（纺织工程专业论文）编织结构周围神经再生导管的结构和性能研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

编织结构周围神经再生导管的结构和性能研究 摘要 周围神经缺损后的再生和功能恢复一直是神经科学领域的热点 问题。由于周围神经结构和功能上的特殊性，大多数情况无法直接对 拉吻合，因此必须寻找一种神经替代物来修复缺损。近十年来，随着 材料科学和分子生物学的发展，用于神经修复研究的材料品种越来越 多。对于神经修复的研究重点也己从单纯地对神经修复技术的研究转 向为对神经再生的研究。 所谓神经再生导管就是用生物或非生物的材料预制成管状，再将 神经的远近断端放入管内，两断端神经外膜与管壁各缝1 2 针固定。 随后神经轴突即可沿着管腔从近端长入远端。随着组织工程的发展， 人工神经再生导管的研究迅速成了目前人们研究的焦点。 聚乙交酯一丙交酯共聚物( p g l a ) 编织结构神经再生导管，是目 前世界上研究修复神经缺损的导管之一。桥接白鼠体内1 4 m m 坐骨神 经损伤的动物实验表明，该种导管具有良好的生物相容性，能够引导 神经再生。然而，有一些导管在实验过程中出现轻微的塌陷现象，严 重影响了神经的生长。因而，神经再生导管的力学性能，尤其是径向 支撑力是影响神经再生的重要因素，有必要对导管的径向压缩性能做 进一步的研究。神经再生导管对导管的拉伸性能要求不高，但作为导 管的基本力学性能，本文也对导管的拉伸性能进行了测试分析。 本文研究不同制作工艺参数的编织结构周围神经再生导管的力学 性能，探讨较优的制作工艺参数，初步研究不同制作工艺参数在体外 模拟降解过程中的径向压缩性能变化和质量衰减速度。 神经再生导管的力学性能研究中探讨了制作工艺参数不同的神经 再生导管的拉伸性能和径向压缩性能。制作工艺参数变化有：原料配 比、编织结构、编织角、编织机锭子数、编织纱线线密度、轴纱线密 度和涂层方式变化。试验中，分别探讨这些制作工艺参数变化对神经 再生导管力学性能的影响。 力学性能试验测试结果显示：采用p g l a 9 0 10 材料编织而成，三向 编织结构，编织角为6 0 度，编织纱线为4 0 6 te x ，轴纱为2 3 2 t e x ， 涂层处理的导管的性能较优。 在力学性能试验的基础上选取了p g l a 9 0 10 和p g l a 9 9 o i 以内径 1 8 m m ，1 6 锭编织机编织而成，规则编织结构和三向编织结构，涂层 和不涂层两种处理方式的导管来进行不同原料配比、不同编织结构、 不同涂层方式的导管的体外模拟降解试验。 体外模拟降解试验是在东华大学医用纺织品研究中心完成。在体 外模拟降解试验中，通过几种导管在降解过程中的径向压缩力、压缩 力保持率、径向弹性回复率及质量损耗率的测定以及降解过程中表面 形态的观察分析几种导管的降解特性，验证第三章所得结论。 结果显示，p g l a 9 0 1 0 原料、三向编织结构、涂层处理的导管的 降解性能较优。 关键词：周围神经、神经再生导管、工艺参数、径向压缩、生物降解 s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s o fb r a i d e dp e r i p h e r a ln e r v e r e g e n e r a t i o nc o n d u i t a b s t r a c t t h e r e g e n e r a t i o na n df u n c t i o nr e c o v e r yo fp e r i p h e r a ln e r v ei so n eo f t h e h o t t e s ti s s u e si nt h ef i e l do fn e u r o s c i e n c e b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f p e r i p h e r a l n e r v e a n a t o m i c a l l y a n d f u n c t i o n a l l y ，a n a s t o m o s i s c a n n o tb e a c h i e v e di d e a l l yi nm o s tc a s e s i ti sn e c e s s a r yt os e a r c hs o m ek i n d so fn e r v e s u b s t i t u t ef o rt h en e r v er e p a i r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a ls c i e n c ea n d m o l e c u l a rb i o l o g y ，m o r ea n dm o r ek i n d so fm a t e r i a l sh a v ec o m eo u to v e rt h e p a s td e c a d e n o w a d a y s ，t h ee m p h a s e so fn e r