、丝素蛋白、胶原、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)等天然或合成高分子材料中的一种或几种混合，溶液要完全填充模具轴心和外套管之间的间隙，填充完毕后真空处理除去气泡；所用导管制备方法可以是冷冻干燥、溶剂挥发、水凝胶技术，具体制备工艺可以根据所选用制备方法调整，所述制备导管要在所用生物材料不可溶的溶液环境下除去模具以减小对拓扑结构的损坏。
实施例1
表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的二维组织工程支架的制备：
首先用导电胶带将锡箔片粘贴在静电纺丝接收端滚筒上，随后将用六氟异丙醇配置的5mL 10％浓度的PCL溶液注入5mL的静电纺丝专用注射器中，电纺参数为电压：10kV，针头到接受端距离：15cm，流速：0.5mL/h，滚筒转速：500rpm，电纺时间：30min。电纺结束后，在锡箔片上获得有取向性平行排列的单层纳米级纤维薄膜。然后，将锡箔片放在37℃真空干燥箱中进行干燥，使六氟异丙醇完全挥发。在室温下以二甲基硅氧烷：交联剂＝10:1的体积比配制PDMS溶液。将PDMS浇筑到有纳米纤维薄膜面的锡箔片上，在真空干燥箱中抽真空排除气泡，在80℃条件下，固化120min。成型后剥离锡箔片，使用六氟异丙醇溶液将PDMS表面的纳米纤维溶解获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑图形的PDMS平面弹性印章模具。将平面PDMS模具有拓扑结构的一面朝上，另一面固定到培养皿底部，然后将用2mM乙酸配置的2.5％壳聚糖溶液浇铸到模具表面，在冷冻干燥机上冻干1天后使生物材料溶液成型，然后将PDMS模具剥离后制备获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的壳聚糖组织工程支架。
表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的二维组织工程支架的制备：
首先用导电胶带将锡箔片粘贴在静电纺丝接收端滚筒上，随后将用六氟异丙醇配置的5mL 10％浓度的PCL溶液注入5mL的静电纺丝专用注射器中，电纺参数为电压：12kV，针头到接受端距离：15cm，流速：0.5mL/h，滚筒转速：1000rpm，电纺时间：30min。电纺结束后，在锡箔片上获得有取向性平行排列的单层纳米级纤维薄膜。然后，将锡箔片放在37℃真空干燥箱中进行干燥，使六氟异丙醇完全挥发。在室温下以二甲基硅氧烷：交联剂＝10:1的体积比配制PDMS溶液。将PDMS浇筑到有纳米纤维薄膜面的锡箔片上，在真空干燥箱中抽真空排除气泡，在80℃条件下，固化120min。成型后剥离锡箔片，使用六氟异丙醇溶液将PDMS表面的纳米纤维溶解获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑图形的PDMS平面弹性印章模具。将平面PDMS模具有拓扑结构的一面朝上，另一面固定到培养皿底部，然后将用2mM乙酸配置的2.5％壳聚糖溶液浇铸到模具表面，在真空干燥箱中风干3天令溶剂挥发干燥后使生物材料溶液成型，然后将PDMS模具剥离后制备获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的壳聚糖组织工程支架。
实施例2
表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的二维组织工程支架的制备
首先用导电胶带将锡箔片粘贴在静电纺丝接收端滚筒上，随后将用六氟异丙醇配置的5mL 10％浓度的PCL溶液注入5mL的静电纺丝专用注射器中，电纺参数为电压：12kV，针头到接受端距离：15cm，流速：0.5mL/h，滚筒转速：500rpm，电纺时间：30min。电纺结束后，在锡箔片上获得有取向性平行排列的单层纳米级纤维薄膜。然后，将锡箔片放在37℃真空干燥箱中进行干燥，使六氟异丙醇完全挥发。在室温下以二甲基硅氧烷：交联剂＝10:1的体积比配制PDMS溶液。将PDMS浇筑到有纳米纤维薄膜面的锡箔片上，在真空干燥箱中抽真空排除气泡，在80℃条件下，固化120min。成型后剥离锡箔片，使用六氟异丙醇溶液将PDMS表面的纳米纤维溶解获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑图形的PDMS平面弹性印章模具。将平面PDMS模具有拓扑结构的一面朝上，另一面固定到培养皿底部，然后将10％丝素蛋白溶液与70％乙醇溶液以10:1的比例混合后浇铸到模具表面，在室温下形成水凝胶，然后将PDMS模具剥离后制备获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的丝素蛋白组织工程支架。
实施例3
内表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程导管的制备
