專利名稱：生物相容的纖維復合無紡網氈及其制備方法和應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物相容的纖維復合無紡網氈及其制備方法和應用，尤其涉及一種適用于植入生物體內的生物相容的纖維復合無紡網氈及其制備方法，可將其用作人造血管而進行替代移植術或旁路移植術。
背景技術：
生物體內的環境對植入材料的要求十分苛刻，除要求植入材料不引發體內免疫反應、無生理毒性外，還需要盡可能長期地保持與體內系統相匹配的力學性能。最常見的植入材料之一便是人造血管，其用于治療心血管方面的疾病，如動脈硬化。動脈硬化是一種由于粥樣斑塊在血管壁處堆積而引發動脈變硬以及血流量減少，導致的動脈管壁慢性炎癥反應。通常，體內病變的血管需要進行外科手術修復，或通過支架植入術，或通過人造血管或原生血管的替代移植術或旁路移植術。然而，上述各解決方案仍存在著不足:外科手術修復病變血管雖然治療比較徹底，但創傷大、風險大；進行支架植入術的患者有一定幾率在六個月后發生支架術后再狹窄，粗血管的幾率約為20%，細血管的幾率可達33% ;原生血管的替代移植術或旁路移植術，隨著使用時間的推移，血管的通暢率大為降低，如十年間移植的血管通暢率僅為50% ;而采用現有材料制成的人造血管進行替代移植術或旁路移植術，其血管移植通暢率比原生血管的移植通暢率更為降低。現有的植入生物體的移植材料，尤其是血管移植材料的主要問題之一便是植入材料和生物體內原生組織之間的力學性能不匹配。生物體內原生組織、如原生血管的本質上是彈性的，其在血流壓力下會發生膨脹，由于血液流速和壓力的變化，以及幾何學上的不一致，植入的血管片段與原生血管彈性上的不匹配會造成血流紊亂。如圖1A所示，血管包含有一個較軟的人造血管植入片段，該人造血管植入片段在血流壓力下發生比原生血管更大程度的膨脹，導致流過該人造血管植入片段的血液紊亂，易引發血管瘤。相反地，如圖1B所示，血管包含有一個較硬的人造血管植入片段，較硬的人造血管植入片段在血流壓力下發生的膨脹較原生血管小，也會導致流過該人造血管植入片段的血液紊亂，從而可能導致再生狹窄等問題。此外，植入血管和原生血管組織間力學性能上的不匹配而導致的血流紊亂，在一定程度上影響血管移植術后的血管通暢率，使血管通暢率降低。因此，一種不僅與機體內生物相容的、不引發體免疫反應和無生理毒性的，且能高度模仿原生組織力學性能的植入材料成為必須。
發明內容
本發明的目的是提供一種生物相容的纖維復合無紡網氈及其制備方法和應用，尤其涉及一種適用于植入生物體內的生物相容的纖維復合無紡網氈及其制備方法，以將其用作人造血管，從而進行替代移植術或旁路移植術。本發明的目的通過下述技術方案來實現: 一種生物相容的纖維復合無紡網氈，由纖維復合材料制成，所述纖維復合材料包括彈性納米纖維和非彈性納米纖維；所述彈性納米纖維是由彈性聚合物制成的納米纖維，所述彈性聚合物包括下述的一種或多種組合:聚氨酯、有機硅化合物、異丁橡膠、乙丙橡膠、聚硫橡膠、硅橡膠、氯丁橡膠、氯磺化聚乙烯、丙烯腈-丁 二烯共聚物、苯乙烯-丁 二烯共聚物、聚氯乙烯、聚異丁烯、聚環氧氯丙烷、聚異戊二烯、聚氯乙烯-聚丁二烯橡膠、聚亞安酯、聚偏二氟乙烯、氟化物-氯氟乙烯共聚物、偏二氟乙烯-六氟乙烯共聚物、氟丙烯酰酯；所述非彈性納米纖維是由非彈性聚合物制成的納米纖維，所述非彈性聚合物包括下述的一種或多種組合:海藻酸鹽、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚己內酰胺、聚己內酯、聚乙交酯-丙交酯。
優選地，本發明生物相容的纖維復合無紡網氈當中，所述聚乳酸包括左旋聚乳酸或外消旋聚乳酸；在所述纖維復合材料中，所述彈性納米纖維和非彈性納米纖維的含量比在1: 10 10:1之間。更優選地，本發明生物相容的纖維復合無紡網氈當中，所述纖維復合材料還包括生物活性材料。
本發明還提供了上述生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，包括如下步驟: ⑴靜電紡絲液的配制，分別將所述彈性聚合物和非彈性聚合物溶解在溶劑中形成彈性聚合物溶液和非彈性聚合物溶液、或是加熱制成熔融彈性聚合物和熔融非彈性聚合物、或是通過溶膠凝膠法制成溶膠-凝膠彈性聚合物和溶膠-凝膠非彈性聚合物； (2)彈性納米纖維的靜電紡絲，先將步驟⑴中制得的彈性聚合物溶液、熔融彈性聚合物或溶膠-凝膠彈性聚合物加入注射器中，在所述注射器的針尖電壓為5 kV 30 kV和泵供速率為0.001 ml/min 0.050 