CN1593354A - 一种神经组织工程管状支架及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种神经组织工程管状支架及其制备方法，该神经组织工程管状支架由壳聚糖管壁和具有轴向多通道的生物来源填充基质组成，且各通道间具有相互连通的微孔，既能防止纤维结缔组织的侵入，也利于管内外营养物质和代谢产物的交换。该方法首先制备内径为1～5mm半渗透性壳聚糖中空管，然后在管中灌入壳聚糖、胶原或明胶等生物大分子溶液，利用专用模具及冷冻干燥技术，制备具有7～50个轴向通道的可用于神经损伤修复的管状支架。所得具有仿生结构的多通道神经导管有利于细胞粘附、迁移和引导轴突定向生长，适用于神经损伤的修复与再生。该制备工艺操作简便，提供了一种新的制备神经组织工程支架的思路和方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种神经组织工程管状支架及其制备方法，特别涉及一种具有轴向多通道特定微结构基质的神经导管、制备方法及其专用模具，属于生物医用材料及组织工程技术领域。
背景技术
周围神经损伤临床非常多见，神经一旦缺损，相应部位的感觉、运动功能就会受到影响甚至丧失。目前临床上有效的治疗方法是自体神经移植。但自体神经来源有限，且伴随着供区功能受损。人们尝试应用骨骼肌、静脉替代自体神经移植，收效甚微。随着医学、生物学和组织工程学的发展，人们考虑并尝试用人工神经导管来代替自体神经移植。其中，生物来源可吸收神经再生导管的研究和应用是最有希望的。生物来源可吸收神经再生导管是指用生物来源可体内降解的材料预制成导管，再将损伤神经的远近断端放入管内，两断端神经外膜与管壁固定，随后，神经轴突即可沿着管腔从近端长入远端。神经导管在神经再生的过程中可以防止纤维疤痕组织的侵入，提高局部神经营养因子的浓度，营造有利于神经再生的微环境，引导轴突沿正确的方向生长，同时随着神经再生的完成逐渐降解，避免二次手术取出。但是，以往研究所用的中空导管，如自体静脉、硅胶管及用PLGA、胶原、壳聚糖等制作的人工神经导管，与正常神经结构差距甚远，不利于轴突的附着延伸，也难以预置足够的雪旺细胞，管内多余的空间很快被渗出血肿所充填，阻碍轴突生长。鉴于此，人们开始考虑在导管中填充基质材料，增大轴突攀附生长的表面积，或承载细胞及营养因子。中国专利申请00810000.4提供一种聚酯类材料神经导管，管腔内填充胶原盐酸溶液经冷冻干燥得到具有微细纤维化的胶原体内容物，然而，该方法难以制得具有轴向贯通的多通道结构；中国专利申请02113103.1将壳聚糖纤维置入壳聚糖管制备纯壳聚糖神经导管；中国专利申请02105864.4在聚酯类材料制得的中空管中放置折叠卷曲的具有凹凸表面的多孔性聚酯类薄膜来增大腔内表面积，制作多通道型神经再生导管，然而上述导管内容物呈游离状态，不能维持稳定的结构，并且难以预置细胞。美国专利US 5925053(1999)和US 6214021(2001)提供了制作多管腔(multi-lumen)神经导管的方法，该方法在模具内事先放置若干细纤维，再将含有有机溶剂的高分子溶液注入模具内，之后经冷冻方法予以固化，再经升华方式将此材料内的溶剂抽出，最后将细纤维抽出而形成多管腔的神经导管。但该方法所得神经导管无外壁，纤维组织易侵入，所用高分子材料如PLGA、PGA、PLA体内降解酸性产物不利于轴突生长，所用有机溶剂不利于负载营养因子。
