一种用于气管移植的新型纳米纤维膜/纱支架及其制备方法与流程

本发明涉及医药领域的一种支架及其制备方法，尤其涉及一种用于气管移植的新型纳米纤维膜/纱支架及其制备方法。

背景技术：
人体在受到炎症、外伤、肿瘤或其他病变影响而造成气管较大范围受损时，需要切除一段较长的气管并且进行受损气管的修补。以往的一期端端吻合技术仅适用于局部缺损的修补，当缺损切除的长度超过6.0cm时由于直接吻合牵拉周围脏器组织造成吻合口张力高，易引起吻合口瘘等严重并发症。随着组织工程技术的快速发展，人们尝试同种异体移植、自体组织移植及人工材料移植等方法，由于技术及认知所限，效果均不理想，目前仍处于实验和探索阶段。同种异体移植由于机体免疫排斥反应造成移植失败，自体组织移植不会引起免疫排斥反应，但是移植物通常来源于皮肤、肌肉或血管，不能替代气管软骨的支持作用，易发生移植后气管塌陷、闭锁。近年来人们开始尝试通过在人工材料上种植气管粘膜上皮细胞及气管软骨细胞来制备具有正常气管的生物及物理特性的人工组织工程气管，取得了一定成效，人们试验了多种材料，发现用于种植细胞的支架材料的生物降解特性和生物相容性决定了植入体内的稳定性及免疫反应强度，而材料的物理特性和结构决定了细胞种植后存活和生长的效果。静电纺丝的概念早在1930年代就被提出，但直到近年才有较为成熟的应用。静电纺丝技术与传统纺丝技术相比，可以得到更加纤细的纺织纤维，并且可以有效控制纤维直径，得到所需的纺织物，除此之外，静电纺丝技术对原材料选择面宽，可以应用于多种纺织材料。由于用于细胞种植和生长的生物相容材料对纺织纤维直径有较高的选择性，静电纺丝技术便在这一领域受到青睐，目前已经在人工骨骼、人工血管、气管等方面开展大量研究和早期应用。聚己酸内酯乳酸酯(poly(ε-caprolactone-co-lactide)，以下称PLCL)由两种单体——ε-羟基己酸和乳酸共聚合而成，是一种可降解的功能高分子有机化合物，PLCL的直接水解产物是乳酸和羟基己酸，是人体正常代谢途径的副产物，所以当它应用在医药和生物材料中时不会有毒副作用。由于其具有良好的生物相容性、无毒、良好的成囊和成膜的性能，PLCL被广泛应用于制药、医用工程材料等方面。由于PLCL对于上皮细胞和软骨细胞的生长都具有良好的兼容性，因此在气管移植领域成为近年的热点研究对象。通过使用PLCL构建人工气管支架，在合适的条件下种植细胞取得了良好的效果，得到了具有良好生物学特性的可用于移植的组织工程气管，然而通过种植软骨细胞来模拟生物气管的物理特性还有很大不足。申请人发现：以往研究中使用普通静电纺丝技术制作的PLCL纺织物其纤维排列无序，不具有方向性，随纤维方向生长的软骨细胞的排列亦不具有方向性，使得到的组织工程气管虽然具有了一定的支持和保护作用，但不像生物气管的水平方向的环形软骨，组织工程气管不能够抵抗横向的作用力，因此与生物气管相比，组织工程气管总是会出现狭窄或塌陷的情况。

技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种含有聚己酸内酯乳酸酯(PLCL)的新型纳米纤维膜/纱支架及其制备方法。本申请所述动态液体静电纺织技术是在普通静电纺丝的基础上用动态液体流动来引导纺织纤维按特定方向排列成纺纱，以得到纤维排列具有方向性的纺织材料。这一技术可以克服软骨细胞在材料表面生长无序的不足，得到可以使软骨细胞定向生长的PLCL纳米纺纱。另一方面，在组织工程气管中用于种植气管上皮细胞的PLCL纤维支架已经具有较为满意的性能，本申请制作了两种纺织技术得到的PLCL纳米纤维膜/纱的复合材料，同时满足了内外两种细胞生长的条件。