CN106955373B - 多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料，它是基于纳米纤维包芯成纱技术制备得到具有三层纳米纤维结构的包芯纱，抽出芯丝即可得到多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料。本发明的骨组织工程支架材料制备方法简单、成本低廉，具有良好的生物相容性和诱导性能，可以作为血管组织的修复或替代材料。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，涉及一种多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料及其制备方法，应用于血管修复或血管替代材料。
背景技术
现代社会，随着人们膳食结构的改变、生活节奏的加快及工作压力的增加，心血管发病率正逐年增高。根据世界卫生组织统计，2l世纪初全球每年因心血管疾病死亡的有1710万人，约占全球总死亡人数的1／3，预计至2030年，每年将有2360万因心血管疾病死亡，显然心血管疾病的预防及治疗在医学中占住着重要地位。心血管疾病已经被认为是人类死亡的重要原因。当人体某部位的血管由于动脉硬化、血栓、老化或破损等原因不能正常供血时需要血管置换、搭桥等外科手术的治疗。天然血管壁具有层次结构，主要由内皮层、平滑肌层以及弹性纤维、胶原纤维构成，内皮细胞作为血管的内衬，形成光滑面，便于血液流动，防止血栓形成。理想的血管支架应该能够仿生天然血管的多层结构和功能，具有良好的生物相容性，不易产生血栓并具备足够的粘弹性使其能够长期承受血管内压力，但是目前世界还没有一套理想的制备微小口径血管（内径小于6mm）组织的技术产品用于临床医学，以血管再生支架为基础的体内血管再生支架是临床医学的迫切需求。
静电纺是一种最具有吸引力的纳米技术，适合制备许多生物医用方面的纳米纤维材料。利用现有静电纺丝技术构建的血管支架能对血管组成和结构进行仿生，但是这种方法对于构建直径小于1.5 mm微小口径的组织工程血管存在很大困难，并且纤维随机堆砌的无纺形式会影响支架的力学性能。静电纺纳米纤维纱由于纤维取向结构使其在仿生构建骨骼、肌腱等组织工程支架上显示特殊优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有静电纺丝技术对于构建直径小于1.5 mm微小口径的组织工程血管会影响支架的力学性能，提供一种多层纳米纤维微小口径组织工程血管支架材料及其制备方法。通过静电纺纳米纤维包芯纱的方法制备多层纳米纤维微小口径血管支架材料，得到可应用于组织工程血管支架材料。这种组织工程血管支架能对血管组成和结构进行仿生，纳米纤维取向排列大大改善了组织工程血管支架的力学性能。此外，组织工程血管支架直径大小可调，可获得1.5 mm以下微小口径的组织工程血管支架。
实现本发明目的的技术方案是：一种多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料，它是基于纳米纤维包芯成纱技术制备得到具有三层纳米纤维结构的包芯纱，抽出芯丝即可得到多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料。
所述的纳米纤维是由丝素蛋白和聚合物构成，丝素蛋白与聚合物质量比为1：1-19，纳米纤维的直径为200-900nm。
所述的丝素蛋白来源于桑蚕蚕丝或柞蚕蚕丝，丝素蛋白分子的特性粘度[η]大于或等于0.50，所述的纳米纤维纱线的直径为60-500 μm，所述的聚合物的分子量大于等于100000。
所述的多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料的制备方法，按以下步骤进行：
（1）将左旋聚乳酸聚己内酯共聚物（PLCL）与丝素蛋白（SF）按质量比为（1-19）:1溶解于六氟异丙醇（HFIP）中，以聚乙二醇400作为乳化剂，乳化得到含有肝素和内皮细胞生长因子（VEGF）的溶液作为组织工程血管支架材料内层纺丝溶液A；将（PLGA）与丝素蛋白（SF）按质量比为（1-19）:1置于六氟异丙醇（HFIP）中，待溶解均匀后加入一定量（0.1%-1%）的血小板衍生因子（PDGF）搅拌均匀得到血管支架材料中间层纺丝溶液B；将聚己内酯（PCL）溶解于HFIP中得到质量浓度为6%-12%血管支架外层的纺丝溶液C，以尼龙丝（直径0.2-1.0mm）作为芯纱，在纺丝喷头中加纺丝溶液A进行包芯纺纱。