ml/min的條件下進行靜電紡絲,將得到的彈性納米纖維成型在靜電紡絲裝置上的收集區域內，形成彈性納米纖維層； (3)彈性納米纖維的拉伸，將步驟(2)制得的彈性納米纖維層拉伸，使所述彈性納米纖維處于拉伸狀態； ⑷非彈性納米纖維的靜電紡絲，將步驟⑴中制得的非彈性聚合物溶液、熔融非彈性聚合物或溶膠-凝膠非彈性聚合物加入注射器中，在所述注射器的針尖電壓為5 kV 30 kV和泵供速率為0.001 ml/min 0.050 ml/min的條件下進行靜電紡絲，將得到的非彈性納米纖維成型在所述步驟⑶制得拉伸狀態的彈性納米纖維層表面、形成非彈性納米纖維層，或是將所述非彈性納米纖維成型于所述彈性納米纖維層中的彈性納米纖維之間、形成彈性納米纖維-非彈性納米纖維混合層； (5)彈性納米纖維的復位，將步驟⑶拉伸狀態的彈性納米纖維層復位至步驟(2)的原始狀態，使經過步驟⑷覆在其表面的非彈性納米纖維層、或位于彈性納米纖維層彈性納米纖維之間的非彈性納米纖維形成收縮的波狀起伏狀態，制得生物相容的纖維復合無紡網氈。
本發明生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，進一步地，步驟⑴中所述溶劑包括下述的一種或多種混合:乙酸、乙腈、甲酚、四氫呋喃、甲苯、二氯甲烷、甲醇、二甲基甲酰胺或六氟異丙醇。
本發明生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法,進一步地,步驟⑵制得的彈性納米纖維層上的彈性納米纖維與步驟⑷制得的非彈性納米纖維相互對齊排列。
本發明生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，進一步地，步驟⑵成型的所述彈性納米纖維層為一層或多層，步驟⑶成型的所述非彈性納米纖維層為一層或多層。
本發明生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，進一步地，所述靜電紡絲裝置上的收集區域是由兩塊導電擋板之間或兩塊收集面板之間形成的空氣間隙。本發明生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，進一步地，所述靜電紡絲裝置上的收集區域是由兩塊可移動式的導電擋板之間或兩塊可移動式的收集面板之間形成的空氣間隙。本發明生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，進一步地，所述靜電紡絲裝置上的收集區域是筒內直徑可調節的旋轉卷筒的筒外周表面區域。本發明還包括一種人造血管，其通過上述的任意一種生物相容的纖維復合無紡網氈制得。本發明應用實施之后，其顯著的技術效果主要體現在:
一、本發明生物相容的纖維復合無紡網氈可以高度模擬原生血管組織力學性能，可應用于人造血管來進行替代移植術或旁路移植術。二、本發明生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，操作簡單，可方便的通過在纖維復合無紡網氈的制備過程中改變彈性纖維和非彈性纖維的比率、或調節彈性納米纖維的拉伸程度，來制備所需力學性能的纖維復合無紡網氈，使其高度模擬不同原生組織的力學特性。三、通過本發明多樣化收集區域的設置，可滿足不同厚度、不同力學性能和不同形狀纖維復合無紡網氈制備的需求。
圖1A是現有技術中植入組織移植材料過軟的血液流向示意 圖1B是現有技術中植入組織移植材料過硬的血液流向示意 圖2表示的是原生血管組織、彈性蛋白-胰蛋白酶消化和膠原蛋白甲酸消化的應力-應變曲線示意 圖3是本發明用于制備生物相容的纖維復合無紡網氈的靜電紡絲系統示意 圖4A是本發明實施例彈性納米纖維成型示意 圖4B是本發明實施例彈性納米纖維成型后拉伸狀態示意 圖4C是本發明實施例非彈性納米纖維成型示意 圖4D是本發明實施例彈性納米纖維拉伸后回復狀態示意 圖5A是本發明實施例彈性納米纖維和非彈性納米纖維都被完全伸展狀態示意 圖5B是本發明實施例非彈性納米纖維隨著彈性納米纖維壓縮過程某一狀態示意圖；圖5C是本發明實施例非彈性納米纖維隨著彈性納米纖維壓縮過程另一狀態示意圖；圖6是本發明用于制備生物相容的纖維復合無紡網氈的靜電紡絲系統中收集區域結構剖視 圖7是本發明用于制備生物相容的纖維復合無紡網氈的靜電紡絲系統中收集區域結構示意 圖8A是本發明實施例彈性納米纖維在旋轉卷筒上的成型示意 圖8B是本發明實施例彈性納米纖維在旋轉卷筒上成型后拉伸狀態示意 圖8C是本發明實施例非彈性納米纖維在旋轉卷筒上的成型示意 圖8D本發明實施例彈性納米纖維在旋轉卷筒上拉伸后回復狀態示意圖； 圖9A是本發明實施例纖維復合無紡網氈掃描電鏡 圖9B是本發明實施例纖維復合無紡網氈熒光顯微鏡 