本发明的第一方面在于提供一种用于气管移植的新型纳米纤维膜/纱支架，所述支架为内外双层结构，其中内层为PLCL纳米纤维膜，所述PLCL纳米纤维膜的纤维无序排列，外层为PLCL纳米纤维纱束膜，所述PLCL纳米纤维纱束膜由多个PLCL纳米纤维纱束抱合组成，并且在PLCL纳米纤维纱束膜内的纳米纤维在至少一个方向上定向排布。所述新型纳米纤维膜/纱支架的截面可以为圆形、椭圆形、三角形、四边形和多边形中的一种，优选为圆形和多边形中的一种，更优选为圆形。所述PLCL中单体ε-羟基己酸和乳酸摩尔比优选为0.5∶1-3∶1，更优选为0.5∶1-2.5∶1，更优选为1∶1-2∶1，更优选为1∶1-1.5∶1，更优选为1∶1。所述纳米纤维表面光滑没有断裂，孔隙率均一，且其孔隙直径为20-50μm，优选为30-40μm。所述纳米纤维直径均一，为500-3000nm，优选为800-2500nm，更优选为1000-2000nm，且所述纳米纤维直径变化范围符合正态分布。所述纳米纤维膜的拉伸应力/形变曲线在材料断裂前呈线性关系，拉伸强度为5-30MPa，优选为10-20MPa，更优选为13-18MPa。所述纳米纤维膜的断裂伸长率为50-800％，如80％，620％，优选为100-500％，如130％、460％，更优选为200-400％，如250％、360％。所述纳米纤维纱纤维孔隙均一，直径为100-600μm，优选为200-500μm，更优选为200-400μm。所述纳米纤维纱纤维直径为10-200μm，优选为20-100μm，更优选为20-50μm；所述纳米纤维纱纤维直径标准差为5-100μm，优选为10-50μm，更优选为10-20μm，且所述纳米纤维纱纤维直径符合正态分布。所述纳米纤维纱纤维拉伸应力/形变曲线在材料断裂前呈线性关系，抗拉强度为5-50MPa，优选为10-30MPa，更优选为13-25MPa，更优选为13-18MPa；断裂伸长率100-800％，优选为150-600％，更优选为200-400％。所述内层用于种植上皮细胞的PLCL纳米纤维膜可以经高压静电纺丝技术制成。电纺工艺参数条件为：高压静电纺的电压为10-30kV，优选为15-25kV，更优选为18-22kV；接受台离喷射孔的板距为5-30cm，优选为10-20cm，更优选为13-16cm。所述外层用于种植软骨细胞的PLCL纳米纤维纱可以经动态液体静电纺丝技术制成。电纺工艺参数条件为：高压静电纺的电压为10-30kV，优选为15-25kV，更优选为18-22kV；接受台离喷射孔的板距为5-30cm，优选为10-20cm，更优选为13-16cm。进一步地，高压静电纺时的环境空气湿度<40％，优选为<20％；经过蒸汽交联5-20hr，优选为交联8-16hr。进一步地，交联使用的蒸汽为甲醇、过氧化二异丙苯、硫磺中的一种或几种，优选为甲醇。所述的用于种植上皮细胞及软骨细胞的新型纳米纤维膜/纱支架的方法包括：步骤1，将PLCL搅拌溶解，得到质量体积浓度(w/v％)为3％-10％的PLCL溶液作为纺丝液；步骤2，以步骤1制备的纺丝液为原料，采用静电纺丝技术制备纳米纤维，以金属平板接收制备的纳米纤维，所述纳米纤维交联后缠绕到固定转轴上，形成纳米纤维膜；步骤3，以步骤1制备的纺丝液为原料，采用静电纺丝技术制备纳米纤维，纳米纤维经定向排布抱合成纳米纤维纱束，然后将所述纳米纤维纱束缠绕到步骤2制备的纳米纤维膜表面，经干燥后得到所述的气管移植的新型纳米纤维膜/纱支架。优选地，先收集的纳米纤维膜的厚度为0.1-0.6mm，优选为0.2-0.5mm，更优选为0.2-0.3mm。优选地，后收集的纳米纤维纱束膜的厚度为0.3-1.0mm，优选为0.5-0.8mm，更优选为0.6-0.7mm。所述纺丝液中，溶剂优选为六氟异丙醇、二甲基甲酰胺、二氯甲烷中的一种，更优选为六氟异丙醇。