（纺织材料与纺织品设计专业论文）静电纺plga丝素壳芯复合管状支架的构建及其性能.pdf

一 ，2 ：l ； 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在l 月解密后适用本规定。 非涉密论文函 论文作者签名： 导师签名： e l 期：2 止堡臣虱 日期： 静电纺p l g a 丝素壳芯复合管状支架的构建及其性能 中文提要 组织工程血管是当前研究的热点。静电纺丝技术作为制备纳米纤维最简便的方 法之一具有独特的优势。其制得的纤维具有高比表面积和孔隙率，可模仿细胞外基 质的结构，有利于细胞的粘附、增殖、营养的传输和新陈代谢的进行。因此，采用 静电纺丝技术构建组织工程血管具有广阔的前景。 丝素作为天然生物材料具有良好的生物相容性，有利于细胞培养；合成高分子 材料p l g a 具有良好的生物相容性、生物力学性能及生物可降解性，有利于提高支架 的生物力学性能及控制其降解速率。 论文采用静电纺丝技术，以高速旋转的滚轴为收集装置构建p l g a 丝素壳芯复 合管状支架( d = 6 m m ) ，丝素为芯层，p l g a 为壳层。首先，采用s e m 观察纤维形 貌以确定p l g a 静电纺丝的最佳工艺条件，并研究p l g a 管状支架的微细结构、孔隙 率、生物力学性能及体外降解性能；其次，研究静电纺丝素管状支架的形貌结构、 微细结构、孔隙率、溶失率、生物力学性能及组织相容性；第三，研究静电纺丝素 纤维支架的血液相容性。采用s e m 、红外光谱表征其形貌结构与微细结构。以溶血 实验、血小板粘附实验和凝血实验表征其血液相容性；最后，在最佳工艺条件下制 备静电纺p l g a 丝素壳芯复合管状支架，研究其形貌结构、孔隙率、溶失率及生物 力学性能。 研究结果表明：p l g a 层( 壳层) 静电纺丝的最佳工艺条件：纺丝液质量分数为 7 ，滚轴转速1 5 0 0 r m i n ，电压2 5 k v ，极距1 5 c m 。p l g a 管状支架具有良好的生物力 学性能及降解速度可调性；静电纺丝素管状支架具有较高的孑l 隙率、良好的形貌结 构及组织相容性；静电纺丝素纤维支架的溶血率为4 5 ，符合生物材料溶血实验要 求；丝素纤维支架经等离子体处理接枝肝素、接枝丙磺酸内酯以及丝素与肝素共混 静电纺支架均能提高其血液相容性，使其具有良好的抗凝血性能；但其拉伸强度、 中文提要静电纺p l g a 丝素壳芯复合管状支架的构建及其性能 缝合强力等生物力学性能较差，需与其它材料复合；静电纺p l g a 丝素壳芯复合管 状支架具有较高的孔隙率和优异的生物力学性能，其拉伸强度、爆破强度和缝合强 力分别为1 0 6 m p a 、1 3 1 3 k p a 及1 2 1 n 针，以上指标均达到血管移植的要求；经有机 醇处理后，复合支架的生物力学性能显著提高，水中溶失率明显下降。论文为该复 合管状支架用于组织工程提供了实验依据。 关键词：静电纺丝；p l g a ；丝素；管状支架；血液相容性；生物力学性能 作者：李双燕 指导教师：张幼珠 f a b r i c a t i o na n dp r o p e r t i e so f t h ee l e c l r o s p u np o l y ( 1 a c t i d e - c o - g l y c o l i d e ) s i l kf i b r o i ns h e l l - c o r ec o m p o s i t et u b u l a rs c a f f o l d a b s t r a c t f a b r i c a t i o na n dp r o p e r t i e so ft h ee l e c t r o s p u n p o l y ( 1 a c t i d e c o g l y c o l i d e ) s i l kf i b r o i ns h e l l c o r e c o m p o s i t e t u b u l a rs c a f f o l d a b s t r a c t t i s s u e e n g i n e e r i n g b l o o dv e s s e lh a sb e e nb e c o m eah o tr e s e a r c h c u r r e n t l y e l e c t r o s p i n n i n gt e c h n o l o g ya so n eo ft h em o s tc o n v e n i e n tw a y st op r o d u c en a