理想的神经组织工程支架应该模拟正常神经结构，能够提供轴突攀附生长的轴向微细管道及神经营养因子，并且可以承载利于神经修复和再生的细胞，防止纤维瘢痕组织的侵入，从而改善再生微环境；支架材料应具有良好的生物相容性和可生物降解性；支架应具有神经的形状、稳定的结构、合适的孔径、孔隙率和外壁的通透性；支架内部的基质结构应该具有密集的轴向通道和横向渗透性微孔；这种具有稳定的仿生结构的多通道神经导管有利于细胞粘附、迁移和引导轴突再生。目前可以用来制作这种神经导管的技术有：(1)颗粒沥滤制孔技术(particulate-leaching techniques)；(2)热挤压技术(heat compression andextrusion techniques)：(3)实体自由成形制造(solid free-form fabrication)，也叫快速成型技术。然而，用颗粒沥滤制孔技术制作的无规结构导管引导轴突再生能力是不可靠的，热挤压技术不能在基质材料中加入治疗性药物或因子，因为机械加工和热处理过程会使他们变性或降解，而且，目前的热挤压技术不适合制作适于神经修复的小孔径导管。快速成型技术模拟喷墨打印机原理，进行三维器官打印，但受到材料的限制，一些生物材料(比如胶原和壳聚糖)就不能应用于此种方法，而且药物因子同样不能忍受这样的加工过程而限制了它的应用。因此，如何优化制备一种更加适合神经修复与再生的组织工程支架是材料和神经科学工作者共同面临的重要任务。
发明内容
本发明的目的是模拟正常神经结构，采用天然可降解的生物材料，制备具有轴向多通道特定微结构基质的神经组织工程管状支架。使该支架不仅能够提供轴突攀附生长的轴向微细管道及神经营养因子，并且可以承载利于神经修复和再生的细胞，防止纤维瘢痕组织的侵入；支架材料应具有良好的生物相容性和可生物降解性；且具有稳定的结构、合适的孔径、孔隙率和外壁的通透性；支架内部的基质结构应该具有密集的轴向通道和横向渗透性微孔；这种具有稳定的仿生结构的多通道神经导管有利于细胞粘附、迁移和引导轴突再生。
上述发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种神经组织工程管状支架，其特征在于：该支架由壳聚糖外管壁和具有轴向多通道的生物来源填充基质组成，且各通道间具有相互连通的微孔；所述的生物来源填充基质选自壳聚糖、胶原、明胶中的一种或它们的混合物；所述轴向通道数目为7～50，其通道内径为200～500μm。所述壳聚糖外管壁厚度为0.4～1mm，内径为1～5mm。
本发明还提供了一种制备神经组织工程管状支架的方法，该方法按如下步骤进行：
1)将聚四氟乙烯包被的不锈钢棒芯模浸入2～4％(w/v)壳聚糖乙酸溶液中，拔出，冷冻，再浸入、拔出、冷冻，至少反复3次，然后置于-20℃～-196℃冷冻12～48小时，再将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥；
2)将干燥后的带有芯模的壳聚糖管置于浓度为2～10％(w/v)的氢氧化钠溶液中浸泡10～30分钟，取出，用去离子水漂洗至中性，再浸于pH＝7.2～7.4的磷酸盐缓冲液中10～30分钟，自然干燥；
3)取出不锈钢棒芯模，制得不同长度、壁厚0.4～1.0mm的壳聚糖圆管；
4)利用专用模具将所制备的壳聚糖管置于模具的两个带有钢针固定孔的钢针固定片之间，根据所要制备的通道的数目及通道直径的不同，将相应数目和直径的不锈钢针平行贯穿双侧钢针固定孔及壳聚糖管内；所述钢针固定片上的固定孔数目为7～50，其孔径为200～500μm。
5)将浓度为2～4％(w/v)壳聚糖乙酸溶液、浓度为1～3％(w/v)胶原盐酸溶液、浓度为10～20％(w/v)的明胶水溶液或它们的混合液注入壳聚糖管中；
6)使双侧钢针固定片与壳聚糖管两端紧密接触，连同模具一起置于-20℃～-80℃冷冻12～48小时，然后将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥；
7)再按步骤2)所述的方法脱酸，然后再逐一取出不锈钢针，最终得到所需要的具有轴向排列多通道的神经组织工程管状支架。
本发明还提供了一种制作所述神经组织工程管状支架的专用模具，其特征在于：该模具包括底座，设置在底座上的两块可移动板，不锈钢针以及固定在可移动板上的两块钢针固定片；在所述的每块钢针固定片的上方设有7～50个与所述钢针直径相匹配的钢针固定孔，其孔径为200～500μm，并均匀分布在直径为1～5mm的圆形区域内。