所述纺丝液的质量体积浓度优选为5％-9％，更优选为7％-9％；优选地，所述纳米纤维接收板的材质为金属板，优选为铝箔板、不锈钢板、镍合金板中的一种，更优选为铝箔板。本发明所述的一种用于种植上皮细胞及软骨细胞的新型纳米纤维膜/纱支架，利于细胞的黏附和增殖，内外层不同纤维排列的特性适于种植不同细胞。当用于气管缺损修复时，其内层种植上皮细胞，其外层种植软骨细胞。与之前报道的类似用途的支架材料相比，基于本发明所述纳米纤维膜/纱双层管状支架制备的人工组织工程气管可能具有更优越的、更接近实际气管的力学特性，在进一步的体内应用中可以获得更优的效果。附图说明图1纳米纤维膜的超微结构电子显微镜照片；图2纳米纤维膜的纤维直径及其分布测量结果；图3纳米纤维膜/纱力学性能测试方法示意图；图4纳米纤维膜的力学性能测试的拉力-形变曲线；图5不同配方制备的PLCL纳米纤维膜机械力学测试对比图；图6纳米纤维纱的超微结构电子显微镜照片；图7纳米纤维纱的纤维直径测量结果；图8纳米纤维纱的力学性能测试的拉力-形变曲线；图9不同配方制备的PLCL纳米纤维纱机械力学测试对比图；图10双层纳米纤维支架3D结构示意图；图113D双层结构PLCL组织工程气管支架实物图；图12不同配方的气管支架机械力学测试对比图。具体实施方式以下结合具体实施例对本发明技术方案作进一步说明的描述。实施例11)纺丝液的配制将一定质量PLCL溶于分析纯六氟异丙醇搅拌至完全溶解，得到质量体积浓度(w/v％)为8％的PLCL溶液。2)静电纺纳米纤维膜的制备将纺丝液注入到10mL注射器中，注射器的金属针头内径为0.21mm，静电高压发生器和针头通过电线和一个铁夹连接起来，将包有铝箔的方形板作为接地的接收器接收静电纺纤维，在甲醇蒸汽中交联12hr，得到纳米纤维膜，然后将得到的纳米纤维膜缠绕在一直径为2.5mm的金属转轴上，当厚度达到0.2-0.5mm左右的时候，停止纳米纤维膜的收集。静电纺工艺参数条件为：高压静电纺电压为15kV，接收器与喷射针孔距离为15cm，注射器给液速率为1mL/h；电纺时的环境空气湿度为20％。3)纳米纤维纱束膜和纳米纤维膜/纱支架的制备将步骤1)中所得纺丝液用于高压静电纺丝，接收器为一连接有循环水泵的水池，并有一开口将水流导入下层水池中，纺丝时，纺丝液在电场力的作用下，形成纳米纤维。纳米纤维落入水中后，在涡流的作用下，抱合成一束纱，即为纳米纤维纱。纳米纤维纱随着水流缠绕到步骤2所述的转轴上，通过转轴成型制成纳米纤维纱束膜，当厚度达到0.5-1.0mm左右的时候，停止纳米纤维纱束膜的收集，得到纳米纤维膜/纱支架，取下支架，放入-80℃低温冰箱中预冻，然后放入冷冻干燥机，干燥36h即可得到如图10所示的纳米纤维膜/纱支架的结构图，1为外层疏松纳米纱，2为内层致密纳米膜，实物如图11所示。放入真空干燥箱保存待用。参数条件为：静电纺丝电压为15kV，接收池与喷射孔距离为15cm；注射器给液速率1mL/h。结果与表征纳米纤维膜的形貌的表征纳米纤维膜形貌表征方法如下所述：将静电纺纤维膜试样喷金10s，然后在10kV或15kV加速电压下，用JSM-5600型扫描电镜(SEM)观察纤维的形态。根据所得的SEM图像，使用分析软件ImageJ(NationalInsitutesofHealth，USA)测量纤维的直径，并计算其直径分布范围和纤维平均直径。超微结构电子显微镜观察效果，如图1所示，纤维直径均一，表面光滑没有断裂，孔隙率均一，孔隙直径约为30-40μm。测量纳米支架纤维直径，结果如图2所示，平均直径为1241nm，标准差：201nm，整体纤维的直径变异范围符合正态分布。