v er e p a i r r e s e a r c hs h i f tf r o m n e r v er e p a i rt e c h n o l o g yt on e r v er e g e n e r a t i o n t h en e r v e r e g e n e r a t i o n c o n d u i t sp r e f e rt ot h et u b e sm a d eb yu s i n g b i o l o g i c a lm a t e r i a lo ro t h e rm a t e r i a l ，i n t ow h i c h t h ed e f e c tn e r v ei sp u t t h e n t h en e u r a la x o n sw i l lr e g e n e r a t ef r o mt h ep r o x i m a le n dt ot h ed i s t a le n da l o n g t h ec o n d u i t f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h et i s s u ee n g i n e e r i n g ，t h es t u d yo f a r t i f i c i a ln e r v er e g e n e r a t i o nc o n d u i tc o m e st ob et h ef o c u so ft h ep e o p l e s s t u d y b r a i d e dn e r v e r e g e n e r a t i o n c o n d u i t sa r e n o r m a l l yp r o d u c e d f r o m b i o d e g r a d a b l e m a t e r i a l p o l y ( g l y c o l i d e c o l - l a c t i d e ) ( p g l a ) u s i n g t h e b r a i d i n gt e c h n o l o g y i ti s o n ek i n do fc o n d u i t st o r e p a i rt h e n e r v ed e f e c t p r e v i o u ss t u d i e sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a tt h eb r a i d e dp g l ac o n d u i t sc a r l p r o m o t e n e r v ef i b e rr e g e n e r a t i o na n d p a r t i a lf u n c t i o n a lr e c o v e r y w h e n t h e y a r e i m p l a n t e d t ob r i d g e1 4 r a mr a ti n j u r e ds c i a t i cn e r v e s h o w e v e r ，s l i g h tb u c k l i n g i ns o m ec o n d u i t sw a so b s e r v e dd u et ot h e i rl o wr a d i a lc o m p r e s s i v er e s i s t a n c e i ti se v i d e n tt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o n d u i t s ，e s p e c i a l l yt h e i r c o m p r e s s i v ep r o p e r t i e s i nt h er a d i a l d i r e c t i o n ，a r ev e r yi m p o r t a n tf a c t o r s ， w h i c hc a ni n f l u e n c en e r v e r e g e n e r a t i o n i na d d i t i o n ，a s o n eo fb a s i c a l l y m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，t h e t e n s i l ep r o p e r t i e sa r et e s t e da n da n a l y z e d i nt h i sp a p e r ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eb r a i d e dp e r i p h e r a ln e r v e r e g e n e r a t i o nc o n d u i t sw e r e s t u d i e dt of i n