本发明提供了一系列具有特定微结构的圆柱形神经组织工程管状支架，支架材料来源于壳聚糖、明胶及胶原，不需要交联剂等具有毒副作用物质。支架的外管壁具有微孔半渗透结构，既能防止纤维结缔组织的侵入，也利于管内外营养物质和代谢产物的交换。支架内部纵向规则排列着许多圆柱形微细通道，这些通道不仅可以定向引导轴突生长，还可在植入前预置各种活性细胞，促进神经再生；微细通道间的基质材料具有相互贯通的微孔结构，既为细胞的黏附和生长提供了较大的表面积，也能为各微细通道间物质交换提供适宜的环境；并且，基质材料还能承载治疗性药物或因子，随着材料的降解，药物或因子不断释放出来起到缓释作用。该制备工艺克服了现有的制备神经修复导管方法的缺点和不足，提供了一种新的制备神经组织工程支架的思路和方法。
附图说明
图1为本发明所使用的模具的结构示意图。
图2为图1的左视图。
图3为本发明所制得的神经组织工程管状支架外观图。
图4为本发明所制得的神经组织工程管状支架横断面放大图。
图5为在本发明所制得的神经组织工程管状支架上培养神经细胞的扫描电镜照片。
具体实施方式
本发明提供的制备方法如下：
(1)将聚四氟乙烯包被的不锈钢棒芯模(直径1～5mm)浸入2～4％(w/v)壳聚糖溶液(以0.2mol/L乙酸溶液配制)中，拔出，冷冻，再浸入、拔出、冷冻，至少反复3次，然后置于-20℃～-196℃冷冻12～48小时，再将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥。将干燥后的带有芯模的壳聚糖圆管，置于2％(w/v)的氢氧化钠溶液中浸泡10～30分钟，取出，用去离子水漂洗至中性，再浸于pH＝7.2～7.4的磷酸盐缓冲液中10～30分钟。用滤纸吸取壳聚糖管表面水分，自然干燥。取出不锈钢棒芯模，最终得到壁厚0.4～1.0mm的半通透性壳聚糖圆管。
(2)制备多通道基质可采用如附图1所示的模具，该模具包括底座4，设置在底座上的两块可移动板3，不锈钢针7以及固定在可移动板上的两块钢针固定片1；在每块钢针固定片的上方设有7～50个与所述钢针直径相匹配的钢针固定孔8，其孔径为200～500μm；钢针固定孔均匀分布在直径为1～5mm的圆形区域内。
将长度为1～10cm的壳聚糖圆管6置于专用模具(图1)上两个钢针固定片1之间，根据所要制备的通道的数目(7～50根)及通道直径(200～500μm)的不同，将相应数目和直径的不锈钢针7平行贯穿双侧钢针固定孔8及壳聚糖管6内。然后将2～4％(w/v)壳聚糖乙酸溶液、1～3％(w/v)胶原盐酸溶液、10～20％(w/v)的明胶水溶液单独或它们的混合液注满壳聚糖管，将模具两侧可移动板3向内相向移动，使双侧钢针固定片与壳聚糖管两端紧密接触，旋紧可移动板固定螺钉5，迅速连同模具一起置于-20℃～-80℃冷冻12～48小时，然后将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥(主干温度约-40～-80℃，干燥时间12～48小时)，再置于2～10％(w/v)的氢氧化钠溶液中浸泡10～30分钟，取出，用去离子水漂洗至中性，浸于pH＝7.2～7.4的磷酸盐缓冲液中10～30分钟，取出，自然干燥。逐一慢慢取出不锈钢针，最终得到所需要的具有轴向排列多通道基质的神经导管。
实施例1：
(1)将直径1mm聚四氟乙烯包被的不锈钢棒芯模浸入2％(w/v)壳聚糖溶液(以0.2mol/L乙酸溶液配制)中，拔出，冷冻，再浸入、拔出、冷冻，反复3次，然后置于-20℃冷冻12小时，再将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥。将干燥后的带有芯模的壳聚糖圆管，置于2％(w/v)的氢氧化钠溶液中浸泡10分钟，取出，用去离子水漂洗至中性，再浸于pH＝7.2～7.4的磷酸盐缓冲液中10分钟。用滤纸吸取壳聚糖管表面水分，自然干燥。取出不锈钢棒芯模，最终得到壁厚0.4mm的半通透性壳聚糖圆管。