首先用导电胶带将锡箔片粘贴在静电纺丝接收端滚筒上，随后将用六氟异丙醇配置的5mL 10％浓度的PCL溶液注入5mL的静电纺丝专用注射器中，电纺参数为电压：12kV，针头到接受端距离：15cm，流速：0.5mL/h，滚筒转速：500rpm，电纺时间：30min。电纺结束后，在锡箔片上获得有取向性平行排列的单层纳米级纤维薄膜。然后，将锡箔片放在37℃真空干燥箱中进行干燥，使六氟异丙醇完全挥发，将锡箔片卷曲成纳米纤维在内壁的管子作为模具。在室温下以二甲基硅氧烷：交联剂＝10:1的体积比配制PDMS溶液。将PDMS浇筑到导管模具内，在真空干燥箱中抽真空排除气泡，在80℃条件下，固化120min。成型后剥离锡箔片，使用六氟异丙醇溶液将PDMS外表面的纳米纤维溶解获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑图形的PDMS圆柱状轴心弹性印章。以弹性印章为模具轴心在，外加苯乙烯耐腐蚀性透明材料的同心圆形外套管，外套管套在轴心外侧后底部固定并密封，轴心和外套管间隙为1mm。然后将10％丝素蛋白溶液与70％乙醇溶液以10:1的比例混合后浇铸到模具表面，在室温下形成水凝胶，然后将PDMS圆柱体模具和外套管套剥离后制备获得内表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的丝素蛋白组织工程导管。
实施例4
内表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程导管的制备
首先用导电胶带将锡箔片粘贴在静电纺丝接收端滚筒上，随后将用六氟异丙醇配置的5mL 12％浓度的丝素蛋白溶液注入5mL的静电纺丝专用注射器中，电纺参数为电压：15kV，针头到接受端距离：15cm，流速：0.5mL/h，滚筒转速：1000rpm，电纺时间：30min。电纺结束后，在锡箔片上获得有取向性平行排列的单层纳米级纤维薄膜。然后，将锡箔片放在37℃真空干燥箱中进行干燥，使六氟异丙醇完全挥发，将锡箔片卷曲成纳米纤维在内壁的管子作为模具。在室温下以二甲基硅氧烷：交联剂＝10:1的体积比配制PDMS溶液。将PDMS浇筑到导管模具内，在真空干燥箱中抽真空排除气泡，在80℃条件下，固化120min。成型后剥离锡箔片，使用六氟异丙醇溶液将PDMS外表面的纳米纤维溶解获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑图形的PDMS圆柱状轴心弹性印章。以弹性印章为模具轴心在，外加苯乙烯耐腐蚀性透明材料的同心圆形外套管，外套管套在轴心外侧后底部固定并密封，轴心和外套管间隙为1mm。然后将用2mM乙酸配置的2.5％壳聚糖溶液浇铸到模具表面，在冷冻干燥机上冻干1天后使生物材料溶液成型，然后将PDMS圆柱体模具和外套管套剥离后制备获得内表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的壳聚糖组织工程导管。
实施例5
内表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程导管的制备
首先用导电胶带将锡箔片粘贴在静电纺丝接收端滚筒上，随后将用N,N-二甲基甲酰胺配置的5mL 12％浓度的PVDF溶液注入5mL的静电纺丝专用注射器中，电纺参数为电压：15kV，针头到接受端距离：10cm，流速：0.5mL/h，滚筒转速：500rpm，电纺时间：30min。电纺结束后，在锡箔片上获得有取向性平行排列的单层纳米级纤维薄膜。然后，将锡箔片放在37℃真空干燥箱中进行干燥，使N,N-二甲基甲酰胺完全挥发，将锡箔片卷曲成纳米纤维在内壁的管子作为模具。在室温下以二甲基硅氧烷：交联剂＝10:1的体积比配制PDMS溶液。将PDMS浇筑到导管模具内，在真空干燥箱中抽真空排除气泡，在80℃条件下，固化120min。成型后剥离锡箔片，使用N,N-二甲基甲酰胺溶液将PDMS外表面的纳米纤维溶解获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑图形的PDMS圆柱状轴心弹性印章。以弹性印章为模具轴心在，外加苯乙烯耐腐蚀性透明材料的同心圆形外套管，外套管套在轴心外侧后底部固定并密封，轴心和外套管间隙为1mm。然后将用2mM乙酸配置的2.5％壳聚糖溶液浇铸到模具表面，在真空干燥箱中风干3天令溶剂挥发干燥后使生物材料溶液成型，然后将PDMS圆柱体模具和外套管套剥离后制备获得内表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的壳聚糖组织工程导管。

Claims (9)

1.一种表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程移植物构建方法，其特征是，通过静电纺丝技术与微纳加工-模塑法相结合来制备；
1)采用静电纺丝技术将天然或合成生物材料溶液平行电纺到可旋转的圆筒状金属箔片上，在圆筒状金属箔片上获得有取向性平行排列的单层纳米级纤维薄膜；
2)将圆筒状金属箔片摊开直接作为二维平面模具或金属箔片卷曲成纳米纤维在内壁的管状结构作为模具，将PDMS聚二甲基硅氧烷浇筑到二维平面模具上或导管模具内，采用微模塑技术待聚二甲基硅氧烷固化成型后剥离金属箔片；
