（纺织工程专业论文）纺织结构生物复合材料人工气管的研制[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要气管因外伤或肿瘤等疾病有时需要做切除并进行气道重建，当切除气管的长度超过直接吻合限度5 0 m m 时，就必须植入气管替代物一人工气管才能重建气管的连续性以维持气道的通畅。虽然在目前国际上对于气管替代物的研究中，具有良好生物性能的组织工程化人工气管的研究仍处于起步阶段，但是高分子材料科学和生命科学的完美结合为这种人工气管的研制提供了必要的替代材料，也为临床医学的发展开辟了新的途径，注入了新的活力。高分子生物材料中聚合物具有一定的机械强度和加工性能，可为细胞生长和组织再生提供适宜的支架，而生物活性材料由于具有良好的生物相容性和可降解性，对组织结构的再生和修复起着重要的诱导和促进作用。本课题的研究工作旨在研制开发出以纺织物为支架、生物活性材料为涂层的新型生物复合材料人工气管，希望能够将这两类不同特性材料进行有机组合从而产生综合两者优异性能的复合体，同时通过对其各项性能的测试和分析来获褥较佳的制造工艺。本文首先选定了人工气管支架织物的编织原料为具有生物学惰性及良好力学性能的医用丙纶和具有优庭生物性能的聚乙丙交酯：由于甲壳素兼具高等动物组织中的胶原和植物纤维中纤维素两者的优异生物特性，所以在本课题中采用的人工气管涂层材料为壳聚糖乙酸溶液。其次根据人工气管的理想性能特征设计了三种用作支架的管道织物：机织组织管道织物、针织添纱组织管道织物和仅采用聚乙丙交酯编织的可完全降解的针织纬平针管道织物。考虑到涂层工艺对人工气管性能的影响，在试样制备前本课题预先考察了不同浓度涂层剂溶液的涂层效果，并以此为依据选择了效果较佳的涂层工艺用于人工气管试样的制备，保证了试样的可比性。在试验测试部分，本课题对试样的拉伸性能和径向强度进行了测定，根据试验的结果深入研究了每种管道织物在测试过程中的不同变形作用，也得到了不同的编织工艺参数对人工气管力学性能的不同影响：原料的细度的变粗可增大人工气管各力学强度指标；机织组织管道织物中两种原料的排列方式对人工气管的拉伸性能并无明显影响而对其径向强度影响显著，其中以“1 隔1 ”和“3 隔3 ”的排列方式较佳。此外，本课题也对可完全降解与不可完全降解两种人工气管进行了降解性能的考察并加以对比分析，它们在降解过程中表现出的径向强度的变化趋势可以作为研制人工气管的另一项重要依据。本课题的研究为气管替代物的研制提供了重要的理论依据和参考价值，促进和推动了纺织品在医学领域的发展。关键词：人工气管；生物复合材料；聚丙烯；聚乙丙交酯；壳聚糖；力学性能；生物降解性能；d e v e l o p m e n to ft e x t i l es t r u c t u r e db i o l o g i cc o m p o s i t e sa r t i f i c i a lt r a c h e aa b s t r a c tt r a c h e a lr e s e c t i o na n dr e c o n s t r u c t i o ns h o u l db ep e r f o r m e ds o m e t i m e sd u et ot r a u m ao rt u m o r s ，a n dt r a c h e a lp r o s t h e s i si sp r e f e r r e de s p e c i a l l yw h e nt h er e c o n s t r u c t i o no ft r a c h e a ld e f e c t si sm o r et h a n5 0 r a m a l t h o u g ht h er e s e a r c ho fb i o c o m p a t i b l et i s s u e - e n g i n e e r e dt r a c h e ai ss t i l li ni t si n i t i a ls t a g e s ，t h ep e r f e c ti n t e g r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fp o l y m e r i cs c i e n c e sa n dl i f es c i e n c e sp r o v i d en e c e s s a r ys u b s t i t u t e sf o rt r a c h e a lp r o s t h e s i sp o l y m e r i cb i o m a t e r i a l sc o m p r i s em a i n l ys y n t h e t i ca n dn a t u r a lm a t e r i a l st h ef o r m e rs u c ha sp o l y m e r sa r ec h a r a c t e r i s t i co fc e r t a i nm e c h a n i c a ls t r e n g t h sa n dp r o c e s s i n gp r o p e r t i e s ，w h i c hc a np r o v i d ea p p r o p r i a t es c a f f o l d sf o rc e l lg r o w t ha n dt i s s u er e g e n e r a t i o n c o m p a r e dw i t ht h ef o r m e r , t h el a t t e rw h i c hp o s s e s se x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i i “ya n db i o d e g r a d a b i l i t yp l a yac r u c i a lr o l ei ni n d u c i n ga n df a c i l i t a t i n gc e l lg r o w t ha n dt i s s u er e g e n e r a t i o n t h eo b j e c t i v eo ft h i sp r o j e c ti st op r o p e r l yi n t e g r a t et h et w ok i n d so fd i f f e r e n tm a t e r i a l sa b o v et od e v e l o pan e wt y p eo fb i o l o g i cc o m p o s i t e sa r t i f i c i a lt r a c h e a ，w h o s eb a s i cf r a m e w o r ki st e x t i l ef a b r i cw i t hs e q u e n t i a lc o a t i n go fb i o a c t i v em a t e r i a l s ，a n dt oo b t a i nt h ep r o p e rf a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nt h er e s u l t so f e x p e r i m e n t s f i r s t l y , a f t e rag r e a td e a lo fi n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c h ，t h ea u t h o rc h o s ep o l y p r o p y l e n e ( p p ) a n dp o l y ( g ；l y c o l i d e - l a c t i d e ) ( p g l a ) a st h et u b u l a rf a b r i cm a t e r i a la n dt h ea c e t i ca c i ds o l u t i o no f c h i t o s a na st h ec o a t i n gm a t e r i a l p o l y p r o p y l e n ed i s p l a ys u p e r i o rb i o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw h i l et h ep g l af i b e ri sc h a r a c t e r i s t i co fc o n t r o l l a b l eb i o d e g r a d a b i l i t y a n dc h i t i ni n t e g r a t et h ee x c e l l e n tb i o l o g i c a lp r o p e r t i e so fb o t hc o l l a g e na n dc e l l u l o s es e c o n d l y ，b a s e do nt h ei d e a lc h a r a c t e r so fa r t i f i c i a lt r a c h e a ，t h r e et y p e so f t u b u l a rf a b r i cw e r ed e s i g n e da st h es t e n t ：w o v e nt u b u l a rf a b r i c ；p l a t i n gk n i t t e dt u b u l a rf a b r i ca n dc o m p l e t e l yd e g r a d a b l ek n i t t e dt u b u l a rf a b r i cw h i c hi sm a d eo f p g l ao n l yi nv i e wo ft h ei n f l u e n c eo fc o a t i n gp r o c e d u r e ，p r e f e r a b l ec o n c e n t r a t i o no ft h ec o a t i n gs o l u t i o nw a ss e l e c t e db