dt h eb e s tp r o d u c i n gf a c t o r s b e s i d e s ， t h ec o m p r e s s i v ep r o p e r t i e sa n dt h ew e i g h tl o s sr a t eo ft h ed i f f e r e n tc o n d u i t s d u r i n gi nv i v od e g r a d a t i o n w e r ed i s c u s s e d t h et e n s i l e p r o p e r t i e s a n dt h e c o m p r e s s i v ep r o p e r t i e s i nt h er a d i a l d i r e c t i o no fd i f f e r e n tc o n d u i t sw e r ed i s c u s s e d t h ei n f i u e n c e so ft h ep r o d u c i n g f a c t o r s ，s u c ha so fm a t e r i a lp r o p o r t i o n ，b r a i d e ds t r u c t u r e ，b r a i da n g l e ，b r a i d i n g m a c h i n e s p i n d l ec o u n t s ，y a md e n s i t y ，a n d c o a t i n g t r e a t m e n t ，o n t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ed i s c u s s e d t h em e c h a n i c a lt e s t i n gr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p e r t i e so ft h ec o n d u r s ，m a d eb yp g l a9 0 1 0m a t e r i a l ，t r i a x i a l s t r u c t u r e ，b r a i d i n ga n g l e 6 0 。，b r a i d i n gy a md e n s i t y 4 0 6 t e x ，i n s e r t e d r e i n f o r c i n gy a r nd e n s i t y 2 3 2 t e xa n d c o a t i n gt r e a t m e n t ，i sb e r e n c o n s i d e r i n gt h em e c h a n i c a lt e s t i n gr e s u l t s ，s o m ec o n d u i t sa r et a k e n i n t o nv i v o d e g r a d a b l et e s t d u r i n g t h ei nv i v o d e g r a d a t i o n ，t h ec o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s i nt h er a d i a ld i r e c t i o n ，t h em a i n t e n a n c ec a p a b i l i t yo fc o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s ，r a d i c a le l a s t i cr e c o v e r y r a t ea n dt h ew e i g h tl o s sr a t ew e r et e s t e d i n a d d i t i o n ，s u r f a c e so ft h ec o n d u i t sw e r eo b s e r v e da n da n a l y z e d t h er e s u l t s h o w st h a tt h ed e g r a d a t i o no ft h ec o n d u i t ，m a d eo fp g l a ( 9 0 10 ) m a t e r i a l ， t r i a x i a ls t r u c t u r ea n dc o a t i n gt r e a t m e n ti sb e r e l y o n g l ix i 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 y p r o f c h e nn a n l i a n g k e yw o r d s ：p e r i p h e r a l n e r v e ，n e r v er e g e n e r a t i o n c o n d u i t ，t e c h n i c a l p a r a m e t e r s ，r a d i a lc o m p r e s s i v ep r o p e r t i e s ，nv i v ob i o d e g r a d a t i o n 附件一： 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，崇尚严谨学风。