圖10是本發明實施例直線型PU纖維和直線型PCL纖維、原生主動脈組織、直線型纖維和波狀起伏型PCL纖維的應力-應變曲線 圖11是本發明實施例直線型I3U纖維和直線型PCL纖維、直線型I3U纖維和波狀起伏型PCL纖維的應力-應變曲線 圖12是本發明實施例包含不同比例彈性納米纖維與非彈性納米纖維的纖維復合無紡網氈的應力-應變曲線 圖13是本發明實施例包含不同非彈性納米纖維壓縮率纖維復合無紡網氈的應力-應變曲線 圖14是本發明實施例纖維復合無紡網氈不同拉伸狀態的掃描電鏡 圖15是根據圖14不同狀態纖維復合無紡網氈的數據所作的點線 圖16是本發明實施例生物相容的纖維復合無紡網氈進行重復拉伸的負載-時間關系示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施例對本發明進行說明，所舉的實施例僅是對本發明產品或方法作概括性例示，有助于更好地理解本發明，但并不會限制本發明范圍。下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。本發明所揭示的生物相容的纖維復合無紡網氈及其制備方法和應用，主要是一種適用于植入生物體內的生物相容的纖維復合無紡網氈,該生物相容的纖維復合無紡網氈可以高度模擬原生血管組織力學性能，可應用于人造血管來進行替代移植術或旁路移植術，本發明同時還提供由靜電紡絲技術制備該生物體內的生物相容的纖維復合無紡網氈的方法。本發明生物相容的纖維復合無紡網氈可以高度模擬原生血管組織力學性能。原生血管包含大量的結締組織，其細胞外基質蛋白主要包括彈性蛋白和膠原蛋白，原生血管組織的強度、彈性以及結構完整性主要是由膠原蛋白與彈性蛋白一起支撐的。膠原蛋白是由三個伸展的蛋白質分子鏈相互纏繞形成的三股螺旋結構，這些膠原蛋白分子于細胞外空間發生交聯并形成膠原蛋白原纖，該膠原蛋白原纖有著優異的抗張強度，但彈性很低。而彈性蛋白多肽鏈交聯在一起時形成橡膠狀的彈性纖維。與膠原蛋白不同，當該彈性纖維發生拉伸時可伸展成一個較長的構象，而一旦外作用力消失，該彈性纖維自發的卷曲恢復原狀。請參閱圖2，它不僅體現了原生血管組織的應力-應變曲線，同時也顯示了彈性蛋白和膠原蛋白各自對該原生組織整條應力-應變曲線的貢獻。通過與原生血管組織對照組曲線比較可知，當彈性蛋白被胰蛋白酶消化后，血管組織抵抗變形的能力增大，但是彈性減小，而當膠原蛋白被甲酸消化后，血管組織抵抗變形的能力減小，但是彈性變得更好。由此可以看出，兩種蛋白各自支配了血管組織整條應力-應變曲線的兩個不同區域，如要得到正常情況下的該組織的力學特性，彈性蛋白和膠原蛋白所體現的性能缺一不可。本發明所揭示的生物相容的纖維復合無紡網氈，由纖維復合材料制成，所述纖維復合材料主要是由彈性納米纖維和非彈性納米纖維組成，兩種納米纖維分別良好的模擬了原生血管中彈性蛋白和膠原蛋白所形成纖維的力學性能，從而使本發明纖維復合無紡網氈可以高度模擬原生血管組織的顯微結構，并有著較好的順應性。在此，納米纖維的彈性界定是相對的，當某種納米纖維是本發明所述彈性納米纖維硬度的10 100倍時，即可將其稱之為非彈性納米纖維。
具體地，本發明所使用的彈性納米纖維是由彈性聚合物制成的納米纖維，所述彈性聚合物包括但不限于下述的一種或多種組合:聚氨酯、有機硅化合物、異丁橡膠、乙丙橡膠、聚硫橡膠、硅橡膠、氯丁橡膠、氯磺化聚乙烯、丙烯腈-丁二烯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氯乙烯、聚異丁烯、聚環氧氯丙烷、聚異戊二烯、聚氯乙烯-聚丁二烯橡膠、聚亞安酯、聚偏二氟乙烯、氟化物-氯氟乙烯共聚物、偏二氟乙烯-六氟乙烯共聚物、聚氟丙烯酰酯。
本發明具體地，所使用的非彈性納米纖維是由非彈性聚合物制成的納米纖維，所述非彈性聚合物包括任意適合于生物應用的非彈性的均聚物、嵌段共聚物、無規共聚物、聚合物混合物等，具體包括但不限于下述的一種或多種組合:海藻酸鹽、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚己內酰胺、聚己內酯、聚乙交酯-丙交酯。所述聚乳酸包括左旋聚乳酸或外消旋聚乳酸。
本發明具體實施地，所述彈性納米纖維和非彈性納米纖維的含量比在1: 10 10: I之間。
制成本發明生物相容的纖維復合無紡網氈的纖維復合材料除了包括彈性納米纖維和非彈性納米纖維，還包括生物活性材料。如本領域技術人員公知的，所述生物活性材料可包括但不限于一種或多種下述物質:藥類、生長因子、營養素、細胞、蛋白質等。當然，除了上述生物活性材料,還可包括其它的添加材料。將上述生物活性材料或添加材料加入纖維復合材料中制成本發明纖維復合無紡網氈，可以獲得不同性能的纖維復合無紡網氈。例如，添加材料改善增加纖維復合無紡網氈在韌性、模量、顏色等物理特性上的性能。當添加材料是本發明所述的生物活性材料時，該生物活性材料可被釋放至纖維復合無紡網氈植入的周圍區域，并隨著體內血液流動輸送到目標病灶位點。生物活性材料的輸送是沿著濃度梯度方向對纖維復合無紡網氈的淋洗，或者是通過選擇性地使纖維復合無紡網氈內的纖維降解來促進生物活性材料的輸送。