ye v a l u a t i n gt h ed i f f e r e n tc o a t i n ge f f e c t ，a n di tw a sa d o p t e di nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so f t h ea r t i f i c i a lt r a c h e a ls a m p l e st h e nm e c h a n i c a le x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt om e a s u r et h el o n g i t u d i n a lt e n s i l es t r e n g t ha n dr a d i a ls u p p o r t i v es t r e n g t hb a s e do nt h et e s t i n gr e s u l t s ，t h ed i f f e r e n td e f o r m a t i o nt h n c t i o n so ft h et u b u l a rf a b r i cw e r eo b t a i n e da n dw ec o n c l u d et h a tt h es t r e n g t hi n d e x e sv a r yd i r e c t l ya st h em a t e r i a ld i a m e t e ra n dt h ea r r a n g e m e n to ft h ep pa n dp g l ah a sap r o m i n e n ti n f l u e n c et ot h er a d i a ls u p p o r t i v es t r e n g t ho ft h ew o v e na r t i f i c i a lt r a c h e a i na d d i t i o n ，t h ed e g r a d a t i o np r o p e r t yo ft h et r a c h e a lp r o s t h e s i sw a si n v e s t i g a t e da n dt h i sp r o v i d e sa n o t h e ri m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o rt h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo f t h ea r t i f i c i a lt r a c h e a a c h i e v e m e n t so ft h i sr e s e a r c hh a v eh i g hv a l u ef o rr e f e r e n c ea n dp r o v i d et h e o r yf o u n d a t i o nf o rt h ei n v e s t i g a t i o no ft r a c h e a lp r o s t h e s i si tw i l la c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to f t e x t i l et e c h n o l o g yi nm e d i c i n ef i e l dx uy a n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g )s u p e r v i s e db yz h a n gp e i l l u ak e y w o r d s ：a r t i f i c i a lt r a c h e a ；b i o l o g i cc o m p o s i t e s ；p o l y p r o p y l e n ep o l y ( g l y c o l i d e l a c t i d e ) ( p g l a ) ；c h i t o s a n ；m e c h a n i c a lp r o p e r t yb i o d e g r a d a b l ep r o p e r t y东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，祟尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：被毯日期：文耐年胁月叫6 日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密留。学位论文作者签名：绦乏色日期：踢年u 月酬j 曰指导教师签名：3 仂“钆啤日期：州年i 工月硼7 夕第一章引言第一章引言1 1 组织工程的发展组织工程一词是最早是由美国国家基金会1 9 8 7 年正式提出并确定的，它是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上的又一个新的里程碑，它标志着医学将走出器官移植的范畴，步入制造组织和器官的新时代。