（2）搭建静电纺丝装置，以直径为0.2-1.0mm尼龙丝作为芯纱，在纺丝喷头中加纺丝溶液A进行包芯纺纱，得到组织工程血管支架内层；
（3）所述步骤（2）中芯纱表面纳米纤维厚度达到0.1-0.2mm时，将纺丝溶液A置换为纺丝溶液B继续进行纺丝，得到组织工程血管支架中间层；
（4）所述步骤（3）中芯纱表面纳米纤维厚度达到0.2-0.4mm时，将纺丝溶液B置换为纺丝溶液C继续进行纺丝，得到组织工程血管支架外层；
（5）将步骤（4）中得到的组织工程血管支架外层的包芯纱，抽出芯丝得到多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料。
所述静电纺丝装置中，静电纺丝电压为14-22 kV，纺丝溶液总流量为0.5-0.9 mL/h ，金属喇叭的直径为10-20cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为40-60cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4-8cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3-5cm，喷头的数目为2-16个，喷头内径0.26-0.86 mm，正负喷头溶液流量比1:0.5-1，正负喷头间的距离13-17.5 cm。
与现有的血管支架材料及其制备方法相比，本发明具有以下优点：
本发明通过静电纺纳米纤维包芯纱制备具有微小口径的血管组织工程支架材料，这种新的纳米纤维包芯成纱方法应用于构建组织工程血管支架，可实现1.5 mm以下更小口径、直径可调、多层仿生的纳米纤维组织工程血管的一次成型，为组织工程血管支架的构建提供新技术。
本发明利用不同高聚物材料及其共混物的优良性质纺制既具有生物相容性又有合适的物理机械性能的血管支架，且具有工艺简单，操作方便，效率高。
本发明的微小口径的血管组织工程支架材料能够仿生天然血管的多层结构和功能，具有良好的生物相容性，不易产生血栓并具备足够的粘弹性使其能够长期承受血管内压力。
附图说明
图1为静电纺丝装置示意图；
图2为纳米纤维包芯纱的SEM照片；
图3为纳米纤维包芯纱截面图；
图4为纳米纤维包芯纱抽取芯纱后得到的血管组织工程支架照片。
具体实施方式
实施例1
一种多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料的制备方法，其步骤如下：
（1）将左旋聚乳酸聚己内酯共聚物（PLCL）和丝素蛋白（SF）按质量比19:1溶解于六氟异丙醇（HFIP）中，以聚乙二醇400作为乳化剂，乳化得到含有肝素和内皮细胞生长因子（VEGF）的溶液作为组织工程血管支架材料内层纺丝溶液A；将PLGA和丝素蛋白（SF）按质量比19:1置于六氟异丙醇（HFIP）中，待溶解均匀后加入0.1%的血小板衍生因子（PDGF）搅拌均匀得到血管支架材料中间层纺丝溶液B；将聚己内酯（PCL）溶解于HFIP中得到质量浓度为8%血管支架外层的纺丝溶液C；
（2）按照图示1搭建静电纺丝装置（1卷绕装置、2芯纱、3注射泵、4喷头、5高压发生器、51正极、52负极、6金属喇叭、7导纱辊、8芯纱筒），以尼龙丝（直径0.5mm）作为芯纱2，在纺丝喷头中加纺丝溶液A进行包芯纺纱，纺丝电压为20 kV，纺丝溶液总流量为0.5 mL/h，金属喇叭的直径为15cm，金属喇叭与卷绕装置1的垂直距离为45cm，喷头与金属喇叭6的垂直距离为5cm，喷头与金属喇叭的水平距离为4cm，喷头的数目为4个，喷头4内径0.35 mm，正负喷头溶液流量比1:0.6，正负喷头间的距离15 cm；
（3）芯纱表面纳米纤维厚度达到0.15mm时，将步骤（2）中的纺丝溶液置A换为纺丝溶液B继续进行纺丝，获得组织工程血管支架中间层；