(2)如附图所示，将长度为1cm的壳聚糖管6置于专用模具(图1)上两个钢针固定片1之间，将7根直径200μm的不锈钢针平行贯穿双侧钢针固定孔8及壳聚糖管6内。然后将2％(w/v)壳聚糖乙酸溶液注满壳聚糖管，将模具两侧可移动板3向内相向移动，使双侧钢针固定片与壳聚糖管两端紧密接触，旋紧可移动板固定螺钉5，迅速连同模具一起置于-20℃冷冻12小时，然后将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥(主干温度约-40℃，干燥时间12小时)，再置于2％(w/v)的氢氧化钠溶液中浸泡10分钟，取出，用去离子水漂洗至中性，浸于pH＝7.2～7.4的磷酸盐缓冲液中10分钟，取出，自然干燥。逐一慢慢取出不锈钢针，最终得到所需要的具有轴向排列多通道基质的神经导管。
实施例2
(1)将直径5mm聚四氟乙烯包被的不锈钢棒芯模浸入4％(w/v)壳聚糖溶液(以0.2mol/L乙酸溶液配制)中，拔出，冷冻，再浸入、拔出、冷冻，反复5次，然后置于-196℃冷冻48小时，再将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥。将干燥后的带有芯模的壳聚糖圆管，置于2％(w/v)的氢氧化钠溶液中浸泡30分钟，取出，用去离子水漂洗至中性，再浸于pH＝7.2～7.4的磷酸盐缓冲液中30分钟。用滤纸吸取壳聚糖管表面水分，自然干燥。取出不锈钢棒芯模，最终得到壁厚1.0mm的半通透性壳聚糖圆管。
(2)如附图所示，将长度为10cm的壳聚糖管6置于专用模具(图1)上两个钢针固定片1之间，将50根直径200μm的不锈钢针7平行贯穿双侧钢针固定孔8及壳聚糖管6内。然后将1％(w/v)胶原溶液(以1mol/L盐酸配制)注满壳聚糖管，将模具两侧可移动板3向内相向移动，使双侧钢针固定片与壳聚糖管两端紧密接触，旋紧可移动板固定螺钉5，迅速连同模具一起置于-80℃冷冻48小时，然后将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥(主干温度约-80℃，干燥时间48小时)，再置于10％(w/v)的氢氧化钠溶液中浸泡30分钟，取出，用去离子水漂洗至中性，浸于pH＝7.2～7.4的磷酸盐缓冲液中30分钟，取出，自然干燥。逐一慢慢取出不锈钢针，最终得到所需要的具有轴向排列多通道基质的神经导管。
实施例3
(1)将直径3mm聚四氟乙烯包被的不锈钢棒芯模浸入3％(w/v)壳聚糖溶液(以0.2mol/L乙酸溶液配制)中，拔出，冷冻，再浸入、拔出、冷冻，反复4次，然后置于-80℃冷冻24小时，再将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥。将干燥后的带有芯模的壳聚糖圆管，置于2％(w/v)的氢氧化钠溶液中浸泡20分钟，取出，用去离子水漂洗至中性，再浸于pH＝7.2～7.4的磷酸盐缓冲液中20分钟。用滤纸吸取壳聚糖管表面水分，自然干燥。取出不锈钢棒芯模，最终得到壁厚0.6mm的半通透性壳聚糖圆管。
(2)如附图所示，将长度为3cm的壳聚糖管6置于专用模具(图1)上两个钢针固定片1之间，将21根直径400μm的不锈钢针7平行贯穿双侧钢针固定孔8及壳聚糖管6内。将2％(w/v)壳聚糖溶液(以0.2mol/L乙酸溶液配制)与10％(w/v)的明胶水溶液按等体积混合均匀，将混合溶液注满壳聚糖管，将模具两侧可移动板3向内相向移动，使双侧钢针固定片与壳聚糖管两端紧密接触，旋紧可移动板固定螺钉5，迅速连同模具一起置于-20℃冷冻24小时，然后将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥(主干温度约-40℃，干燥时间24小时)，再置于4％(w/v)的氢氧化钠溶液中浸泡20分钟，取出，用去离子水漂洗至中性，浸于pH＝7.2～7.4的磷酸盐缓冲液中20分钟，取出，自然干燥。逐一慢慢取出不锈钢针，最终得到所需要的具有轴向排列多通道基质的神经导管。
实施例4