纳米纤维膜力学性能测试纳米纤维膜力学性能测试方法如下所述：如图3所示，剪一张白纸，上下两端用双面胶黏上，然后将静电纺纤维膜粘到纸上，沿虚线将纸和膜一起剪开，得到一条10mm×50mm的纸和膜黏在一起的双层物，剪掉中间部分30mm的纸，两头部分用于力学性能拉伸测试时夹持膜，这样就得到长×宽＝10mm×30mm的试样。待测试样的厚度用精确到0.01mm的千分尺测量，为了防止纳米纤维膜在测量时被破坏，把膜夹在厚度均匀的白纸里测量，再减去白纸的厚度。拉伸实验在H5K-S型万能材料试验机上进行，测试条件：相对湿度：60％；环境温度：20℃；拉伸速率：10mm/min。纳米纤维拉膜伸试验结果如图4所示，拉伸应力/形变曲线在材料断裂前呈线性关系，平均抗拉强度16.35±1.05MPa，平均断裂伸长率253.75±37.78％。如图5所示，不同比例配制的PLCL的混合物制备的纳米纤维膜的拉伸强度和断裂伸长率不同，其中，PL和CL的混合比例为50:50其拉伸强度和断裂伸长率更佳。其中，1PLCL(50:50)：PL和CL的混合比例为50:50；2Col-PLCL(50:50)＝25:75：胶原蛋白和PLCL(50:50)的混合比例为25:75；3PLCL(75:25)：PL和CL的混合比例为75:25；4Col-PLCL(75:25)＝25:75：胶原蛋白和PLCL(75:25)的混合比例为25:75；5Rattracheal：大鼠气管段组织。纳米纤维纱形貌表征纳米纤维纱形貌表征方法同纳米纤维膜形貌表征方法。超微结构电子显微镜观察效果如图6所示，纤维直径均一，表面光滑没有断裂，孔隙率均一，孔隙直径约为200-400μm。测量纳米支架纤维直径，结果如图7所示，平均直径为34.19μm，标准差：13.05μm，整体纤维的直径变异范围大致符合正态分布。纳米纤维纱力学性能测试纳米纤维纱力学测试方法同纳米纤维膜力学测试方法。纳米纤维纱拉伸试验结果如图8所示，拉伸应力/形变曲线在材料断裂前呈线性关系，平均抗拉强度14.92±0.70MPa，平均断裂伸长率311.28±12.65％。如图9所示，不同比例配制的PLCL的混合物制备的纳米纤维纱的拉伸强度和断裂伸长率不同，其中，PL和CL的混合比例为50:50其拉伸强度和断裂伸长率更佳。其中，1PLCL(50:50)：PL和CL的混合比例为50:50；2Col-PLCL(50:50)＝25:75：胶原蛋白和PLCL(50:50)的混合比例为25:75；3PLCL(75:25)：PL和CL的混合比例为75:25；4Col-PLCL(75:25)＝25:75：胶原蛋白和PLCL(75:25)的混合比例为25:75；5Rattracheal：大鼠气管段组织。将上述方法制备的组织工程气管支架与其他方法制备的组织工程支架的拉伸强度和断裂伸长率进行对比，如图12所示，可知由PLCL纳米纤维制备的双层支架其拉伸强度和断裂伸长率更具优势(与单独的纳米纤维纱相比，其拉伸强度和断裂伸长率并未出现明显区别)。实施例21)纺丝液的配制将一定质量PLCL溶于分析纯二甲基甲酰胺搅拌至完全溶解，得到质量体积浓度(w/v％)为3％的PLCL溶液。2)静电纺纳米纤维膜的制备制备方法同实施例1，采用不锈钢圆形板作为接地的接收器接收静电纺纤维，在甲醇蒸汽中交联8hr，得到纳米纤维膜，然后将得到的纳米纤维膜缠绕在一外接圆直径为5mm的六边形金属转轴上，当厚度达到0.4-0.5mmmm左右的时候，停止纳米纤维膜的收集。静电纺工艺参数条件为：高压静电纺电压为10kV，接收器与喷射针孔距离为20cm，注射器给液速率为1mL/h；电纺时的环境空气湿度为40％。3)纳米纤维纱束膜和纳米纤维膜/纱支架的制备制备方法同实施例1，当厚度达到0.4-0.6mm左右的时候，停止纳米纤维纱束膜的收集，得到纳米纤维膜/纱支架，取下支架，放入-80℃低温冰箱中预冻，然后放入冷冻干燥机，干燥36h即可得到最终成型的纳米纤维膜/纱支架。