（4）在步骤（3）的基础上，芯纱表面纳米纤维厚度达到0.3mm时，将步骤（3）中的纺丝溶液置B换为纺丝溶液C继续进行纺丝，获得组织工程血管支架外层；
（5）将步骤（4）方法所得到具有多层纳米纤维结构的包芯纱，抽出芯丝即可得到仿生天然血管三层结构的血管支架。图4为纳米纤维包芯纱抽取芯纱后得到的血管组织工程支架照片。
表1显示了实施例1制备的多层微小口径的血管组织工程支架材料的力学性能，***性能以及纱线和纤维的平均直径。多层微小口径的血管组织工程支架材料中纱线的SEM照片如图（2）所示，由图（3）可以看出，本发明制备的多层微小口径的血管组织工程支架材料内部的纱线条干均匀，毛羽较少。多层纳米纤维织物骨组织工程支架的实物照片如图（4）所示。
实施例2
一种多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料的制备方法，其步骤如下：
（1）将步骤（1）中的左旋聚乳酸聚己内酯共聚物（PLCL）和丝素蛋白（SF）按质量比10:1溶解于六氟异丙醇（HFIP）中，以聚乙二醇400作为乳化剂，乳化得到含有肝素和内皮细胞生长因子（VEGF）的溶液作为组织工程血管支架材料内层纺丝溶液A；将PLGA和丝素蛋白（SF）按质量比10:1置于六氟异丙醇（HFIP）中，待溶解均匀后加入一定量（0.3%）的血小板衍生因子（PDGF）搅拌均匀得到血管支架材料中间层纺丝溶液B；将聚己内酯（PCL）溶解于HFIP中得到质量浓度为7%血管支架外层的纺丝溶液C；
（2）搭建静电纺丝装置，以尼龙丝（直径0.8mm）作为芯纱，在纺丝喷头中加纺丝溶液A进行包芯纺纱，纺丝电压为15 kV，纺丝溶液总流量为0.6 mL/h，金属喇叭的直径为18cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为50cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为6cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3cm，喷头的数目为2个，喷头内径0.4 mm，正负喷头溶液流量比1:0.5，正负喷头间的距离12cm；
（3）芯纱表面纳米纤维厚度达到0.18mm时，将步骤（2）中的纺丝溶液置A换为纺丝溶液B继续进行纺丝，获得组织工程血管支架中间层；
（4）在步骤（3）的基础上，芯纱表面纳米纤维厚度达到0.35mm时，将步骤（3）中的纺丝溶液B置换为纺丝溶液C继续进行纺丝，获得组织工程血管支架外层；
（5）将步骤（4）方法所得到具有多层纳米纤维结构的包芯纱，抽出芯丝即可得到仿生天然血管三层结构的血管支架。表1显示了实施例2制备的多层微小口径的血管组织工程支架材料的力学性能，***性能以及纱线和纤维的平均直径。
实施例3
一种多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料的制备方法，其步骤如下：
（1）将步骤（1）中的左旋聚乳酸聚己内酯共聚物（PLCL）和丝素蛋白（SF）按质量比1:1溶解于六氟异丙醇（HFIP）中，以聚乙二醇400作为乳化剂，乳化得到含有肝素和内皮细胞生长因子（VEGF）的溶液作为组织工程血管支架材料内层纺丝溶液A；将PLGA和丝素蛋白（SF）按质量比1:1置于六氟异丙醇（HFIP）中，待溶解均匀后加入一定量（0.5%）的血小板衍生因子（PDGF）搅拌均匀得到血管支架材料中间层纺丝溶液B；将聚己内酯（PCL）溶解于HFIP中得到质量浓度为10%血管支架外层的纺丝溶液C；
（2）按照图示1搭建静电纺丝装置，以尼龙丝（直径0.3mm）作为芯纱，在纺丝喷头中加纺丝溶液A进行包芯纺纱，纺丝电压为16 kV，纺丝溶液总流量为0.8 mL/h ，金属喇叭的直径为12cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为42cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为5cm，喷头与金属喇叭的水平距离为4cm，喷头的数目为8个，喷头内径0.55 mm，正负喷头溶液流量比1: 1，正负喷头间的距离17 cm；