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。除文中已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。 学何论文作者签名 日期：2 牛年 信永| j i j 垃月四日 附件二： 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。本人授权东华人学可 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1 1 i ) ：论文作者签名：f 言木酉_ 目指导教师签名：f 享向孥 日期：劲嗡年明习日 日期：m 中年f 1 月功日 第一章绪论 第一章绪论 第一节组织工程的发展 “组织工程”一词首先由w 0 te r 于19 8 4 年提出，用来描述植 入体内的p m m a 骨替代材料表面形成的内皮样结构。将软骨细胞种植 于可降解生物材料聚羟基乙酸( p o ly g ly c 0 1l ic ，p g a ) 形成软骨组织 ”3 ，肝细胞接种于中空纤维以替代部分肝组织工程的研究。“，叫咀认 为是组织工程研究的最初尝试。 组织工程学是根据细胞生物学和工程学的原理，应用正常具有特 定生物学活性的组织细胞与生物材料相结合，在体外或体内构建组织 和器官，以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能的一门科学 “3 。“组织工程”这一概念名称由美国国家科学基金会于19 8 7 年正式 确定，组织工程学也首次以一门新的学科的形式得到权威性的确立。 1 1 组织工程的原理与特点 组织工程的基本技术原理如f ，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1 ，然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【5 】。 很显然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。其优点：1 人工组织材料形状可按组织器官缺 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 骨等) 。 1 2 组织工程的阶段性发展 应用组织工程技术构建组织工程化组织至今主要经历了三个发 展阶段，代表了组织工程阶段性的发展历程。在2 0 世纪8 0 年代末至 塑二至壁垒 9 0 年中期的第一阶段，主要进行了组织工程化组织建构的初步探索， 证明应用组织工程技术能够形成具有一定结构与形态的组织。至9 0 年代中期主要在免疫功能缺陷的裸鼠体内构建组织工程化组织，在此 阶段成功构建了骨、软骨、肌腱等组织。其中在裸鼠体内构建具有皮 肤覆盖的人耳廓形态软骨的成功，标志着组织工程技术可以形成具有 复杂表面结构的软骨组织，向人们展示了组织工程研究的广阔前景 e6 】 在裸鼠体内的组织工程学研究，不能全面反映机体与细胞、生物 材料及组织工程化组织之间的相互作用，因此组织工程的研究成果向 临床应用过渡，必须在具有完全免疫功能的哺乳动物体内构建组织工 程化组织，修复组织缺损，重建组织功能，也即组织工程学发展的第 二阶段。此阶段的大部分研究集中于9 0 年代末期，几乎进行了所有 组织器官组织工程构建的尝试，为临床应用积累了丰富的实际参数 病奠定了理论基础。 随着近2 0 年的飞速发展，目前组织工程已经进入了其发展的最 为重要的第三阶段，即组织工程的临床应用与初步产业化，据来自美 国的最近统计结果表明，目前专职从事组织工程研究的科学家已超过 3 0 0 0 人，组织工程的高科技企业已有7 0 余家，企业运行所需的年度 费用已近6 0 亿美元，并以16 的年增长率增加。截至到2 0 0 】年初， 在美国股票市场上市的1 6 家组织工程高技术企业其市值已达2 6 亿美 元“。 组织工程的核心是细胞、生物材料及组织工程化组织构建，因此， 组织工程研究的方向主要集中于三个方面。 一、种子细胞研究 应用组织工程的方法再造组织与器官所用的各类细胞统称为种 子细胞。种子细胞的培养是组织工程的基本要素，种子细胞研究的目 的在于获取足够数量的接种细胞，同时保持细胞增殖、合成基质等生 物功能并防止细胞老化。组织工程种子细胞主要有三个来源：1 与缺 损组织细胞同源的自体细胞，如应用自体软骨、皮肤、肝细胞等修复 堕二兰堕堡 相应组织缺损。2 组织特异干细胞，主要包括骨髓基质干细胞等具有 多向分化潜能的多能干细胞及皮肤、肌肉前体细胞等具有定向分化潜 能的专能干细胞，此类细胞经过体外分离纯化、诱导分化与基因修饰 等技术，定向分化为其他组织类型的细胞，同时保持了干细胞可大量 扩增、特异性基质合成与不易老化的特征。