n o f i b e r s p o s s e s s e su n i q u ea d v a n t a g e t h ef i b e r sp r o d u c e db yi t 、析t hh i g hs u r f a c ea r e at ov o l u m e r a t i oa n dp o r o s i t yc a ni m i t a t et h es t r u c t u r eo fe x t r a c e l l u l a rm a l i r i x i t sc o n d u c i v et oc e l l a d h e s i o n ，p r o l i f e r a t i o n ，n u t r i e n tt r a n s p o r ta n dm e t a b o l i s m t h e r e f o r e ，f a b r i c a t i n gt i s s u e e n g i n e e r i n gb l o o dv e s s e lw i t he l e c t r o s p i n n i n gh a sb r o a dp r o s p e c t s a sn a t u r a lb i o l o g i c a lm a t e r i a l s ，s i l kf i b r o i nh a sf a v o r a b l eb i o c o m p a t i b i l i t y i t s c o n d u c i v et oc u l t u r ec e l l ；a ss y n t h e t i cp o l y m e rm a t e r i a l s ，p l g ap o s s e s s e sf a v o r a b l eb i o - c o m p a t i b i l i t y ，b i o - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n db i o d e g r a d a b i l i t y i t sp r o p i t i o u st oi m p r o v e t h eb i o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es c a f f o l d sa n dc o n t r o lt h ed e g r a d a t i o nr a t e i nt h i st h e s i s ，as h e l l - c o r ec o m p o s i t et u b u l a rs c a f f o l dw a sf a b r i c a t e d b ym u l t i - e l e c t r o s p i n n i n gu s i n gah i g h - s p e e dr o t a t i n gm a n d r e l t y p ea st h ec o l l e c t o rw i t hs i l kf i b r o i n a sac o r el a y e ra n dp l g aa sas h e l l f i r s t l y ，i no r d e rt oc o n f i r mt h eo p t i m u m t e c h n i c a l p a r a m e t e r so ft h ee l e c t r o s p u np l g a ，t h ea u t h o ro b s e r v e st h em o r p h o l o g yo ft h ef i b e r sb y s e m a n dt h em i c r o s t r u c t u r e ，p o r o s i t y ，b i o - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd e g r a d a t i o n p e r f o r m a n c ei nv i t r oo fp l g at u b u l a rs c a f f o l dw e r es t u d i e d ；s e c o n d l y ，t h em o r p h o l o g y ， m i c r o - s t r u c t u r e ，p o r o s i t y ，w a t