（3）芯纱表面纳米纤维厚度达到0.13mm时，将步骤（2）中的纺丝溶液A置换为纺丝溶液B继续进行纺丝，获得组织工程血管支架中间层；
（4）在步骤（3）的基础上，芯纱表面纳米纤维厚度达到0.33mm时，将步骤（3）中的纺丝溶液B置换为纺丝溶液C继续进行纺丝，获得组织工程血管支架外层；
（5）将步骤（4）方法所得到具有多层纳米纤维结构的包芯纱，抽出芯丝即可得到仿生天然血管三层结构的血管支架。
表1显示了实施例3制备的多层微小口径的血管组织工程支架材料的力学性能，***性能。
表1 一种多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料的性能
因此，本发明制备的多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料具有纤维取向好、纱线条干均匀、力学性能优的特点。制备的多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料能够仿生天然血管的多层结构和功能，具有良好的生物相容性，不易产生血栓并具备足够的粘弹性使其能够长期承受血管内压力，支架材料中规则连续的空隙有利于细胞的粘附和生长以及组织中成分的运输。本发明的多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料制备方法简单，成本低廉，可以作为植入型的血管修复支架材料。
Claims (1)
1.一种多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）将左旋聚乳酸聚己内酯共聚物与丝素蛋白按质量比为（1-19）:1溶解于六氟异丙醇中，以聚乙二醇400作为乳化剂，乳化得到含有肝素和内皮细胞生长因子的溶液作为组织工程血管支架材料内层纺丝溶液A；将聚乳酸-羟基乙酸共聚物与丝素蛋白按质量比为（1-19）:1置于六氟异丙醇中，待溶解均匀后加入质量分数为0.1%-1%的血小板衍生因子搅拌均匀得到血管支架材料中间层纺丝溶液B；将聚己内酯溶解于HFIP中得到质量浓度为6%-12%血管支架外层的纺丝溶液C；
（2）搭建静电纺丝装置，以直径为0.2-1.0mm尼龙丝作为芯纱，在纺丝喷头中加纺丝溶液A进行包芯纺纱，得到组织工程血管支架内层；
（3）所述步骤（2）中芯纱表面纳米纤维厚度达到0.1-0.2mm时，将纺丝溶液A置换为纺丝溶液B继续进行纺丝，得到组织工程血管支架中间层；
（4）所述步骤（3）中芯纱表面纳米纤维厚度达到0.2-0.4mm时，将纺丝溶液B置换为纺丝溶液C继续进行纺丝，得到组织工程血管支架外层；
（5）将步骤（4）中得到的组织工程血管支架外层的包芯纱，抽出芯丝得到多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料；
所述多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料，是基于纳米纤维包芯成纱技术制备得到具有三层纳米纤维结构的包芯纱，抽出芯丝即可得到多层纳米纤维微小口径血管组织工程支架材料；
所述的纳米纤维是由丝素蛋白和聚合物构成，纳米纤维的直径为200-900nm；
所述的丝素蛋白来源于桑蚕蚕丝或柞蚕蚕丝，丝素蛋白分子的特性粘度大于或等于0.50，所述的纳米纤维纱线的直径为60-500 μm，所述的聚合物的分子量大于等于100000；
所述静电纺丝装置中，静电纺丝电压为14-22 kV，纺丝溶液总流量为0.5-0.9 mL/h ，金属喇叭的直径为10-20cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为40-60cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4-8cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3-5cm，喷头的数目为2-16个，喷头内径0.26-0.86 mm，正负喷头溶液流量比1:0.5-1，正负喷头间的距离13-17.5 cm。
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