组织干细胞的应用扩大了 组织工程种子细胞来源，对种子细胞的研究将是极大的推动。3 胚胎 干细胞，胚胎干细胞由于其独特的高度未分化特性以及所具有的发育 全能性，即在适当条件下可以在体外培养反之而不改变进一步形成全 身各种组织器官的能力，因而在未来的组织工程种子细胞研究中占有 重要的地位。胚胎干细胞将作为组织工程的“上游”研究为组织工程 的进一步发展提供技术储备。 二、组织工程用生物材料 回顾组织工程的发展历史，最具革命性的思路就是将生物材料的 概念引入到组织工程的研究中。生物材料为种子细胞提供了适合其生 长、基质合成及发挥其他功能的生物学空间，克服了以往单一的细胞 移植中细胞不易成活、基质合成能力低下等缺点，为组织工程化组织 的构建提供了细胞载体与组织结构支架。用于组织工程种子细胞载体 的生物材料以可降解材料为最佳，主要分为两类：合成的生物高分子 可降解材料如聚乳酸和聚羟基乙酸等，目前研究主要集中于材料的改 性以提高材料的生物相容性、减少材料降解后代谢产物的负作用等方 面；另一类常用的材料主要集中于经过特殊工艺处理的天然材料，如 具有一定孔径与孔隙率的天然珊瑚，采用脱细胞技术制造的胶原、脱 钙骨等，这类材料具有较好的组织相容性，但存在着力学特性较差、 性质不稳定等缺点。 三、组织构建及构建环境优化 根据所构建组织的结构与功能的不同，组织构建的研究主要可划 分为两个领域：1 结构复杂并具有不同代谢功能器官的组织构建研 究，如肝脏、肾脏、心脏等复杂器官的组织构建。2 结构较为简单不 执行或仅执行简单代谢功能的结构性组织的组织工程化构建研究， 笙= 茎堕堡 如：骨、软骨、肌腱、神经等组织的构建。根据种子细胞接种途径与 组织形成环境的不同，组织工程化组织构建主要有三种方式：1 ，体内 构建：种子细胞与生物材料复合后，组织尚未完全形成“成熟”时即 植入体内，组织形成与生物材料降解在体内完成”1 ；2 体外构建：在 体外模拟体内环境，应用生物反应形成组织与器官”3 ：3 原位组织构 建：单纯植入生物材料支架于体内缺损部位，依靠周围组织细胞迁移 并粘附于生物材料支架，形成并再生组织。体内组织工程化构建， 植入时因组织尚未完全形成而生物支架存在较多的空隙，有利于周围 组织液与营养物质的渗入。 1 3 组织工程作为神经导管支架的构建 神经缺损是指神经于在功能位置下恢复其“生物弹性”后，神经 断端仍然存在间距1 。如果间距较短，可通过改变关节位置、游离 神经干、神经改造或神经延长等方法来修复，但如神经缺损过长，则 必须依靠移植神经或各种代用品来克服”1 。 神经系统是人体中最重要的组织系统，它调节全身各部分的感觉 和运动，因此旦神经受到损伤，各器官的正常功能也会受到影响。 神经由中枢神经和周围神经两大部分组成。对于周围神经缺损，目前 临床上应用的方法有自体神经移植和异体神经移植。用自体神经移植 来修复神经缺损是历史最悠久、应用最广泛、效果最确切的方法，用 于移植的神经供体是一些相对“次要”的皮神经，如股前外侧皮神经、 股后皮神经、隐神经、前臂内侧皮神经、前臂外侧皮神经等。但这些 神经都比较细，切取的长度有限，难以满足修复粗大神经或长段神经 缺损的要求，况且神经供区会形成新的神经损伤，出现神经支配区感 觉障碍和神经近断端痛性神经瘤形成等并发症。因此，很多学者都在 寻求自体神经的替代物来修复神经缺损。 同种异体神经或异种神经的来源较自体神经广泛，其内部的解剖 结构与所修复神经的结构相似，可根据损伤神经的粗细、缺损的长度 切取相应的神经，人们很自然的想到用它们来修复神经缺损。关于这 方面的研究一直没有中断，也有个别学者报道了他们在临床上用异体 第一章绪论 神经修复神经缺损的成功经验，但异基因组织移植引起的免疫排斥问 题至今仍未完全解决，所以还不能在临床上推广应用”“1 。 根据周围神经再生对微环境的要求，运用组织工程学的原理和方 法，可在体外构建出类似自体神经那样具有适合神经生长的空间结构 和生物活性的移植物。我们把这种移植物称为组织工程化周围神经。 它具有以下几个特征：( 1 ) 有仿神经结构的支架；( 2j 有能促进神经 再生的活性细胞；( 3 ) 支架与细胞有机结合成周围神经样的复合体。 与组织工程化骨、软骨、皮肤等的研究比较而言，组织工程化周 围神经的研究起步相对较晚。吴德升等“”把周围神经捣碎制成许旺 细胞的粗制品，与壳聚糖混匀后注入硅胶管内；席保平等”将s c 种 植在各种生物性或非生物性支架上，才构成了真正的组织工程化周围 神经，而且经动物实验初步证实了运用组织工程技术构建神经移植物 在技术路线上是可行的，组织工程化周围神经修复神经缺损是有效的 。2 “。近年来国内外学者正围绕着种子细胞、支架材料、组织构建和 移植应用等问题进一步展开研究“2 。 第二节神经再生导管的研究进展 如前所述随着组织工程学的迅速发展，人们研究的重点己着眼于 使用神经导管或神经替代物( 人工神经等) 来促进周围神经再生以代 替自体神经移植，以达到神经快速生长、功能完全恢复的理想目标。 2 1 神经再生导管的定义 所谓神经再生导管就是用生物或非生物的材料预制成管状，再将 神经的远近断端放入管内，两断端神经外膜与管壁各缝1 2 针固定。 随后神经轴突即可沿着管腔从近端长入远端。神经再生导管可以防止 纤维疤痕组织的侵入，避免神经瘤的形成，并利用远端神经的趋化因 子使轴突准确对合。