1 1 1 组织工程的技术原理及特点组织工程是多交叉领域，综合了细胞生物学、工程学、材料学和临床医学，它利用工程学和生命科学的基本原理，开发能恢复、维持或改善受损组织或器官功能的生物替代物，用活细胞和细胞外基质或骨架构造一个新的功能化组织或器官【l 】。其基本技术原理如下，首先是体外进行细胞( 种子细胞) 培养，随后把培养好的细胞复合在细胞外基质替代物上( 组织工程术语叫支架) ，随后把这种细胞支架复合物植入体内缺损部位。在体内，细胞继续扩增，生物材料则逐渐被降解吸收，结果形成具有形态和功能的组织器官，从而达到修复结构重建功能的目的。显而易见，这种组织工程能够克服目前临床上常用的治疗方法的不足而具有独特的优点：l 、人工组织材料形状可按照组织器官缺损情况任意塑形达到完善修复；2 、减轻对供体器官的伤害，使用少量供体细胞进行体外扩增可形成无限量的供体；3 、避免了免疫排斥反应；4 、降低了治疗费用；5 、动物实验研究表明组织工程材料具有替代组织的形态和功能，能够替代被修复的组织和器官( 如腱、骨、软骨) 。1 1 2 组织工程的应用历史人们对组织工程的应用已有十分悠久的历史，记载表明约在公元前4 0 0 0 年前人类就已经有了缝合和闭口的方法，公元前2 0 0 0 年己开始使用金属来补修骨头，到本世纪初，人们已经使用天然组织来修复1 第一章引言皮肤，但是当时由于没有免疫反应的知识而未得到成功，因此放弃了使用天然组织的努力而开始致力于用合成材料作为医用植入物的研究。到第一次世界大战期间，不锈钢和其它金属已成为主要矫形植入材料；到第二次世界大战后，高分子工业得到了大发展，并发现了大量具有优良性能的新材料。最初认为，生物高分子材料的高分子的稳定性越高越好，因此当时主要着眼于生物惰性高分子如涤纶、氟纶和硅橡胶等的研究：直到八十年代，在认识到植入物和它周围的组织间存在某种相互作用时可促进创伤口的修复后，才修正对生物材料的认识，从而转为将材料科学同免疫学和细胞生物学相结合，设计制备具有生物降解功能的高分子，进而设计人体器官和组织的代替物，并取得了良好的效果【2 1 。113 组织工程三大要素之一的细胞支架组织工程的三大要素是：种子细胞、生物材料及组织和器官的形成和再生( 细胞支架) 。其中，细胞支架起中心作用，它不仅为特定的细胞提供结构支撑作用，而且还起到模板作用，引导组织再生和控制组织结构【”，因此，高分子支架是组织工程研究的重要组成部分。在人工气管的发展过程中，已经将组织工程这一概念引入其中，作为一种细胞支架其制造方法在经历了非网状结构到网状结构、普通惰性材料到可生物降解材料后，现已发展到具有生物性能的复合材料人工气管，但尚需在支架结构、原料力学性能、降解性能等方面做进一步完善。1 2 人工气管的研究进展著名气管外科专家n e v i l l 4 1 教授指出，理想的气管替代物应具以下六大特征：( 1 ) 管腔密封不漏气；( 2 ) 易弯曲成形，但不致塌陷；( 3 )良好的组织相容一陛，能与宿主组织紧密结合；( 4 ) 炎症反应最小，无致癌性；( 5 ) 内壁光滑，防止成纤维细胞和细菌的侵入；( 6 ) 有利于气管粘膜上皮的生长。但现有的人工气管假体很难完全符合以上所有2 第一章引言条件，人工气管移植还是一项不成熟的技术。当前人工气管移植所面临的问题主要有：( 1 ) 管腔狭窄；( 2 ) 吻合口漏气；( 3 ) 排斥反应【”。为了解决以上问题，人工气管的研制经历了从非网状到网状，从普通惰性材料到生物材料，从不降解到可降解吸收，从单一材料到复合材料的发展，并取得了一定的进展。1 21 无孔型人工气管移植的研究人工气管假体有无孔型的，如n e v i l l 【4 】等应用硅酮制成的无孔型人工气管。经过长期的临床实验，n e v i l l 总结了十几年的病例，发现用硅酮制成的无孔型人工气管能较好地避免吻合口漏及排斥反应，也没有因严重的感染而导致移植失败。该材料有一定的强度和弹性，没有一例发生管腔塌陷。但其主要的缺陷是吻合口有肉芽组织增生反应，并有可能园严重的肉芽组织增生和慢性纤维化导致再狭窄。无孔型人工气管与受体组织结合较差，假体的移位可能造成管腔的狭窄和堵塞，必须再手术。此外，材料质地太硬也是其另一隐患。国内的许多学者同时也在不断地探索研究气管的代用品，亦有专家采用自行研制的无孔型人工气管进行实验研究及临床应用。李前生等【6 】所采用的人工气管为外层覆盖涤纶织物，内层为无孔硅胶，这秘人工气管在临床应用时两端和气管残端吻合后，管腔内外即隔断，使外壁可保持无菌；涤纶织物多空隙，易被机体包裹机化。鲁世千等 7 1 自制的人工气管是将医用涤纶布缝于硅胶管壁上，但缝针不刺穿管壁，保持管腔完整，可防止细菌侵入。经动物实验证明，带涤纶布缝合缘的人工气管，在与受体气管吻合时，留有l m m 2 m m 缝隙，可使吻合口有一定的活动度，以减少硅橡胶管对气管的刺激，且这种措施可减少或延缓肉芽生长。候东祥等【8 】自7 0 年代开始进行气管移植的实验研究，1 9 8 8 1 9 9 1 年研制出涤纶一硅环人工气管，实验动物存活率达9 0 以上，并通过分组实验进行进一步研究，认为用涤纶制成管道，然后管道内壁两端5 m m 不涂硅胶，5 m m 内开始硅环处理，每1 0 m m 一环，硅环宽3 m m 、厚1 m m ，此种人工气管既能保证生物气管与涤纶的愈合，第一章引言又不致使吻合口发生肉芽，管腔内无痂皮，有利于宿主气管粘膜上皮生长进入人工气管，是一种可以临床应用的人工气管。