放入真空干燥箱保存待用。工艺条件为：静电纺丝电压为30kV，接收池与喷射孔距离为30cm；注射器给液速率1mL/h。结果与表征纳米纤维膜形貌的表征纳米纤维膜形貌表征方法与实施例1相同，结果显示，纤维直径均一，表面光滑没有断裂，孔隙率均一，孔隙直径约为20-30μm。纳米纤维平均直径为1528nm，标准差：153nm，整体纤维的直径变异范围符合正态分布。纳米纤维膜力学性能测试纳米纤维膜力学性能测试方法同实施例1。结果显示，拉伸应力/形变曲线在材料断裂前呈线性关系，平均抗拉强度26.33±1.28MPa，平均断裂伸长率438.25±21.64％。纳米纤维纱形貌表征纳米纤维纱形貌表征方法同实施例1：结果显示，纳米纤维纱纤维直径均一，表面光滑没有断裂，孔隙率均一，孔隙直径约为300-400μm。纳米纤维纱纤维平均直径为63.2μm，标准差：25.83μm，整体纤维的直径变异范围大致符合正态分布。纳米纤维纱力学性能测试纳米纤维纱力学测试方法同实施例1。结果显示拉伸应力/形变曲线在材料断裂前呈线性关系，平均抗拉强度25.83±1.25MPa，平均断裂伸长率526.38±8.36％。实施例31)纺丝液的配制将一定质量PLCL溶于分析纯二氯甲烷搅拌至完全溶解，得到质量体积浓度(w/v％)为10％的PLCL溶液。2)静电纺纳米纤维膜的制备制备方法同实施例1，采用不锈钢圆形板作为接地的接收器接收静电纺纤维，在甲醇蒸汽中交联16hr，得到纳米纤维膜，然后将得到的纳米纤维膜缠绕在外接圆直径为4mm的三角形金属转轴上，当厚度达到0.1-0.2mm左右的时候，停止纳米纤维膜的收集。静电纺工艺参数条件为：高压静电纺电压为30kV，接收器与喷射针孔距离为30cm，注射器给液速率为1mL/h；电纺时的环境空气湿度为10％。3)纳米纤维纱束膜和纳米纤维膜/纱支架的制备制备方法同实施例1，当厚度达到0.8-1.0mm左右的时候，停止纳米纤维纱束膜的收集，得到纳米纤维膜/纱支架，取下支架，放入-80℃低温冰箱中预冻，然后放入冷冻干燥机，干燥36h即可得到最终成型的纳米纤维膜/纱支架。放入真空干燥箱保存待用。工艺条件为：静电纺丝电压为10kV，接收池与喷射孔距离为100cm；注射器给液速率1mL/h。结果与表征纳米纤维膜形貌的表征纳米纤维膜形貌表征方法与实施例1相同，结果显示，纤维直径均一，表面光滑没有断裂，孔隙率均一，孔隙直径约为40-50μm。纳米纤维平均直径为2386nm，标准差：43nm，整体纤维的直径变异范围符合正态分布。纳米纤维膜力学性能测试纳米纤维膜力学性能测试方法同实施例1。结果显示，拉伸应力/形变曲线在材料断裂前呈线性关系，平均抗拉强度15.83±0.26MPa，平均断裂伸长率136.24±13.28％。纳米纤维纱形貌表征纳米纤维纱形貌表征方法同实施例1：结果显示，纳米纤维纱纤维直径均一，表面光滑没有断裂，孔隙率均一，孔隙直径约为400-500μm。纳米纤维纱纤维平均直径为63.2μm，标准差：25.83μm，整体纤维的直径变异范围大致符合正态分布。纳米纤维纱力学性能测试纳米纤维纱力学测试方法同实施例1。结果显示拉伸应力/形变曲线在材料断裂前呈线性关系，平均抗拉强度13.86±0.56MPa，平均断裂伸长率180.36±4.82％。本发明所述的用于上皮细胞及软骨细胞种植的新型纳米纤维膜/纱支架的两种组成材料纤维直径均一，表面光滑没有断裂，孔隙率均一，力学特性可以满足作为植入物构建用于移植的组织工程气管之需要。在此之上可进一步用于气管缺损修补，且对于促进气管粘膜修复及临床重建气管缺损、减少重建气管术后并发症提供了有意义的参考。以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。