本發明同時還提供由靜電紡絲技術制備該生物體內的生物相容的纖維復合無紡網氈的方法。靜電紡絲就是高分子流體靜電霧化的特殊形式，此時霧化分裂出的物質不是微小液滴，而是聚合物微小射流，該聚合物微小射流可以運行相當長的距離，留下帶電的聚合物并固化成纖維沉積至收集區域。基于上述原理，下面具體闡述本發明所揭示的生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法: (I)電紡絲液的配置 分別將所述彈性聚合物和非彈性聚合物溶解在溶劑中形成彈性聚合物溶液和非彈性聚合物溶液、或是加熱制成熔融彈性聚合物和熔融非彈性聚合物、或是通過溶膠凝膠法制成溶膠-凝膠彈性聚合物和溶膠-凝膠非彈性聚合物。所述彈性聚合物溶液的彈性聚合物的質量百分比，是在該彈性聚合物的可靜電紡濃度范圍之內的優選值，具體數值取決于該彈性聚合物的成分、溶劑種類、環境濕度、靜電紡絲電壓、泵供流量等因素。比如:該彈性聚合物溶液的彈性聚合物的質量百分比可能是10 wt%。同理，所述非彈性聚合物溶液的非彈性聚合物的質量百分比也是這樣決定的，如:該非彈性聚合物溶液的非彈性聚合物的質量百分比可能是21 wt%。所述溶劑包括但不限于下述的一種或多種混合:乙酸、乙腈、甲酚、四氫呋喃、甲苯、二氯甲烷、甲醇、二甲基甲酰胺或六氟異丙醇。(2)彈性納米纖維的靜電紡絲
先將步驟⑴中制得的彈性聚合物溶液、熔融彈性聚合物或溶膠-凝膠彈性聚合物加入注射器中，在所述注射器的針尖電壓為5 kV 30 kV和泵供速率為0.001 ml/min 0.050ml/min,優選為0.015 ml/min 0.020 ml/min的條件下進行靜電紡絲,將得到的彈性納米纖維成型在靜電紡絲裝置上的收集區域內，形成彈性納米纖維層，所述靜電紡絲裝置上的收集區域是由兩塊導電擋板之間或兩塊收集面板之間形成的空氣間隙、或所述靜電紡絲裝置上的收集區域是筒內直徑可調節的旋轉卷筒的筒外周表面區域。所述靜電紡絲裝置上的收集區域還可是由兩塊可移動式的導電擋板之間或兩塊可移動式的收集面板之間形成的空氣間隙。如圖3所示的實施過程中，收集區域是由兩塊導電擋板3之間形成的空氣間隙。該導電擋板產生的電場可使沉積的纖維橫穿收集區域的空氣間隙形成定向對齊排列。具體實施過程中，將步驟⑴中制得的彈性聚合物溶液、熔融彈性聚合物或溶膠-凝膠裝入靜電紡絲的毛細管或針頭中，通過常規的靜電紡絲方法，將上述彈性聚合物溶液、熔融彈性聚合物或溶膠-凝膠拉伸形成“泰勒錐”結構，當其經過空氣到達接收的收集區域時，部分溶劑揮發或熔融聚合物冷凝，留下帶電的聚合物纖維。圖3中收集區域是由兩塊導電擋板3之間形成的空氣間隙，因此帶電的聚合物纖維可以大致定向對齊排列在收集區域上，即位于兩塊導電擋板3之間，纖維的兩端都和各自的導電擋板粘結在一起。如本領域所周知的，上述所述導電擋板3可是任意導電材料制成，兩塊導電擋板可以相同也可以不同，包括但不限于鋁、銅、帶有表面導電材料的薄片結構等，所述導電擋板3也可由收集面板等替換。兩塊平行的導電擋板間距大致為2mm IOcm,也可以增大到20cm、50cm或更寬,其最大間距一般與纖維直徑，以及其他成型參數有關，如聚合物分子量、針尖電壓大小等有關。(3)彈性納米纖維的拉伸
將步驟⑵制得的彈性納米纖維層拉伸，使所述彈性納米纖維處于拉伸狀態。當所述靜電紡絲裝置上的收集區域是由兩塊導電擋板之間或兩塊收集面板之間形成的空氣間隙、或所述靜電紡絲裝置上的收集區域還可是由兩塊可移動式的導電擋板之間或兩塊可移動式的收集面板之間形成的空氣間隙時，只需通過調整導電板或收集面板之間的間距即可將彈性納米纖維層拉伸；當所述靜電紡絲裝置上的收集區域是筒內直徑可調節的旋轉卷筒的筒外周表面區域時，通過擴大筒內直徑來使彈性納米纖維層拉伸。(4)非彈性納米纖維的靜電紡絲
將步驟⑴中制得的非彈性聚合物溶液、熔融非彈性聚合物或溶膠-凝膠非彈性聚合物加入注射器中，在所述注射器的針尖電壓為5 kV 30 kV和泵供速率為0.001 ml/min
0.050 ml/min,優選為0.015 ml/min 0.020 ml/min的條件下進行靜電紡絲，
將得到的非彈性納米纖維成型在所述步驟⑶制得拉伸狀態的彈性納米纖維層表面、形成非彈性納米纖維層，或是將所述非彈性納米纖維成型于所述彈性納米纖維層中的彈性納米纖維之間、形成彈性納米纖維-非彈性納米纖維混合層。