1 2 2 网状人工气管移植的研究由于无孔型假体与受体结合不佳，有移动倾向，且不易于自体上皮长入管腔，不能完全替代正常生理条件下的气管，现在更常见的人工气管假体是网状的。网状人工气管强度较低，常以螺线管加固，既保证了强度，又有一定的活动度。p e a r s o n 等i s 用粗聚丙烯纤维网制成人工气管移植替代狗的颈段或胸段气管，4 8 周时肉芽组织完全覆盖管腔，6 8 周时有上皮长入，上皮一旦覆盖，炎症消退，肉芽组织停止增生。但因上皮是从两吻合口向中问爬行，假体的中段上皮生长不完全，导致肉芽增生、狭窄。除了上述的硅酮、聚丙烯外，还有多种高分子材料被用以制造人工气管假体。l e a k e 等【”1 用涤纶布制成网状假体，并以聚尿醚热固定。8 条杂种狗，各切除1 0 个软骨环，约7 0 8 0 r a m 长，移植上述假体，分别于3 2 7 个月后处死，有呼吸道上皮长入。j a c o bs t l l 】等将涤纶一聚氨酯网帛成的人工气管，以两步法移植于狗，可见有连续的正常呼吸道上皮在管腔内生长，吻合i ：1 无反复的肉芽肿形成。国内饶天健等”“3 1 用聚酯涤纶制成网状人工气管进行动物实验，认为采用微孔绒状管壁设计不仅明显提高了人工气管的柔顺性、屈曲性和顺应性，从而防止移植材料对周围血管的侵蚀；而且更符合人工气管在体内实现组织化的要求，有利于组织细胞的攀附长入。此外，随着对人工气管研究的不断深入，由于炭纤维具有含碳量高、无毒、无刺激、生物相容性好的优良特性亦被开发用作人工气管的原料。韩健等1 1 4 ) 分析了不同炭纤维的各种性能，并将制成的人工气管与动物气管相比较，认为含碳量为9 9 的人工气管生物相容性最好，但不容易制作成形；同时，使用不同制作方法制成三种气管假体，通过大量动物实验认为性能最好的炭纤维人工气管类型是：使用炭纤维4 第一章引言制成管状物，然后在管腔内壁涂医用硅橡胶以保证气管有一定的硬度和弹性及顺利排痰，气管假体无孔且两端无沿。王福忠、戚良晨等【l “1 根据犬气管的生物力学性能的测定结果，提出人工气管的几点制造要求，并设计制造出由炭纤维、硅橡胶复合材料制成的新型人工气管。其结构包括( 1 ) 以炭纤维网管为基本骨架，两端有环，环间为双层炭纤维网，环外为单层炭纤维网，并有一斜坡。( 2 ) 人工气管的环是用炭纤维束缠绕在炭纤维网管上的且距管端5 m m ，并用医用涤纶线缝合固定在炭纤维网管上。( 3 ) 人工气管内壁涂以硅橡胶，但不能透过外层炭纤维网，环外侧内环壁均涂以硅橡胶。( 4 ) 炭纤维与硅橡胶永久留于体内相互不分离。其优点是炭纤维与周围组织的相容性好，炭纤维编织表面不光滑，利于固定，还可以刺激周围组织再生气管环。并且在此基础上还分别制成直管型1 1 7 1 与分叉型1 1 ：1 两种类型人工气管进行实验研究，其中，直管型人工气管已经应用于临床，但分叉型仍存在吻合方法、吻合口漏气等问题。1 2 3 针织成形生物复合材料人工气管的研制近年来，针织成形技术的发展，为模拟人体内气管的成形，也为编织人体各种器官的骨架开辟了又新途径。针织成形编织的器官骨架能符合人体器官的柔顺性、顺应性和屈曲性的要求，并且此种人工气管的优越性是用机织结构、膜结构、布条包绕等方法所制成的人工气管无法比拟的。本校纺织学院生物医用纺织品研究中心 19 l 已初步研制成功采用针织成形编织支架的生物复合材料人工气管，并在犬实验中获得基本成功，如图1 1 所示。其方法为采用可生物降解材料p g l a 与不可降解材料聚丙稀为编织原料，利用针织成形加工方法图1 1 针织结构人工气管支架第一章引言制成人工气管骨架，以聚氨酯作为内壁涂层，支架表面涂层采用可降解材料聚乳酸，最后再与胶原液复合成壁厚数毫米的海绵状人工气管，这是一种既能保持内壁平滑，同时又不致发生管壁塌陷和管体变形，易于外科缝合，不易脱落的生物复合材料人工气管。人工气管内径为十毫米以上，其爆破压力为1 6 0 k p a ，抗拉强度4 6 0 n ，其力学特性适宜于人体纵向蠕动和横向扩张的需求。制成的人工气管还进行了实验犬颈部气管置换的动物实验，所有实验犬术后恢复基本顺利，呼吸平稳，气道通畅，无肺部感染等并发症发生。经初步实验证明，采用针织成形加工的人工气管骨架，不仅明显提高了人工气管的柔顺性、屈曲性和顺应性，而且由其制成的生物复合材料人工气管的弹性和支撑力能适应气管的要求，置于犬体内能达到维持气道畅通的目的，同时可防止移植材料对周围血管的侵蚀，更符合人工气管在体内实现组织化的要求，有利于组织细胞的长入。由此可见，此种新型生物复合材料人工气管在犬实验中已基本成功，生物复合材料人工气管技术趋向成熟阶段。1 3 本课题的研究意义及目的在临床医学上，由于外伤或肿瘤等各种疾病造成的组织结构缺损、功能丧失或器官衰竭，人类常需进行器官组织的移植。气管因病变有时需要做切除并进行气道重建，当切除气管的长度较小时可以直接进行端端吻合，但由于气管解剖学上的特点，如果切除长度超过直接吻合限度5 0 r a m ，则常需用代用品一一人工气管来进行气管重建，以保证气道的连续性和通畅。