同时，神经再生导管中的生物微环境可以人为控 制和改变，使之适宜于神经再生。 早在1 9 世纪就有人开始设想使用导管来修复神经。18 9 8 年 f o r s s i l l a l 3 发现再生轴突总是朝向远侧神经断端生长而不向其它组织 第一章绪论 生长，他将这种远侧神经端对再生轴突的明显吸引作用称为神经趋化 性。由于受当时神经生物学知识所限，这一学说并未得到重视。w e i ss 和t a y l o r 是神经再生接触引导学说的倡导者和发展者。他们否认存 在神经趋化性，认为两神经断端存在间隙不利于再生轴突的生长，应 通过将损伤神经远、近端组织对合以引导，利于两断端的雪旺细胞素 直接接触，再生轴突才能较顺利地长入远端神经内膜管内。这就是对 断端神经采用直接缝合，利用神经移植来治疗周围神经缺损的理论依 据。直到2 0 世纪8 0 年代，l u n d b o r g ”等人通过y 型硅胶管实验证 实周围神经再生确实存在神经趋化性，并且还具有组织特异性、神经 束特异性和功能特异性。在神经再生过程中神经趋化性与接触引导具 有同等的重要性。同时，学者们普遍采用神经再生室模型来研究神经 再生的机制。因而近十年来各样的神经导管层出不穷，促进神经蒋生 的效果也越来越好。 2 2 对神经再生导管的要求 周围神经再生的成功有赖于一个适宜的微环境，使用各种材料制 成的导管修复神经缺损就是模拟一个有利于神经轴突生长的微环境。 理想的导管应符合以下条件：( 1 ) 具有良好生物相容性和细胞材料相 互作用。生物相容性是医学应用中对合成材料最基本的要求，即材料 不会与周围组织反应而引起副作用。但是材料应该与周围组织发生较 强的作用，并在组织再生过程中起积极作用。细胞材料相互作用的 短期研究可用细胞与材料表面的粘附性来评价，长期研究可在体外进 行，观察细胞在导管内的运动、生长和分化功能；( 2 ) 具有适合于连 接损伤神经两断端的大小和长度；( 3 ) 导管内含各种神经再生所需要 素和能产生趋向引导及提供轴突生长基质的物质；( 4 ) 具有良好的血 运：( 5 ) 保护再生轴突，避免瘢痕组织侵扰：( 6 ) 应保证神经修复所需 的三维空间：即神经导管既具有适宜的强度、硬度和弹性，使之可以 保证神经再生的通道，又具有理想的结构；( 7 ) 有一定的孔隙率和孔 径大小，大的表面积有利于细胞的附着和生长，而大的孔体积有利于 传递足够多的细胞供组织修复。较好的通透性还有利于代谢产物的交 第一章绪论 换和神经营养物质的输送。导管表面的最小孔径往往由细胞来决定 因此随细胞不同而变化。”。”1 。 2 3 神经再生导管的分类 根据制成材料的不同，神经再生导管可分为三大类：1 生物型材 料神经导管：主要包括静脉、动脉、骨骼肌、血管、膜管等天然生物 活性材料。2 非生物不可降解合成材料：主要有硅胶管。3 生物可降 解合成材料：主要包括几丁质、几丁糖、聚乳酸、p g l a 等。此外， 依据神经导管是否可被人体所吸收，可分为可吸收材料和不可吸收材 料；依据神经导管对周围环境物质的通透性可分为半通透性材料和非 通透性材料。 生物型材料的导管含有基底膜，其结构类似于神经基底膜，内有 促进轴突生长的成分，所以具有与肌体极好的生物相容性，能引导神 经良好再生。但是这些生物型材料在缺血后存在管型塌陷、再生不良、 吸收疤痕组织增生及粘连等问题。而且同种异体组织会受到机体排 斥。静脉导管是神经导管的代表，其管壁薄，利于营养物质弥散，也 利于神经趋化物质发挥作用”。而且自体静脉具有来源广、取材易、 对供区无明显影响、组织相容性好的特点，因而常常采用。但是静脉 管壁易塌陷而阻碍神经的再生，容易与周围组织粘连而使导管不通 畅，易被机体吸收，同种异体组织会受到机体排斥。现在人们一一致公 认的看法是，神经缺损长度在3 c m 以内时，静脉导管桥接可以获得 满意效果。超过此限，效果不佳”7 。 在生物不可降解合成材料中，使用硅胶管作为神经导管的研究最 多，它具有生物惰性和一定的杌械强度，植入人体内异物反应很小。 同时，作为高分子合成材料，硅胶管又具有良好的管壁弹性，不会出 现管壁塌陷；管壁透明，便于通过管壁观察再生的神经；便于操作， 便于消毒：具有良好的塑形性，可制成任何所需的形状。有人用硅胶 管桥接神经，并将一小动脉通过硅胶管的纵向缺口植入桥接管，神经 再生较好”。但是硅胶管是非通透性管，不能与外界进行物质交换； 另外，虽然它能在短时间内显示出神经感觉、运动良好的恢复效果， 第一章绪论 但它有不能被人体吸收，长期滞留于人体内会压缩神经，影响神经功 能，需二次手术取出导管的弊端。 用可生物降解材料制备的导管可在体内自行分解，无需二次手术 取出，能避免使用不可降解导管时可能出现的压迫神经等问题，无疑 具有良好的应用前景。从而，近年来，随着组织工程学的发展，生物 可降解合成材料近年来研究越来越多，新材料不断涌现，代表蔫未来 发展的方向。常用的可降解型导管有聚乙醇酸管( p g a ) 、聚乳酸管 ( p l a ) 、聚乙丙交酯管( p g l a ) 、胶原管等。此类导管有以下优点：( 1 ) 具有良好的生物相容性：( 2 ) 选择适当材料和制作工艺可使导管缓慢 降解，管的外形保持一定的时间，直至缺损神经近端长入远端；( 3 ) 管壁利于吸附和释放神经营养因子。