(1)将直径2mm聚四氟乙烯包被的不锈钢棒芯模浸入2％(w/v)壳聚糖溶液(以0.2mol/L乙酸溶液配制)中，拔出，冷冻，再浸入、拔出、冷冻，反复4次，然后置于-20℃冷冻24小时，再将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥。将干燥后的带有芯模的壳聚糖圆管，置于2％(w/v)的氢氧化钠溶液中浸泡20分钟，取出，用去离子水漂洗至中性，再浸于pH＝7.2～7.4的磷酸盐缓冲液中20分钟。用滤纸吸取壳聚糖管表面水分，自然干燥。取出不锈钢棒芯模，最终得到壁厚0.5mm的半通透性壳聚糖圆管。
(2)如附图所示，将长度为2cm的壳聚糖管6置于专用模具(图1)上两个钢针固定片1之间，将9根直径400μm的不锈钢针7平行贯穿双侧钢针固定孔8及壳聚糖管6内。将2％(w/v)壳聚糖溶液(以0.2mol/L乙酸溶液配制)与1％(w/v)的胶原溶液(以1mol/L盐酸配制)按等体积混合均匀，将混合溶液注满壳聚糖管，将模具两侧可移动板3向内相向移动，使双侧钢针固定片与壳聚糖管两端紧密接触，旋紧可移动板固定螺钉5，迅速连同模具一起置于-20℃冷冻24小时，然后将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥(主干温度约-40℃，干燥时间24小时)，再置于2％(w/v)的氢氧化钠溶液中浸泡30分钟，取出，用去离子水漂洗至中性，浸于pH＝7.2～7.4的磷酸盐缓冲液中20分钟，取出，自然干燥。逐一慢慢取出不锈钢针，最终得到所需要的具有轴向排列多通道基质的神经导管。
Claims (4)
1.一种神经组织工程管状支架，其特征在于：该支架由壳聚糖外管壁和具有轴向多通道的生物来源填充基质组成，且各通道间具有相互连通的微孔；所述的生物来源填充基质选自壳聚糖、胶原、明胶中的一种或它们的混合物；所述轴向通道数目为7～50，其通道内径为200～500μm。
2.按照权利要求1所述神经组织工程管状支架，其特征在于：所述壳聚糖外管壁厚度为0.4～1mm，内径为1～5mm。
3.一种制备如权利要求1所述的神经组织工程管状支架的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：
1)将聚四氟乙烯包被的不锈钢棒芯模浸入2～4％(w/v)壳聚糖乙酸溶液中，拔出，冷冻，再浸入、拔出、冷冻，至少反复3次，然后置于-20℃～-196℃冷冻12～48小时，再将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥；
2)将干燥后的带有芯模的壳聚糖管置于浓度为2～10％(w/v)的氢氧化钠溶液中浸泡10～30分钟，取出，用去离子水漂洗至中性，再浸于pH＝7.2～7.4的磷酸盐缓冲液中10～30分钟，自然干燥；
2)取出不锈钢棒芯模，制得不同长度、壁厚0.4～1.0mm的壳聚糖圆管；
4)将所制备的壳聚糖管置于两个带有钢针固定孔的钢针固定片之间，根据所要制备的通道的数目及通道直径的不同，将相应数目和直径的不锈钢针平行贯穿双侧钢针固定孔及壳聚糖管内；
5)将浓度为2～4％(w/v)壳聚糖乙酸溶液、浓度为1～3％(w/v)胶原盐酸溶液、浓度为10～20％(w/v)的明胶水溶液或它们的混合液注满壳聚糖管；
6)使双侧钢针固定片与壳聚糖管两端紧密接触，置于-20℃～-80℃冷冻12～48小时，然后将其置于冷冻干燥机中冷冻干燥；
7)再按步骤2)所述的方法脱酸，然后再逐一取出不锈钢针，最终得到所需要的具有轴向排列多通道的神经组织工程管状支架。
4.一种制作如权利要求1所述神经组织工程管状支架的专用模具，其特征在于：该模具包括底座(4)，设置在底座上的两块可移动板(3)，不锈钢针(7)以及固定在可移动板上的两块钢针固定片(1)；在所述的每块钢针固定片的上方设有7～50个与所述钢针直径相匹配的钢针固定孔(8)，其孔径为200～500μm，并均匀分布在直径为1～5mm的圆形区域内。
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