在目前国际上对于气管替代物的研究中，具有良好生物性能的组织工程化人工气管的研究仍处于起步阶段，还存在大量的技术难题需要解决。组织工程即高分子材料科学和生命科学的完美结合，是2 0 世纪后叶世界科学技术交叉渗透与发展的重要产物，为人类组织器官的修复和改善病损组织的功能提供了必要的替代材料，也为临床医学的发展开辟了新的途径，注入了新的活力。高分子生物材料中聚合物具有一6 第一章引言定的机械强度和加工性能，可为细胞生长和组织再生提供适宜的支架，而生物活性材料由于具有良好的生物相容性和可降解性，对组织结构的再生和修复起着重要的诱导和促进作用。如果能将此两类不同特性的材料进行有机组合从而产生综合两者优异性能的复合体，不仅是理论方面的创新，同时也是技术上的创新，将为研制结构和性质类似于人体的人工气管开辟更为广阔的途径。鉴于此，本课题的研究工作旨在研制开发出以纺织物为支架、生物活性材料为涂层的新型生物复合材料人工气管，并希望能够通过对其各项性能的测试和分析来获得较佳的制造工艺。7 第二章应用于人工气管的可生物降解材料第二章应用于人工气管的可生物降解材料近年来，随着高分子生物材料和生物医学工程的迅速发展，高分子生物材料的优良特性得到了人们的进一步认识，并将其引入医学领域，已应用于外科材料，使得利用生物复合材料研制人工气管成为可能【2 0 2 。高分子生物材料是高分子科学和生命科学相互渗透和发展的必然产物，也为人类健全和完善身体功能提供了必要的材料。高分子生物材料主要包括合成材料与天然材料。合成材料( 如高分子聚合物) 可以加工成不同形状结构，设计制造过程中能对材料的许多性能进行控制，包括机械强度、亲水性、降解速度等；与之相比，天然材料( 如天然蛋白质、多糖类材料) 具有特殊的生物活性并且通常不易引发受体的免疫排斥反应，其良好的生物相容性和可降解性，通过适当的改性与复合，对于组织结构的再生和修复起着明显的诱因和促进作用。将上述两类生物材料组合在一起，不仅兼具组分材料的特性，而且可以得到单组分材料不具备的新性能，以获得结构和性质类似于人体的人工替代品用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造【3 l 。2 1 可用于人工气管支架织物的可生物降解材料作为组织工程用的生物材料，一般必须具有以下的性能：生物可降解性、良好的生物相容性和细胞亲和性、一定的力学性能、可加工性及可消毒性 2 2 1 。在高分子生物材料中，p l a 、p g a 及l a 和g a 的共聚物p g l a 在本体性质上基本符合要求，工艺上也能制成纤维或长丝，已作为第一代组织工程用生物降解材料取得了一些进展，也具有更为广泛的应用前景。2 1 1 聚乳酸( p l a )聚乳酸不仅具有较好的强度、柔软性、通透性、化学惰性及易加工等特点，而且还具有可溶性和良好的降解性，其降解产物能参与人8 第二章应刚于人l 气管的可生物降解材判体新陈代谢，对人体无毒、无积蓄，并且其性能可在大范围内通过与其它单体共聚得到调节，当前已成为生物降解医用材料领域中极为受重视的材料之一 23 、2 6 】。聚乳酸的制备是以乳酸为原料进行的，其合成主要采用两种方法，一步聚合法( 直接缩聚法) 和两步聚合法( 丙交酯开环聚合法) 。其中，一步聚合法，顾名思义就是通过乳酸直接缩聚得到聚乳酸，但反应较难控制。而在实际生产中，一般采用两步聚合法生产聚乳酸，首先由乳酸脱水环化为聚合单体丙交酯，再通过正交酯的开环聚合得到聚乳酸 2 7 】。p l a 的应用与其降解特性有着直接的关系。p l a 的水解主要包括吸水、酯键的断裂、可溶性齐聚物的扩散和碎片的溶解等四个过程 2 8 l ，且这些过程受到材料形态、化学组成、结构、分子量、材料尺寸、材料中反应性化合物的分布、降解环境的性质等诸多因素的影响。亦有研究认为 2 3 】：本体侵蚀机理是p l a 降解的主要方式，聚合物链上酯键的水解是其根本原因，并且p l a 类聚合物中的端羧基( 由聚合引入及降解产生) 对其水解起催化作用，随降解的进行端羧基量增加，降解也加快，这就是所谓的自催化现象，对于尺寸、厚度较大的p l a 类制品，其降解存在着明显的不均匀性。并且认为，p l a 的降解与机体内的酶作用无关，不存在种属差异性，这对其作为医用材料也是很重要的。而在体内，p l a 分解成乳酸，再经代谢生成二氧化碳和水，由人体排出，没有发现严重的急性组织反应和毒理反应 2 7 1 ，证明其具有良好的生物相容性，可安全用于医疗领域。21 2 聚乙交酯( p 8 a )聚乙交酯又称聚乙醇酸或聚羟基乙酸，它是可生物降解合成聚酯类材料中结构最简单的一种。由于聚乙交酯纤维具有适当的断裂强度和延伸度，并且初始模量较低，柔性较好，从而具备了制作医用手术缝合线的力学性能，在1 9 6 2 年由美国c y a n a m i d 公司用作开发手术缝合线的原料，成为体内可吸收高分子最早商品化的一个品种，目前已9 第二章应用于人工气管的可生物降解材料成为生物降解医用材料的热点之一。p g a 可通过缩合聚合法和开环聚合法这两种化学方法来合成，是半晶型的聚合物，并且同别的聚合物一样，其各性能的强弱还依赖于制备的方法、受热历史、分子量、分子量分布及纯度等因素。p g a 降解的主要方式也是本体侵蚀机理，即聚合物链上酯键水解，亦属非酶水解。