所述步驟⑶和所述步驟⑷的具體實施過程請參閱4A、4B和4C。如圖4A所示，已經在兩塊導電擋板3之間成型好的納米纖維對齊排列的彈性納米纖維層，此時導電擋板3之間的距離為W，如圖4B所示，增加兩塊導電擋板3之間的距離至W+D，使彈性纖維在拉伸應力下保持W+D的長度，然后通過步驟⑷所述方法將非彈性纖維覆蓋到彈性納米纖維層的上方單獨形成非彈性納米纖維層、或是將非彈性納米纖維與彈性納米纖維互混排列形成彈性納米纖維和非彈性納米纖維的混合層，如圖4C所示此時非彈性纖維長度為W+D。
或是參閱圖8A、圖8B、圖8C和圖8D，本發明所述靜電紡絲裝置上的收集區域是筒內直徑可調節的旋轉卷筒的筒外周表面區域。具體地，該旋轉卷筒是由馬達驅動的旋轉卷筒。當卷筒保持初始直徑時，如圖8A所示，彈性纖維在卷筒表面形成彈性纖維層。之后如圖8B所示，卷筒的直徑增大，彈性纖維層的纖維被拉伸，再如圖SC所示，再在已拉伸的彈性纖維之上形成一層非彈性纖維，最后如圖8D所示，使旋轉卷筒回復到初始直徑狀態，彈性纖維層就松弛回到原始長度，其上方的非彈性纖維呈現波狀起伏的形貌。當然，如前所述，可根據需要在旋轉卷筒表面形成多層彈性纖維層或非彈性纖維層。與平面收集區域形成纖維層的工藝相比，旋轉卷筒成型工藝可以提供具有各向同性力學特性的一層或多層纖維復合材料。
(5)彈性納米纖維的復位 將步驟⑶拉伸狀態的彈性納米纖維層復位至步驟⑵的原始狀態，使經過步驟⑷覆在其表面的非彈性納米纖維層、或位于彈性納米纖維層彈性納米纖維之間的非彈性納米纖維變成收縮的波狀起伏狀態，制得生物相容的纖維復合無紡網氈。如圖4D所示通過兩塊導電擋板重新歸位回到原來的寬度W，兩種纖維都得到放松，彈性纖維在張力松弛后就會回到最初的長度，而非彈性纖維則會被壓縮得到的波狀起伏的狀態。請參閱圖5A、5B和5C，在非彈性纖維成型到彈性纖維氈上之前，彈性纖維被拉伸的距離會影響纖維復合材料的總伸展能力。如圖5A，彈性纖維和非彈性纖維都被完全伸展，該復合纖維網實質上已不可能再得到額外的伸展。圖5B中，纖維氈上的非彈性纖維沿軸向長度方向只展示了較少的波狀起伏狀態，纖維復合材料最終的伸展能力僅僅取決于非彈性纖維完全伸展開的長度。圖5C中的纖維復合材料就展示了更多的波狀起伏，纖維沿著自身長度方向上的曲率更大。因此，圖5C中的纖維復合材料將比圖5B中展現出更強的伸展能力。
本發明具體地，步驟⑵制得的彈性納米纖維層上的彈性納米纖維與步驟⑷制得的非彈性納米纖維相互對齊排列。但這種相互排列不是精確的相互平行排列，即相鄰納米纖維之方向線在±20°的范圍內保持大致相互平行。當然，所述彈性納米纖維和非彈性納米纖維的排列不僅僅限于上述形式。根據需要，步驟⑵成型的所述彈性納米纖維層可為一層或多層，步驟⑶成型的所述非彈性納米纖維層為一層或多層。如在多數的彈性纖維成型后，當已成型的彈性纖維繃在收集隔間內部時，收集面板的間距W有一個增量D，使得已成型的彈性纖維得到拉伸。當彈性纖維以這個拉伸取向固定時，非彈性纖維開始成型并同上述彈性纖維一樣移動到收集隔間內。所述彈性納米纖維層和所述非彈性納米纖維層可以形成多層來達到任意想要的厚度。
本發明所述彈性聚合物或非彈性聚合物可制成不同類型的納米纖維，以滿足高度模擬不同彈性組織特性的合成材料的需要。如可通過調整纖維復合材料成分的化學性質、彈性成分與非彈性成分的相對用量、纖維復合材料成分的總體取向度等來滿足符合某個特定目標原生組織所需力學性能上的要求，該力學性能主要參考下述項:抗張強度、彈性模量、各向異性特質等。本發明方法在實施過程中，在彈性納米纖維層基礎上成型的非彈性納米纖維層成型時，可能會產生兩種類型的纖維互相糾纏，或互相粘連排列的現象。若在非彈性纖維成型之前彈性纖維已經完全干燥，那么在非彈性纖維成型之后兩種不同類型的纖維間就不會發生物理粘連。由于本發明采用由兩塊可移動式的導電擋板之間或兩塊可移動式的收集面板之間形成的空氣間隙作為收集區域來完成纖維的成型，避免了上述彈性纖維和非彈性纖維相互糾纏或粘連現象的出現。請參閱圖6，作為收集區域來完成纖維成型的靜電紡絲可移動式的收集面板4包括設置在其上的連續軌道，并沿著箭頭指示的方向運動，將纖維逐漸從沉積區域移到收集隔間內，所述收集面板4也可由導電擋板替換。因此，在第二根單纖維將要沉積到之前一根單纖維上面之前，之前這根單纖維就已經從沉積區域向下運動進入收集隔間，因而兩根纖維間會留有一定的空隙，使纖維能夠凝固或者干燥，最終成型的纖維復合材料上單根纖維不會相互粘結。另外，由于纖維成型時在收集區域不斷移動，可以避免收集區域上的電荷積聚。所收集得到的彈性納米纖維層和非彈性納米纖維層、或其彈性納米纖維和非彈性納米纖維混合層根據需要沉積不同厚度。