e r - d i s s o l v e dr a t e ，b i o - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dt i s s u e c o m p a t i b i l i t yo fe l e c t r o s p u ns i l kf i b r o i nt u b u l a rs c a f f o l dw e r er e s e a r c h e d ；t h i r d l y ，t h e a u t h o rs t u d i e db l o o dc o m p a t i b i l i t yo ft h ee l e c t r o s p u ns i l kf i b r o i nf i b e rs c a f f o l d ，u s i n gs e m ， f t i rt oc h a r a c t e r i z ei t sm o r p h o l o g ya n dm i c r o s t r u c t u r e ；u s i n gh e m o l y s i st e s t s ，p l a t e l e t a d h e s i o nt e s t sa n dc o a g u l a t i o nt e s t t oc h a r a c t e r i z ei t sb l o o dc o m p a t i b i l i t y ；f i n a l l y ，t h e p l g a s fs h e l l c o r ec o m p o s i t et u b u l a rs c a f f o l dw a sf a b r i c a t e du n d e rt h e o p t i m u m i i i e l e c t r o s p i n n i n g c a ni m p r o v et h ee l e c t r o s p u ns ff i b e rs c a f f o l d sb l o o dc o m p a t i b i l i t y i t m a d et h es fs c a f f o l d sh a v eag o o da n t i - - c l o t t i n gp r o p e r t i e s ；b u tt h eb i o - m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ( s u c ha st e n s i l es t r e n g t h ，s u t u r er e t e n t i o ns t r e n g t h ) o fs fs c a f f o l d sw e r ep o o r i t n e e d st oc o m b i n ew i t ho t h e rm a t e r i a l st o i m p r o v et h eb i o - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h e e l e c t r o s p u np l g a s fs h e l l c o r ec o m p o s i t et u b u l a rs c a f f o l dh a dh i g hp o r o s i t ya n d e x c e l l e n tb i o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，i t st e r i s i l es t r e n g t h ，b u r s tp r e s s u r es t r e n g t ha n ds u t u r e r e t e n t i o ns t r e n g t hw e r e1 0 6 m p a , 131 3 k p aa n d1 21 n n e e d l e r e s p e c t i v e l y a l lo ft h eb i o - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sr e a c h e dt h ec r i t e r i o nf o rv a s c u l a rg r a f t a f t e re t h a n o lt r e a t m e n t ，t h