如管壁有碱性纤维细胞生长因子 的弥散和释放，利于髓鞘生长和轴突生长。它要求导管在体内无异物 和炎症反应，并随神经再生的完成而逐渐消失，材料具有定的机械 强度，管的内径要比神经外径略大，以便套接或避免管壁降解性膨胀 压迫神经”。 另外，神经导管的管腔中可加入一些物质，以营造一个更有利于 神经再生的微环境。添加物可分为三大类：1 。不溶性细胞外基质分子， 包括层粘连蛋白( l a m i n ir 1 ) 、纤维连接蛋白( f i b r o n e c t i n ) 和胶原 蛋白( c 0 1 1 a g e n ) 等2 可溶性神经营养趋化因子3 神经支持细胞( 雪 旺细胞) 及神经片段。 2 4 神经再生导管的研究现状 目前，人们对神经导管的研究很多，使用的材料和导管的制作方 法也是各种各样，以下作具体介绍： 1 、溶液和控制溶剂蒸发的方法 采用溶液和控制溶剂蒸发的方法，使管壁形成所要求的三维空 间。如有人制作聚乳酸导管是将聚乳酸溶于二氯甲烷中，在加入一定 粒径的n a c l 颗粒，制成了聚乳酸管，将二氯甲烷经一定温度蒸发后， 再在水中浸泡去盐、真空干燥即得到多孔的导管。这种方法在目前被 广泛采用，优点是这种方法可以得到一种双层结构的管壁，外层为大 第一章绪论 孔结构，可以提供强度、使毛细血管和纤维组织容易长入，从而提供 营养的作用；内层为小孔结构，可以起到防止结缔组织长入的屏障作 用。 2 、采用在磨具上浇制的方法 有文章提到壳聚糖导管的做法是：在无菌条件下将水溶性壳聚糖 在以不同的速率在钢模上浇制而成有孔或无孔半透明导管，再取肠衣 制成的有孔医用生物膜，在灭菌条件下粘合在上述导管的外膜，制成 具有不同通透性的复合导管。 3 、用纺丝器纺丝的方法 有人用干湿相转化纺丝法，将分子量为7 3 0 k d ( 1 d = 0 9 9 2 u ) 的 消旋聚乳酸( p l a ) 、溶剂、添加剂置入挤出器中溶解，除泡后用纺 丝器制成外径为2 ，3 m m 、内径为1 9 m m 、壁厚为0 4 m m 的管道，再 经洗涤，去除添加剂，制成有孔的中空管。 4 、“内在支架”的设想 对于长距离神经缺损的修复，如果基质桥形成一段时间后没有细 胞长入就会被吸收而消失，从而导致神经再生失效。有人提出将一些 高分子纤维细丝置入神经导管腔内，形成内在支架，可以起到稳定导 管结构的作用。还有人提出“管中管”的设想来模拟神经束结构。 据国内外的资料表明，这种管状织物的制作方法还有梭织和针织 的结构。梭织结构的导管纵横向的弹性和延伸性都不太好，如果植入 体内运动幅度较大的部位时就不能满足该部位对导管拉伸性能的要 求，而且用梭织结构制作小孔径的导管并不方便；针织结构的导管应 用相对比较广，如人造血管等形状比较复杂的结构，用针织结构比较 容易实现，目前工艺也比较成熟，但是对于内径为2 - 4 m m 的比较小 的导管用针织机很难编织；而编织结构容易织制小直径空心管。 5 、组织工程周围神经再生导管 周围神经组织工程的研究近年来的报道很多，主要通过使用人：e 导管，并在其上种植周围神经的主要结构和功能细胞( 雪旺氏细胞) ， 将导管植入体内与缺损神经套接促进神经再生。 第一章绪论 6 、生物相容性聚乙交酯一丙交酯共聚物制导管的方法 东华大学周围神经再生导管研究开发课题组开发的聚乙交酯一 丙交酯共聚物( p g l a ) 编织结构神经再生导管，是目前世界上研究修 复神经缺损的导管之一。它采用可生物降解材料一一聚乙丙交酯 ( p g l a ) 经过特殊的编织技术和后整理工艺技术制成，它不但具有良 好的生物相容性、适度的强度和弹性，还具有适宜的降解速度。桥接 白鼠体内1 4 m m 坐骨神经损伤的动物实验表明，该种导管具有良好的 生物相容性，能够引导神经再生。 为了给受损神经创造一个既有桥接诱导作用，又具有使受损神经 免受周围组织机械的或组织学影响的屏障作用，并能从中得到有充分 营养的微环境，众多文献提及目前尚需在神经导管的材料力学性能、 降解吸收速度、降解过程中力学性能变化、神经导管的结构与厚度等 方面进行深入研究。 第三节本课题研究的内容方法和意义 3 1 本课题的研究内容 本课题分为四部分： 1 、探寻合理的编织结构。 2 、探寻合理的材料。 3 、找出神经导管的结构、材料与神经导管的力学性能的关系。 4 、找出神经导管的结构、材料与神经导管的降解速率以及降解 中力学性能变化的关系。 3 2 本课题的研究方法 通过性能对比及参阅有关文献，选择合适的生物降解材料。 机器上编织导管。 选择合适的涂层剂对导管进行涂层。 对导管进行物理机械性能测试，以便与以后的实验结果相对 对导管进行体外降解实验，找出导管材料、结构与导管降解 ， ， ， ， 1 2 3 4 5 np ue 第一章绪论 速率以及降解中力学性能变化的关系。 3 3 本课题的研究意义 经过二十几年的发展，采用神经导管修复周围神经损伤取得了很 大的进展。开发出了很多神经导管。非生物可降解型神经导管如硅胶 管、聚四氟乙烯等。生物可降解型神经导管如几丁质管、几丁糖管、 聚乳酸( p l a ) 、聚羟基乙酸( p g a ) 等。但目前还没有一种能够在 临床上代替自体神经移植修复周围神经缺损。