这种半晶态的p g a 首先从非晶态区开始降解，第二阶段才是晶态区的降解，并且水降解过程中，材料的结晶度先增加而后缓慢降低。在现有可生物降解聚合物中聚乙交酯的降解速度较快，尤其是短时间内强度衰减快，易出现崩解，使p g a 支架整体塌陷。同时发现由于p g a降解过快，降解形成产物单体羟基酸在局部积聚，会造成局部p h 值下降，使细胞中毒乃至死亡，所以在某些需要较长时间保持强度的领域受到限制，而p l a 的降解速度要慢，由此人们研究开发了p l a p g a共聚物，使p g a 的降解速度得到了有效的控制。另外，亦有研究表明缓冲溶液的p h 值对其降解速度有影响：随p h 值的增大p g a 的水解速度加快【2 9 1 3o l 。在对p g a 生物相容性和吸收性能的研究中，有将其纤维埋入大白鼠体内的实验，经病理活组织检验表明，p g a 纤维对机体无毒性，组织反应小，生物相容性良好，最终能被机体完全吸收【”】。但是，p g a降解周期短；并且由于它的熔点高，给熔融纺丝造成一定困难；其纤维柔性较差，不易弯曲，给编织带来不便；纤维机械强度不高，难于制成复杂的形状，所以可以通过与其它材料共聚来改善其各方面性能，最终用作生物降解医用高分子材料。2 1 3 聚乙丙交酯( p g l a )聚乙丙交酯( p g l a ) 是由羟乙酸( 又称乙醇酸) 和乳酸聚合而成，且多采用开环聚合法，它兼有二种聚酯材料的优势，被广泛应用于生物医学领域，如手术缝合线、骨科固定、组织修复材料及药物控制释放体系等”l 。p g l a 在3 7 活体内降解时，其代谢产物无毒，且产物可以通过1 0 第二章应用于人工气管的可生物降解材料肾脏等排泄系统排出体外，或能够进一步参与体内的新陈代谢循环，因此具有良好的生物相容性和可降解性。一般认为p g l a 聚合物的降解要经过两个阶段，首先在有水环境中，p g l a 聚合物表面在微生物或细胞释放的酶的促进下，酯键发生水解。大分子链逐渐断裂，转变成低分子聚合物；接着按完全分解过程，使一次分解产生的低分子量中间生成物，逐渐脱落溶解，转变成生物体自身所含并能代谢的乳酸、n 一羟基乙酸，最终生成二氧化碳及水等产物。影响聚合物降解的园素很多，就材料本身而言，聚合物分子量越大，分子结构排列越规整，生物降解速度越慢。另外，亦有实验测定【”】：聚合物的降解速度随聚合原料比例的不同而不同，其变化规律为：随着共聚物中g a 含量的增加聚合物的降解速度有所加快，当g a 含量为7 0 时聚合物降解速度最快，这样，就可以通过二者的不同配比来满足降解周期的不同需要。其生物降解速度除与材料本身特性有关外，还与材料接触到的微生物种类等环境因素有关。因为环境因素对微生物的生长代谢密切相关，进而也影响为之分解的p g l a 降解速度，这些因素包括微生物所需的营养物质、p h 值、光、0 。等，其中，就温度而言，2 0 4 5 为p g l a 最易于降解的温度范围；而在p h 值为5 - 9 时微生物较易生长，也经实验证明碱性条件下，p g l a 降解速度最快。为了进一步研究p g l a 纤维的生物相容性和吸收性能，已经有将其埋入大白鼠左右后大腿外侧皮下进行的动物实验 3 3 l 和埋入家兔肌肉深处的实验3 2 l ，实验均表明，p g l a 纤维对机体无毒性，组织反应极小，能被机体吸收，生物相容性良好，是一种极有潜质的生物降解医用高分子材料。2 2 常用的生物涂层材料除了人工气管支架材料的改进外，还可以在原有的支架材料上涂以生物材料，以提高其组织亲和力，并促进受体呼吸道粘膜上皮细胞长入。第二章应用于人工气管的可生物降解材料2 2 1 胶原o k u l n u r 等【”1 以细聚丙烯纤维网制成2 0 m m 长的人工气管，其外壁以连续的聚丙烯螺线加固，然后涂以胶原，在狗身上进行了人工气管移植的动物实验，该实验结果证明胶原有助于呼吸道上皮长入管腔。一般认为，胶原具有较好的生物相容性和一定的生物降解性，能促进细胞生长和粘附，且抗原性弱，炎症反映轻微，无细胞毒性。将胶原涂在细聚丙稀纤维网表面，既改善了假体的生物相容性，使吻合口处无漏气、肉芽过度增生等现象产生，又促进了受体呼吸道上皮长入，减少了管腔狭窄。但是，如果胶原在上皮完全覆盖之前被吸收，就会导致肉芽组织增生，因此，假体中段往往是上皮覆盖最薄弱的部位。如果能延续胶原的吸收，也许能使更长的假体腔面被粘膜上皮覆盖5 1 。胶原作为多种细胞培养生长的基质材料，在各方面优良的表现已有大量的报道，但在人工气管材料方面的应用，存在些问题：l 、力学性能差，机械强度小。在含水条件下难以塑型，不宜用于内部器官的重建；2 、体内及新生组织细胞产生的胶原酶极易将其降解。在体内降解吸收过快，不能与组织细胞生长繁殖的速度相匹配1 3 5 1 。22 2 甲壳素甲壳素又称甲壳质，来自虾和蟹等节足动物的甲壳中，地球上每年由生物合成的甲壳素可达几十亿到几百亿吨，在天然高分子中的产量仅次于纤维素，是一种极为丰富的自然资源。在结构上，甲壳索是一种带正电荷的天然含氮多糖类高聚物，由2 一乙酰胺基一2 一脱氧葡萄糖通过量一( 】一4 ) 苷键连接而成的线性高聚物，结构同纤维素相似。它般由虾、蟹外壳经稀酸、稀碱处理除去碳酸钙和蛋白质，再经脱色处理得到。纯甲壳素是白色或灰色半透明的片状固体，不溶于水、稀酸、稀碱及一般有机溶剂。甲壳素的1 2 第二章应用于人工气管的可生物降解材料难溶性是影响其发展利用的重要因素。