e b i o m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t es c a f f o l di n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya n dw a t e r - d i s s o l v e dr a t ed e c r e a s e dr e m a r k a b l e t h ep a p e r sp r o v i d e da ne x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h e c o m p o s i t et u b u l a rs c a f f o l du s e da st i s s u ee n g i n e e r i n gb l o o dv e s s e l k e yw o r d s ：e l e c t r o s p i n n i n g ；p l g a ；s i l kf i b r o i n ；t u b u l a rs c a f f o l d ；b l o o dc o m p a t i b i l i t y ； b i o - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w r i t t e nb y s h u a n g y a nl i s u p e r v i s e db y y o u z h uz h a n g 目录 第一章序言1 1 1 组织工程血管及其构建材料1 1 1 1 组织工程血管1 1 1 2 组织工程血管的构建材料2 1 2 静电纺丝技术及其应用4 1 2 1 静电纺丝技术4 1 2 2 静电纺丝技术的应用6 1 3 静电纺丝技术构建组织工程血管的研究现状7 1 4 本论文的研究目的、内容、创新点及意义8 1 4 1 研究目的8 1 4 2 研究内容9 1 4 3 创新点及意义1 0 参考文献11 第二章静电纺p l g a 管状支架的结构及其性能1 6 2 1 实验材料及其方法1 7 2 1 1 实验材料l7 2 1 2 实验仪器17 2 1 3 实验方法18 2 2 结果与讨论2 1 2 2 1 不同溶剂的纺丝液对纤维形貌的影响2 1 2 2 2p l g a 管状支架形貌直径2 2 2 2 3p l g a 管状支架的孔隙率2 6 2 2 4p l g a 管状支架的微细结构2 8 2 2 5p l g a 管状支架的生物力学性能3 1 2 2 6p l g a 管状支架的降解性能3 5 2 3 结论3 7 献4 0 静电纺丝素管状支架的结构与性能4 2 实验材料及其方法4 2 3 1 1 实验材料4 2 3 1 2 实验仪器4 3 3 1 3 实验方法4 3 结果与讨论4 6 3 2 1 丝素管状支架的形貌结构4 6 3 2 2 丝素管状支架的微细结构4 8 3 2 3 丝素管状支架的溶失率。5 1 3 2 4 丝素管状支架的生物力学性能5 2 3 2 5 丝素管状支架的组织相容性5 3 3 3 结论5 4 参考文献5 5 第四章静电纺丝素纤维支架的血液相容性5 7 4 1 实验方法及材料5 8 4 1 1 实验材料5 8 4 1 2 实验仪器5 9 4 1 3 实验及测试方法5 9 4 2 结果与讨论6 1 4 2 1 丝素纤维支架的修饰与表征6 1 4 2 2 丝素纤维支架血液相容性6 8 4 3 结论7 2 参考文献7 3 第五章静电纺p l g a 丝素壳芯复合管状支架的结构与性能7 5 5 1 实验材料及方法7 5 5 1 1 实验材料一7 5 5 1 2 实验仪器7 6 5 1 3 实验及测试方法7 6 第六章结论及展望8 7 6 1 研究结论8 7 6 1 1 静电纺p l g a 管状支架的结构及其性能8 7 6 1 2 静电纺丝素管状支架的结构与性能8 9 6 1 3 静电纺丝素纤维支架的血液相容性8 9 6 1 4 静电纺p l g a 丝素壳芯复合管状支架的结构与生物力学性能9 0 6 2 展望9 1 攻读期间公开发表的论文小9 2 致谢9 3 静电纺p l g m 丝素壳芯复合管状支架的构建及其性能 第一章序言 第一章序言 心血管疾病、动脉硬化、外伤等原因引起的血管损伤，使得临床需要大量的血 管移植物，仅美国一年就有1 4 0 万例动脉旁路移植手术，而大多数需要合适的血管移 植物【l j 。但异体移植的排异作用、价格昂贵、来源少及自体移植来源有限且供区牺 牲大【2 1 等原因，人工血管的研制和开发具有非常重要的现实意义。