还有许多关键问题有待 解决： 一、尚未找到一种能促使周围神经快速有效再生的神经导管模 型。 二、尚未找出降解速率与神经导管的材料、结构的关系。 三、尚未找出神经导管的材料、结构与力学性能的关系。 四、仍未找到制作神经导管的最佳材料。 本课题正是针对上述问题展开的研究。通过一系列实验，试图找 出最一种合理的结构、材料应用于神经导管，同时找出神经导管的材 料、结构与神经导管的降解速率、降解中力学性能的关系。为神经导 管的临床应用清除障碍，为生物医学的进一步发展作出贡献。具有蕈 大的理论意义和实际意义。 第二章原料选用和试样准备 第二章原料选用和试样准备 第一节周围神经再生导管的原料选用 1 1 神经再生导管对材料的要求 作为组织工程用的生物材料，一般必须具有以下性能： 1 生物可降解性 材料应适时地在体内降解和被机体吸收。作为组织工程支架应该 提供暂时的力学支撑，希望材料初期强度高，逐渐降解，相应地将力 学载荷转移至新组织。材料的降解速度和代谢吸收速度应与神经再生 修复的速度相匹配，且保持组织取代物强度恒定，从而保证在神经修 复前保持应有的形状和强度，而在神经修复后能被及时地代谢吸收， 以避免神经产生异物反应和再需二次手术将其取出。对生物降解材料 的降解速率应实旋控制，这有利于对其体外和体内降解特性与影响因 素的研究1 ，不同材料的调控方法见表2 1 。 表2 1生物降解材料降解特性调控 设计依据内容 降解特性水解或，和酶促降解位点、机理和动力学 高分子材料的大分子链结构、分子量、端基、多分散 降解速率性、聚集态结构、结晶度、相行为、绍织工程支架类型、 影响因素大小、形状和孔隙率特性、降解环境( p h 、离子强度、介 质缓冲特性、温度、应力等) 脂质或其它生物分子是聚合物增塑的柔性增大效麻： 体内环境与 酶加速效应；细胞活性；巨噬细胞吞噬及其诱发自由基和 降解的关系 p h 变化 2 良好的生物相容性和细胞亲和性 材料生物相容性的传统概念是指材料为“惰性”的，不会引发宿 住强烈的免疫排斥、炎症、和毒性反应。随着对材料一生物体相互作 用机理研究的深入，这一概念已发展到材料是具有生物活性的，可诱 第二一章原料选崩和试样准备 导宿主的有利反应，比如可诱导宿主组织的再生等。 3 一定的力学性能和可消毒性 材料要有一定的强度和弹性，以保证编织的顺利进行以及新生组 织良好再生之前导管能承受体内压力等外力。生物可降解材料的加工 性也是一个应考虑的因素，因为某些器官或组织的形状对材料的生物 活性或功能有一定的影响。材料可构成三维空间结构能为细胞提供营 养、气体交换和生长代谢的场所，可根据组织、器官缺损的情况进行 塑型。此外，材料的表面化学特性和表面微结构应有利于细胞的粘附 和生长。 1 2 几种常见的可生物降解材料 随着组织工程的发展，对组织工程材料的要求也越来越高，而生 物可降解材料是组织工程材料中目前研究较多的一类材料，它是一一类 生物相容性好、植入人体后能够发生降解，变成小分子物质被吸收或 通过新陈代谢排出体外的材料。它们的降解方式主要有两种：一类是 通过非酶性的单纯水解降解，另一类是通过酶、细胞的降解作用发生 降解的环境降解材料。可生物降解材料有天然材料与合成材料两种。 以下简要介绍几种近年来常用的可生物降解材料。 一、胶原 胶原是多种组织如皮肤、肌腱、韧带、骨骼及其它结缔组织的主 要成分和组织细胞外基质，经浸煮、水解等多道工序提炼得来的。它 是一类优良的可用于引导组织再生的生物材料。其纤维状结构利于组 织培养中的细胞粘附生长繁殖，它具有无抗原性、生物相容性好、可 参与组织愈合过程，在止血、促进伤口愈合、骨移植代替材料、组织 再生诱导物等方面得到广泛应用。 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，但胶原作为支架材料方面的应用，存在一些问题： 1 、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 垄二兰堕型丝旦塑曼登堡鱼 解吸收过快，不能与组织细胞生长繁殖的速度相匹配： 针对这些问题可采取物理、化学交联的方法来解决，或者通过和 其他材料复合来改善强度保持能力和生物相容性“2 “1 。 二、甲壳素及其衍生物 甲壳素( c h i t i n ) 亦称甲壳质，是l ，4 连接的2 乙酰氨基2 一脱氧 一p d 一葡萄糖，广泛存在于昆虫、甲壳纲动物外壳及真菌细胞壁中， 是自然界中产量仅次于纤维素的天然多糖。壳聚糖( c h i t os a n ) 又称为 甲壳胺，是甲壳素脱乙酰化的衍生物。这类多糖既可生物合成，又可 生物降解，与动物的器官组织及细胞有良好的生物相容性，无毒，降 解过程中产生的低分子寡聚糖在体内不积累，几乎没有免疫原性，是 一种理想的生物医用材料，可应用于吸附剂、m 液抗凝剂、医用敷料、 人工皮肤、人工透析膜、医用缝合线等。k a w a s e ”等以戊二醛交联 的壳聚糖膜作为肝细胞培养附着的支架，发现鼠肝细胞在膜上能匝常 生长，提示壳聚糖能在组织工程中作为人工器官的支持系统。 081 62 3 24 0 t h e h ， lp h = 352 p h = 4 03 p h = 50 图2 1 壳聚糖膜在不同p h 介质中的降解 甲壳素在水及有机溶剂中不溶，壳聚糖只溶于稀酸，由甲壳素制 成的膜无毒，有良好的