但人们经过探索发现，甲壳素经浓碱处理，脱去n 一乙酰基，则转化为脱乙酰甲壳素即壳聚糖，成为可溶性甲壳素。由于壳聚糖分子结构中有氨基，反映活性和溶解性能均比甲壳素强，可溶于盐酸、甲酸、乙酸等稀酸中，是甲壳素最重要和应用最广的衍生物 3 6 】。甲壳素作为低等动物中的纤维组分，兼具高等动物组织中的胶原和高等植物纤维中纤维素两者的生物功能，因此生物特性十分优异，其主要特征为：l 、生物相容性好。甲壳索及其衍生物是无副作用的天然聚合物，其化学性质和生物性质与人体组织相近，因此，其制品与人体不存在排斥问题；2 、生物活性优异。甲壳素及其衍生物因本身所含的复杂的空间结构而表现出多种生物活性，其制品具有抑菌、降低血清和胆固醇含量、抑制成纤维细胞生长、直接抑制肿瘤细胞以及促进上皮细胞生长、促进体液免疫和细胞免疫等作用；3 、生物降解性好。甲壳素及其衍生物在酶的作用下会分解为低分子物质，因此，其制品用于一般的有机组织均能被生物降解而被肌体完全吸收。甲壳素的这些特性使得其可应用于众多医疗保健用途中：保护伤口、免疫调节、降低胆固醇、抗菌、降m 压、脂质排泄、促进乳酸菌生长、促进伤口愈合以及细胞活性化等”1 。此外，甲壳素除具有上述特点及应用外，还含有氨基葡萄糖基元，与调控软骨细胞再生的型胶原和糖胺聚糖的结构相似。因此，甲壳素可用作软骨组织细胞附着的支架材料 38 】。2 3 本课题所采用的原料231 本课题采用的人工气管支架织物原料2 311 支架织物的可生物降解原料综合考虑以上各种可生物降解材料的性能，本课题最终采用1 3 第二章应用于人工气管的可生物降解材料p g l a ( 1 0 9 0 ) 并股长丝为人工气管支架织物编织的可生物降解原料。p g l a 兼具两种共聚物的优点：聚乙交酯强度较高、无毒性、与肌体相容性良好；与聚乳酸聚合后降解周期加长，强度保持时间加长；断裂强度和初始模量比聚乙交酯有所下降，断裂伸长则有所增加，其柔性与聚乙交酯相比有所改善，这样有利于编织的进行。另外通过改变共聚物的组成，可以调节聚合物的降解周期，扩大了应用范围 2 9 】。由于原料具有可生物降解性能，特别是原料在我们编织前已经在工厂内存放了较长时间，为防止其物理机械性能的受损，我们在编织时尽量在一个工作日内完成，然后包装好放入冰箱内存放。在实验初期对选用的原料进行了相关的性能测试，其各性能指标如表2 1 所示。表2 1p g l a 长丝的部分性能指标密度熔点断裂强度断裂伸长吸收周期摩擦系数( g c m 3 )( )( c n d t e x )( )( 天)1 2 6o 3 8 02 3 52 8 82 2 19 0由表中的数据可看出p g l a 长丝的断裂强度、断裂伸长都较高，能够满足人工气管支架织物力学性能的基本要求，在本课题的试验中是根据不同编织方案的需要进行并股采用的。同时，我们也在试验进行的过程中考察了其力学性能的变化，以验证试验结果的误差范围。在保存方法相同的前提下，两个月内每周对其进行一次拉伸测试，考察其断裂强度随时间的变化情况，结果如图2 1 所示。2 5， r 10l2345678降解时间( 周)图2 1p g l a 拉伸强度在两个月内的变化情况1 4 xa暑。一巡嚼碟鉴第二章应用于人工气管的可生物降解材料由图2 1 可以看出p g l a 在两个月左右的时间范围内并无机械强度的明显变化，说明我们采用的保存方式适当，能够控制由编织原料性能变化所引起的误差在很小的范围内。2 3 1 2 支架织物的不可生物降解原料由于人体呼吸道细胞生长的周期较长，对于人工气管力学强度的保持就要求有较长的时间，为了避免由p g l a 完全降解性能所致的局限性，所以在本课题对不可完全降解人工气管的制备中，原料中加入了在医疗方面已获得广泛应用的医用聚丙烯。聚丙烯作为制造医疗用品的原料，由于具有耐微生物性非常好、比重小、抗磨性好、耐高温、易加工成形、价廉等特点，其用量仅次于聚氯乙烯，居第二位，占医用塑料总量的七分之一【3 94 ”。由于聚丙烯纤维的技术性能在很大程度上会随着生产工艺参数的不同而有较大差异，所以我们在使用前对其性能进行了测试，其各性能指标在表2 2 中给出。表2 2 医用聚丙烯的性能指标细度密度吸湿性断裂强度断裂伸长摩擦系数( t e x )( g c 3 )( )( e n d t e x )( )6 0 3 00 7 9 5o0 2 63 1 92 1 72 3 2 本课题采用的人工气管涂层原料由于甲壳素兼具高等动物组织中的胶原和植物纤维中纤维素两者的优异生物特性，所咀在本课题试验中采用的人工气管涂层材料即为壳聚糖乙酸溶液。在纺织结构生物复合材料人工气管的研制过程中，我们对其涂层工艺也要进行考察，在涂层剂溶液选定的基础上我们配制了三种不同的涂层剂溶液浓度( 质量百分比浓度) ：15 、25 、35 ，然后通过对其不同的涂层效果的分析比较，从中选择较佳的浓度参数。第三章人工气管支架织物的结构和编织工艺第三章人工气管支架织物的结构和编织工艺在本课题对于纺织结构生物复合材料人工气管的研制中，尝试了两类纺织结构的人工气管支架：一类是不可完全降解的机织组织管道织物和针织添纱组织管道织物；另一类则是可完全降解的针织纬平针组织管道织物。3 1 机织组织人工气管支架织物的制备机织组织管道织物是采用实验室的机织小样机来编织的。机织小样机操作简便，织物的纵密和纬密