且纖維復合無紡網氈內部相對較大的開放空間和孔隙率，單根纖維間幾乎沒有粘結作用。本發明所述收集區域可是一個或多個，以達到從多個方向移動單纖維的目的，如第一個收集區域使纖維沿著垂直方向移動，第二個收集區域可使纖維沿著豎直方向移動。當然，如本領域技術人員公知的，納米纖維在收集區域上的成型方式是多樣的。如圖6所示的Z軸走向，或如圖7所示，當納米纖維沉積至收集面板4之間的沉積區域之后，已成型的纖維可以從沉積區域移走，但仍可以停留在纖維成型時的平面，其運動可以沿著如圖7的箭頭所示的垂直于靜電紡絲針頭5所定義的方向。在該箭頭所示方向上成型所需數量的彈性纖維后，兩塊收集面板的間距可以如上文所提到的那樣被增大，然后多數的非彈性纖維可以在加寬的間距上成型。如需形成多層的纖維復合材料，只需重復工藝即可。當然，納米纖維從收集區域的移動也不局限于在單個平面，收集區域可旋轉，以達到調節纖維網在整個深幅和/或寬幅范圍內的相對齊整度的目的。例如，可以形成第一層的彈性纖維層和第二層的非彈性纖維層，纖維沿著軸向方向大致整齊排列，而在形成第一個兩層之后，收集區域開始旋轉，使后續纖維層與已收集得到的纖維層有著不一樣的軸向取向。制成本發明生物相容的纖維復合無紡網氈的纖維復合材料還包括生物活性材料或添加材料。該類生物活性材料或添加材料可以通過本領域所熟知的成型技術包含到納米纖維當中。如:生物活性材料或添加材料可以在納米纖維層成型之后再被包含到纖維與纖維之間的微孔中，也可以在納米纖維層成型之前添加至制備纖維的聚合物材料當中，還可以在已成型的纖維復合無紡網氈上形成一個獨立的層，或是在纖維復合無紡網氈成型之后再通過擴散的方式添加到其中。本發明還揭示了生物相容的纖維復合無紡網氈的應用，可將本發明生物相容的纖維復合無紡網氈制作成想要的形狀和尺寸，通過縫合或者生物粘附等方式植入體內或局部移植如體內，如縫合到已存在的血管組織上、用于移植到皮膚或任何其它對彈性特性要求較高的組織上等等，如一種人造血管，其通過本發明任意一種生物相容的纖維復合無紡網氈制得。
實施例1
將聚氨酯(PU)按12 wt%的比例溶解在六氟異丙醇中，將聚己內酯(PCL)按25 wt%的比例溶解在3:1的二氯甲烷/ 二甲基甲酰胺混合溶劑中。為了直觀地區分兩種不同材料的纖維，將熒光羰花青染料加入到所述聚氨酯溶液，將綠色熒光染料加入到聚己內酯溶液，上述兩種染料濃度都是0.03 mg/ml。首先將含有熒光羰花青染料的聚氨酯溶液加入到23號計量針頭的注射器中，在0.015 ml/min 0.020 ml/min的速率下泵供，對針尖施加8 kV的電壓來開始靜電紡絲，用圖6所示的收集區域上收集納米纖維層，然后將該納米纖維層拉伸，再將含有綠色熒光染料的聚己內酯溶液加入到23號計量針頭的注射器中，在0.015 ml/min 0.020 m l/min的速率下泵供，同樣對針尖施加8 kV的電壓來開始靜電紡絲，收集PCL納米纖維層收集在被拉伸的I3U纖維層的上方，最后將含有PU納米纖維層和PCL納米纖維層的纖維復合無紡網氈松弛回到I3U納米纖維層未被拉伸前的狀態，使PCL納米纖維層形成與原生血管中膠原蛋白排列相類的波狀起伏，從而使本發明纖維復合無紡網氈可以高度模擬原生血管組織的顯微結構，并有著較好的順應性。
在一次的成型過程中，通過機架收集了 4層整齊排列的I3U納米纖維層和3層整齊排列的PCL納米纖維層，即彈性納米纖維與非彈性納米纖維的比率為4: 3。其中，I3U納米纖維層纖維的收集長度為U，并且被拉伸至1.55XL0的長度。PCL納米纖維層的纖維以1.55 X L0的長度收集在拉伸過的納米纖維層上方，在松弛回到原長度Ltl后，PU納米纖維層的回復力將PCL纖維拉成一種波狀起伏的狀態。如圖9A所示，根據掃描電鏡的分析可以確認有一部分纖維是直線形的且整齊排列，而其它纖維則是波狀起伏狀態。進一步地，如圖9B所示，在熒光顯微鏡下可以確認纖維是直線形，而PCL纖維則是波狀起伏形。
通過對制得的本實施例纖維復合無紡網氈進行拉伸強度測試，得到應力-應變曲線。如圖10所示，說明了包含直線型PU纖維和波狀起伏型PCL纖維的本發明纖維復合無紡網氈，與在PCL纖維成型之前對纖維沒有進行拉伸處理所形成包含直線型纖維和直線PCL纖維的纖維復合無紡網氈的應力-應變對比。進一步如圖11所示，在圖10所示的基礎上，增加了原生主動脈組織的標準應力-應變曲線，可明顯看出，包含直線型PU纖維和波狀起伏型PCL纖維的本發明纖維復合無紡網氈可以高度模擬原生主動脈組織的應力-應變曲線，是一種生物相容的纖維復合無紡網氈。
實施例2
通過在纖維復合無紡網氈的制備過程中改變彈性纖維和非彈性纖維的比率，來比較上述比率的不用對纖維復合無紡網氈力學特性的影響。