人工血管的研制 开始于2 0 世纪初，各国学者采用金属、玻璃、象矛、有机硅橡胶等材料制成管壁不 通透的人工血管，但因血栓或折断堵塞而失败3 1 。自1 9 5 2 年v o o r h e e s 【4 1 首次研制成功 通透性管壁的人工血管以来，人工血管组织工程迅速发展。聚氯乙烯( p v c ) 、聚丙烯 腈、丝素、尼龙、粘胶、聚四氟乙烯以及聚氨酯等材料，通过机织、针织、浇铸成 型等方法开发出性能各异的人工血管材料。目前普遍采用涤纶( d a c r o n ) 、尼龙( n y l o n ) 及聚四氟乙烯( e p t e f ) 等非降解材料编织而成的人工血管支架，但仍因这些材料不支 持内皮细胞的粘附和生长、缺乏生物信号、不降解等因素受到限制。随着组织工程 学的发展，构建组织工程化血管为解决上述问题提供了行之有效的方法。1 9 8 6 年 w e i n b e r g 等 5 1 用胶原和血管壁细胞在体外首次构建了组织工程血管( t i s s u e e n g i n e e r i n gb l o o dv e s s e l ，t e b v ) 。 组织工程血管存在的主要问题是组织工程血管内腔与血液接触时，会引发血小 板富集，最后导致血栓形成及新生内膜增厚而使手术失败。为此研究开发具有理想 的组织相容性、物理稳定性、血液相容性的组织工程血管已成为当前医学和材料学 领域关注和研究的热点。 1 1 组织工程血管及其构建材料 1 1 1 组织工程血管 作为- f - j 新兴交叉学科，组织工程学自被v a c a n t ijp 等【6 】定义以来得到了飞速的 发展。组织工程学n 3 是应用工程学和生命科学的原理研究和开发具有修复和改善损 伤组织功能的生物替代物的一门科学，其方法是体外将细胞种植于具有良好生物相 静电纺p l g a 丝素壳芯复合管状支架的构建及其性能 人体吸收的生物材料上形成细胞一生物材料复合支架，并将该支架植入机 官病损部位，以达到修复创伤和重建功能的目的。 程血管是一种用组织工程的方法构建的具有良好的生物相容性和力学特 代物，其基本构件为血管支架和种子细胞。它应具有如下条件8 】： ( 1 ) 体内血管三层结构，即具有外膜、中膜和内膜；( 2 ) 具有生物相容性， 不易产生血栓，不易发生免疫排斥反应；( 3 ) 具有生物学特性；( 4 ) 具有血管的 力学特性。即有粘弹性。 1 1 2 组织工程血管的构建材料 理想的组织工程材料应该具有以下特点【9 】：无毒，即无论材料本身还是其降解 产物都不能产生炎症和毒性反应；具有良好的生物相容性，尤其是较好的血液相容 性，与血液接触时不引起溶血、血栓等；具有生物可降解性及降解速度可调性；具 有可塑性和一定的机械强度；具有三维立体多孔结构，有利于细胞粘附、生长、增 殖。组织工程血管支架材料一方面为接种细胞提供定位、粘附、增殖的微观环境， 使细胞在支架上分布排列有序，分化具有特定功能并合成适当的细胞外基质 ( e c m ) ；另一方面提供力学支持，其具有一定的抗血流压力，并能够在体内环境 中保持稳定的结构与性能。按来源分组织工程支架血管支架材料可分为天然生物材 料，人工合成材料和复合材料。 1 1 2 1 天然生物材料 天然生物材料来源于生物体，具有良好生物相容性，毒性低，免疫反应小，顺 应性好、功能性基团丰富、细胞粘合力强，能为细胞生长、繁殖、分化提供组织发 育所需的微环境。它可分为从生物体中提取的大分子结构材料( 如丝素蛋白、胶原 蛋白、壳聚糖、明胶、硫酸软骨素等) 及脱细胞基质材料( 如脱细胞真皮基质、脱 细胞血管基质等) 。前者通过成型方法构建支架材料，而后者本身即为多孔三维支 架。 1 9 8 6 年，w e i n b e r g 陆1 采用胶原构建了第一根组织工程血管，并体外培养犬内皮 细胞，平滑肌细胞和成纤维细胞，结果表明内皮细胞覆盖管腔，平滑肌细胞分化、 生长良好；b a l t o y a n n i s 等n 们从空肠壁中抽出黏膜下层制成管植入体内吻合血管，1 年后都保持通畅，并表现出良好的抗凝性。h u a n g 等n 妇利用成年羊的主动脉去除细 静电纺p l g a ( 踵素壳芯复合管状支架的构建及其性能第章序言 胞成分得到的去细胞支架种植动物自体内皮细胞和平滑肌细胞后回植，取得了较高 的通畅率；张幼珠等n 2 1 制备了丝素明胶共混纳米纤维组织工程支架，并在该支架上 进行小鼠成纤维细胞( l 9 2 9 ) 和人脐静脉内皮细胞( h u v e c s ) 培养，结果表明细胞在 该支架上生长良好。 1 1 2 2 人工合成材料 人工合成材料主要是高分子聚合物材料，分为生物非降解聚合物材料和生物可 降解聚合物材料。