3)将固化成型后的PDMS表面的纳米纤维溶解掉，获得表面或外壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑图形的PDMS平面或圆柱状轴心弹性印章即平面PDMS模具；
4)表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的二维组织工程支架的制备：将平面PDMS模具有拓扑结构的一面朝上，然后将配置好的生物材料溶液浇铸到模具表面，进一步采用冷冻干燥、溶剂挥发或水凝胶技术使生物材料溶液成型，然后将模具剥离后制备获得表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的二维组织工程支架；
5)内壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程导管的制备：以圆柱状弹性印章为模具轴心，在外加同心圆形外套管，封闭其中一端，在模具轴心和外套管之间加入生物材料溶液，进一步采用冷冻干燥、溶剂挥发或水凝胶技术使生物材料溶液成型，然后将模具剥离后制备获得内壁具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程导管。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)所使用的天然或合成生物材料为壳聚糖、丝素蛋白、胶原、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)天然或合成高分子材料中的一种或几种混合，且材料不与PDMS溶液互溶；所述电纺的接收端为滚筒装置，电压参数范围为10-30kV，电纺时间为1-60min，滚筒转速为500-6000rpm，电纺推进速度为0.05-1mL/h；所制备纤维直径为20-800nm，长度为1-100mm，且纳米纤维为单层平行分布。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中所用金属箔片是钛箔、铝箔、锡箔或不锈钢箔片，箔片厚度为20-500μm，箔片表面光滑，粗糙度1-5nm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中二维金属箔片上的纳米纤维朝上分布放置，卷成管状的金属箔片有纳米纤维的一面面向管内壁放置，二维金属箔片尺寸和金属箔片管状结构直径可调。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中由体积比为10:1的PDMS单体和交联剂溶液配制后制得，固化时间为120min，固化温度为80℃。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中溶解纳米纤维的溶液应该是配制纳米纤维时所用的相同溶剂，如六氟异丙醇(HFIP)或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等有机溶剂，且不会溶解PDMS模具，溶解时间为1-60min；所制备的各向异性长距离连续纳米拓扑结构为纳米沟脊，沟的宽度为20-800纳米，脊的宽度为100-5000纳米，沟的表面为凹面，脊的表面为凸面。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中平面PDMS模具具有长距离连续纳米拓扑结构的一面向上，另一面固定到培养皿底部，所述生物材料溶液可以是壳聚糖、丝素蛋白、胶原、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)天然或合成高分子材料中的一种或几种混合，溶液要完全覆盖PDMS表面，并采用真空处理除去气泡；所用支架制备方法可以是冷冻干燥、溶剂挥发、水凝胶技术，除去模具。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中外表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的PDMS圆柱体作为模具轴心，外接套管材料为聚氯乙烯、苯乙烯等耐腐蚀性透明材料，外套管套在轴心外侧后底部固定并密封，轴心和外套管间隙为0.2-5mm，所用生物材料溶液可以是壳聚糖、丝素蛋白、胶原、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(乳酸-乙醇酸)天然或合成高分子材料中的一种或几种混合，溶液要完全填充模具轴心和外套管之间的间隙，填充完毕后真空处理除去气泡；所用导管制备方法可以是冷冻干燥、溶剂挥发、水凝胶技术，再除去模具。
9.如权利要求1-8任一所述的制备方法得到的一种表面具有各向异性长距离连续纳米拓扑结构的组织工程移植物，其特征在于，所述组织工程支架表面或导管内壁具有规则取向的各向异性长距离连续纳米拓扑结构；所述各向异性长距离连续纳米拓扑结构由具有该结构的PDMS模具制备而成，所述PDMS模具由微模塑技术和静电纺丝技术联合制备而成；所述各向异性长距离连续纳米拓扑结构的直径为20-800nm，长度为1-100mm，且纳米拓扑结构为单层平行排列分布。
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