彈性納米纖維成型的彈性聚合物、與非彈性納米材料成型的非彈性聚合物、及彈性納米纖維層和非彈性納米纖維層的制備方法與實施例1相同，即所用的彈性聚合物是實施例I所述的PU、非彈性聚合物是實施例1所述的PCL。
如圖12所示，三種不同彈性纖維和非彈性纖維比率的纖維復合無紡網氈的應力-應變曲線不相同，從而可知彈性纖維和非彈性纖維的含量比是纖維復合無紡網氈力學性能的影響因素之一。其中: 曲線A表示彈性纖維和非彈性纖維比率為1:3; 曲線B表示彈性纖維和非彈性纖維比率為1:1; 曲線C表示彈性纖維和非彈性纖維比率為3: I。
實施例3
本發明纖維復合無紡網氈在成型過程中由于彈性納米纖維的拉伸程度不一，造成非彈性納米纖維的壓縮率不同。通過在纖維復合無紡網氈的制備過程中制成不同壓縮率的非彈性納米纖維層，來比較非彈性納米纖維層的壓縮率對纖維復合無紡網氈力學特性的影響。彈性納米纖維成型的彈性聚合物、非彈性納米材料成型的非彈性聚合物、及彈性納米纖維層和非彈性納米纖維層的制備方法與實施例1相同，即所用的彈性聚合物是實施例I所述的PU、非彈性聚合物是實施例1所述的PCL。設定PU納米纖維的原始長度和拉伸長度分別為Ltl和L1, PCL纖維的壓縮率根據公式(L1-L0) /L1計算。如圖13所不,
曲線A是只包含了 PU納米纖維的纖維復合無紡網氈的應力-應變曲線；
曲線B是壓縮率為零的纖維復合無紡網氈的應力-應變曲線；
曲線C是壓縮率為26 %的纖維復合無紡網氈的應力-應變曲線；
曲線D是壓縮率為36 %的纖維復合無紡網氈的應力-應變曲線.由圖可知，通過在纖維復合無紡網氈的制備過程中制成不同壓縮率的非彈性納米纖維層，即通過在非彈性納米纖維成型過程之前調節彈性納米纖維的拉伸量，可以對所需要的纖維復合無紡網氈的力學特性進行特定地設計，以達到目標應力-應變特性。
實施例4
通過實施例1制得的包含有PU納米纖維和PCL納米纖維的纖維復合無紡網氈，用逐漸增加的載荷對其進行拉伸。圖14所示，A、B、C、D、E、F、G、H、I分別表示該纖維復合無紡網氈在不同應變狀態時的顯微狀態圖。同樣設定PU納米纖維的原始長度和拉伸長度分別為LjP L1，應變值即為(L1-Ltl)/ Lci,圖15描述的是纖維復合無紡網氈處于A、B、C、D、E、F、G、
H、I不同應變狀態下的應力-應變曲線。其中A、B、C、D、E、F、G、H、I各狀態的應變值分別為 0、0.U0.2、0.3、0.4、0.5、0.3、0.1、0。圖16所示,該纖維復合無紡網租施以0.05 mm/s的加載速率將其反復從應變量為0時拉伸至60%的最大應變量所對應的載荷-時間曲線。由上可知本發明纖維復合無紡網氈具有良好的力學性能。應當注意的是，上述實施例只為解釋說明所用，而不應被看作是對本發明所包含內容范圍的限制。礙于篇幅限制，僅僅詳細描述了較為典型的實施方法，對本領域技術人員來說應當充分認識到本發明可以針對未脫離其內容主旨的創新點及優點作相關修改，且所有這類修改都應包含在本發明所定義的和等同意義的內容范圍之內。另外必須公認的是，包含在本發明內容范圍中的一些實施方法，可能會被認定不具有其它一些實施方法的某種優點，但這種特定優點的缺乏不應理解成該實施方法必然在本發明所包含內容范圍之外。
權利要求
1.一種生物相容的纖維復合無紡網氈，由纖維復合材料制成，其特征在于: 所述纖維復合材料包括彈性納米纖維和非彈性納米纖維； 所述彈性納米纖維是由彈性聚合物制成的納米纖維，所述彈性聚合物包括下述的一種或多種組合:聚氨酯、有機硅化合物、異丁橡膠、乙丙橡膠、聚硫橡膠、硅橡膠、氯丁橡膠、氯磺化聚乙烯、丙烯腈-丁二烯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氯乙烯、聚異丁烯、聚環氧氯丙烷、聚異戊二烯、聚氯乙烯-聚丁二烯橡膠、聚亞安酯、聚偏二氟乙烯、氟化物-氯氟乙烯共聚物、偏二氟乙烯-六氟乙烯共聚物、氟丙烯酰酯； 所述非彈性納米纖維是由非彈性聚合物制成的納米纖維，所述非彈性聚合物包括下述的一種或多種組合:海藻酸鹽、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚己內酰胺、聚己內酯、聚乙交酯-丙交酯。
2.根據權利要求1所述的生物相容的纖維復合無紡網氈，其特征在于:所述聚乳酸包括左旋聚乳酸或外消旋聚乳酸。
3.根據權利要求1所述的生物相容的纖維復合無紡網氈，其特征在于:在所述纖維復合材料中，所述彈性納米纖維和非彈性納米纖維的含量比在1: 10 10: I之間。
4.根據權利要求1所述的生物相容的纖維復合無紡網氈，其特征在于:所述纖維復合材料中還包括生物 活性材料。