但生物非降解聚合物材料，如膨体聚四氟乙烯( e p t e f ) 、涤纶 ( d a c r o n ) 、聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 等构建的血管由于不降解、不支持细胞粘 附、易引发内膜增生等原因而不可作为组织工程血管材料。生物可降解的合成材料 由于具有良好的组织相容性、降解时间可控性，降解产物无毒性等优点，在组织工 程领域有着越来越广泛的应用。此类高分子材料，在初期起到力学支撑、提供细胞 生长微环境作用后，后期随着降解产生的空间又为组织生长提供了空间，使得组织 工程血管支架被新生宿主血管所替代。常用的生物可降解聚合物材料有聚乳酸 ( p l a ) 、聚乙醇酸( p g a ) 、聚乳酸乙醇酸共聚物( p l o a ) 、聚己内酯( p c l ) 、聚羟 基丁酸酯( p h b ) 、聚三亚甲基碳酸酯( p t m c ) 等。 p l a 、p g a 、p l g a 是目前应用最为广泛的组织工程血管材料，这类材料具有 良好的生物相容性、生物可降解性、能够支持细胞粘附、增值。s h i n o k a u 列等构建了 p g a 管状支架，并在支架上培养内皮细胞、平滑肌细胞及成纤维细胞，孵育7 天 后，移植于羊的肺动脉，1 1 周后支架完全消失，管壁内胶原蛋白含量相当于自体肺 动脉的3 7 1 3 0 社8 0 。n i k a l s o n u 4 3 等在p l a 管状支架上种植犬主动脉平滑肌细 胞，并模拟血液循环环境，血液动态循环，能够以1 6 5 次分钟的频率搏动，同时伴 随5 的径向扩张。孙浩等n 列制备了p l g a 多孔支架，表征了其形貌结构和孔隙率， 并进行细胞毒性研究，结果表明该支架无细胞毒性，具有良好的生物相容性。l a v i k 等n 们在p l g a 支架上进行视网膜祖细胞培养，一天后细胞遍及整个支架，三天后充 满支架，表明该支架有良好的生物相容性。 总的说来，人工合成材料来源充足、可塑性强、抗原性低、组织相容性好、易 于加工，但相对于天然生物材料来说，其细胞粘附力弱、缺乏生物信号、亲水性差 等因素限制了它的发展。因此，将人工合成材料与天然生物材料进行复合，制备兼 有两者优点的新型材料，是近年来组织工程材料研究的重点。 料，该支架中人工合成材 表型、诱导细胞粘附、增 存在大量的孑l 隙，有利于 细胞的黏附、增殖，其吸湿性、断裂强度及断裂伸长随着p l g a 含量的增加而增大， 其生物相容性随着明胶含量的增加而变得更好；d u a n 等n 8 1 研究了p l g a c h i t o s a n 纤 维支架的形貌结构、物理性能及细胞毒性，结果表明该支架具有良好的吸湿性和生 物相容性；王曙东等n 们通过静电纺丝制备了静电纺p l a 丝素一明胶复合管状支架，测 定了其形貌结构、微细结构、力学性能及生物相容性，结果表明该管状支架具有较 高的孔隙率、较好的力学性能及良好的生物相容性，有望成为一种良好的组织工程 支架。 1 2 静电纺丝技术及其应用 1 2 1 静电纺丝技术 静电纺丝( e l e c t r o s t a t i cs p i n n i n g ) 是目前制备纳米纤维最重要的方法之一。这一 技术的核心是电场对带上几千到几万伏高压静电的聚合物溶液或熔体作用，当聚合 物溶液或熔体表面上的电场力克服其表面张力时，在电场力作用下喷射形成一股稳 定的流体。射流呈直线型拉伸至一定距离，然后弯曲，进而呈循环形或螺旋形路径 行走，最后溶剂挥发或熔体固化，带电流体在电场力作用下被收集装置收集，形成 由纳米级纤维组成的类似无纺布的膜状或管状纤维支架。图1 2 为静电纺丝装置示 意图。 4 图1 - 2 静电纺丝装置的示意图 静电纺丝最早可追溯到1 9 3 4 年，f o m a l a s 【2 0 。2 2 1 发明了静电纺丝装置并申请了专 利，被认为是静电纺丝的起源。1 9 6 4 年，t a y l o r 2 3 j 分析了在电场作用下管孔处液滴 变形的条件，发现当液滴被拉伸成半垂锥角为4 9 3 。时，液滴才比较稳定。1 9 6 6 年，s i m o n s 【2 4 】申请了关于静电纺丝法制备超细超轻无纺布设备的专利。同时，他还 发现当溶液的粘度较低时，所获得的纤维就较短、较细，反之则纤维较长、较粗。 然而直到1 9 8 0 年，随着近代测试技术的发展，人们再次展开了对静电纺丝技术系统 的理论和实验研究，伴随理论的逐步成熟，进一步促进了静电纺丝制备纳米纤维的 研究工作的进展。其中a k r o n 大学的r e n k e r 2 5 粕1 等人对其工艺及应用作了较深入的 研究。