5.—種如權利要求1所述的生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，其特征在于包括如下步驟: ⑴靜電紡絲液的配制 分別將所述彈性聚合物和非彈性聚合物溶解在溶劑中形成彈性聚合物溶液和非彈性聚合物溶液、或是加熱制成熔融彈性聚合物和熔融非彈性聚合物、或是通過溶膠凝膠法制成溶膠-凝膠彈性聚合物和溶膠-凝膠非彈性聚合物； ⑵彈性納米纖維的靜電紡絲 先將步驟⑴中制得的彈性聚合物溶液、熔融彈性聚合物或溶膠-凝膠彈性聚合物加入注射器中，在所述注射器的針尖電壓為5 kV 30 kV和泵供速率為0.001 ml/min 0.050ml/min的條件下進行靜電紡絲，將得到的彈性納米纖維成型在靜電紡絲裝置上的收集區域內，形成彈性納米纖維層； ⑶彈性納米纖維的拉伸 將步驟⑵制得的彈性納米纖維層拉伸，使所述彈性納米纖維處于拉伸狀態； ⑷非彈性納米纖維的靜電紡絲 將步驟⑴中制得的非彈性聚合物溶液、熔融非彈性聚合物或溶膠-凝膠非彈性聚合物加入注射器中，在所述注射器的針尖電壓為5 kV 30 kV和泵供速率為0.001 ml/min 0.050 ml/min的條件下進行靜電紡絲，將得到的非彈性納米纖維成型在所述步驟⑶制得拉伸狀態的彈性納米纖維層表面、形成非彈性納米纖維層，或是將所述非彈性納米纖維成型于所述彈性納米纖維層中的彈性納米纖維之間、形成彈性納米纖維-非彈性納米纖維混合層； (5)彈性納米纖維的復位 將步驟⑶拉伸狀態的彈性納米纖維層復位至步驟⑵的原始狀態，使經過步驟⑷覆在其表面的非彈性納米纖維層、或位于彈性納米纖維層彈性納米纖維之間的非彈性納米纖維形成收縮的波狀起伏狀態，制得生物相容的纖維復合無紡網氈。
6.根據權利要求5所述的生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，其特征在于:步驟⑴中所述溶劑包括下述的一種或多種混合:乙酸、乙腈、甲酚、四氫呋喃、甲苯、二氯甲烷、甲醇、二甲基甲酰胺或六氟異丙醇。
7.根據權利要求5所述的生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，其特征在于:步驟⑵制得的彈性納米纖維層上的彈性納米纖維與步驟⑷制得的非彈性納米纖維相互對齊排列。
8.根據權利要求5所述的生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，其特征在于:步驟⑵成型的所述彈性納米纖維層為一層或多層。
9.根據權利要求5所述的生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，其特征在于:步驟⑶成型的所述非彈性納米纖維層為一層或多層。
10.根據權利要求5所述的生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，其特征在于:所述靜電紡絲裝置上的收集區域是由兩塊導電擋板之間或兩塊收集面板之間形成的空氣間隙。
11.根據權利要求5 所述的生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，其特征在于:所述靜電紡絲裝置上的收集區域是由兩塊可移動式的導電擋板之間或兩塊可移動式的收集面板之間形成的空氣間隙。
12.根據權利要求5所述的生物相容的纖維復合無紡網氈的制備方法，其特征在于:所述靜電紡絲裝置上的收集區域是筒內直徑可調節的旋轉卷筒的筒外周表面區域。
13.一種人造血管，其通過權利要求1至4所述的任意一種生物相容的纖維復合無紡網氈制得。
全文摘要
本發明揭示了一種生物相容的纖維復合無紡網氈及其制備方法和應用，所述生物相容的纖維復合無紡網氈，由包括彈性納米纖維和非彈性納米纖維的復合材料制成，可以高度模擬原生血管組織力學性能，應用于人造血管、進行替代移植術或旁路移植術。本發明采用靜電紡絲工藝進行的纖維復合無紡網氈的制備方法，操作簡單，可方便地通過在纖維復合無紡網氈的制備過程中改變彈性纖維和非彈性纖維的比率、或調節彈性納米纖維的拉伸程度，來制備所需力學性能的纖維復合無紡網氈，使其高度模擬不同原生組織的力學特性。通過本發明多樣化收集區域的設置，可滿足不同厚度、不同力學性能和不同形狀纖維復合無紡網氈制備的需求。
文檔編號D04H1/42GK103173931SQ20131007251
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月7日 優先權日2013年3月7日
發明者文學軍, 趙鵬, 李寅瑩, 劉靜 申請人:蘇州睿研納米醫學科技有限公司