9 0 年代中期以来，随着纳米技术的发展，静电纺丝技术成为人们关注的热 点。2 0 0 2 年，k e n a w y 2 7 】等研究了静电纺丝超细纤维膜在药物释放上的应用；2 0 0 4 年，p h i l l i p t 2 8 1 及k w o u n t 2 9 1 研究了多组分聚合物静电纺丝，表明了共混纺丝可克服单 一静电纺的一些缺点；2 0 0 5 年t h e r o n l 3 0 1 等研究多喷嘴静电纺丝及射流曲线轨迹，并 建立了数学模型。2 0 0 6 年，h u r l 3 1 1 首次在真空条件下进行静电纺丝，通过激光器、 显微镜和c c d 照相机观察和分析在真空条件下纳米纤维的运动轨迹。我国学者对静 电纺丝进行研究起步较晚，始于上世纪9 0 年代。2 0 0 0 年，纺织科学研究院张锡玮 旧等承担国家自然科学基金项目，成功纺制了聚丙烯腈纤维。2 0 0 2 年，中科院长春 应用化学研究所曹敬【3 3 j 等用静电纺丝制得聚乳酸( p l a ) 及聚丙交乙交酯 ( p l g a 8 0 2 0 ) 的纳米纤维，并提出静电纺丝的机理；2 0 0 6 年，q i n 等【3 4 】制备了静 电纺p v a 纤维膜并研究了其过滤性能；2 0 0 7 年，d u a n 等t 1 8 】采用静电纺丝技术制备 了p l g a c h i t o s a n 混杂纳米纤维膜，并研究了其细胞相容性：2 0 0 9 年，w u 等1 35 j 采 用同轴静电纺丝法构建壳一芯p l g a c h i t o s a n 纤维支架，并研究了其形貌结构、力学 性能及生物相容性。 静电纺p l g a 丝素壳芯复合管状支架的构建及其性能 状来看，研究的重点已不再是新的聚合物、工艺参 用研究，包括过滤材料、防护材料、酶载体、传感 来越多的科学工作者及研究机构的关注。随着各国 维研究的深入人心，静电纺纳米纤维也必将得到很 的人体组织和器官都是由不同层次的纳米级的纤维 及血管等。而静电纺丝法是目前制备纳米纤维最重 有高比表面积、高孔隙率，能模仿细胞外基质的结 增殖、营养的传输和新陈代谢的进行。因此静电纺 纳米纤维在生物医学领域得到广泛的应用。 1 2 2 1 创伤敷料 直径在几纳米到几微米之间的静电纺纤维支架用作创伤敷料不仅可以阻挡细菌 灰尘对伤口的感染与污染，而且还可以保障水分与空气的自由出入，非常有利于伤 口的愈合。k y o n gs ur h o 3 6 】等采用静电纺丝技术构建i 型胶原纤维支架，并将其覆 盖于鼠伤口上，一周后未发现组织碎片，成纤维细胞增殖明显并出现初生毛细血 管。k a t a p h i n a 等【3 7 1 将花粉孢子、藻酸盐颗粒和抗生素盐酸四环素等药物加入到 p l a 和p e v a ( 5 0 ：5 0 ) 混合液中，通过静电纺丝法制得治疗烧伤专用敷料。 1 2 2 2 药物控制释放 理想的药物释放系统能够提高药物的利用率、延长药效、降低毒副作用并且降 低给药次数，是生物医药领域的研究热点之一。静电纺纳米纤维具有直径小、比表 面积大等优点，能缩短药物的扩散距离、促进药物的溶解和提高药效。并且纤维载 体本身可生物降解，药物随着纤维载体的降解而缓慢释放，避免了初期突释所产生 的危害。 c h u t 3 8 1 等人将细胞包埋在静电纺丝法制得的p l a 纤维膜中，形成纤维膜细胞 纤维膜复合体系，他们认为这种细胞载体对细胞活性没有影响，可以包埋不同细胞 以用于修复神经缺损和引导骨组织再生等。xz o n g 3 9 1 把抗生素m e f o x i n 以1 的浓度 添加在p d l a 的纺丝液中，进行静电纺丝制备纳米纤维，结果表明该纳米纤维对药 6 静电纺p l g a 丝素壳一芯复合管状支架的构建及其性能第一章序言 物不仅有控释作用，可有效防止手术粘连，而且对药物没有影响。何莉等4 0 1 也通过 静电纺丝制备了载药聚乳酸纤维膜，达到对药物的控释。张幼珠等【4 1 1 将抗菌剂与丝 素共溶于极性溶剂中，静电纺丝制得纳米纤维膜，药物释放效果好，是一种理想的 创面抗菌医用材料。 1 2 2 3 骨引导生长 l i 【4 2 1 将丝素( s f ) 与骨形态形成蛋白( b m p 2 ) 共混通过静电纺丝制得纤维支 架，培养人骨髓间质干细胞( 蝴s c s ) 研究体外骨形成。结果表明静电纺丝素基支 架能促进h m s c s 向成骨生长和分化，含有b m p 2 的支架钙沉积最高，l i 认为静电 纺丝素基支架在骨组织工程中具有良好的应用前景。k f u j i h a r a t 4 3 1 等人利用 p c l c a c 0 3 以7 5 ：2 5 、2 5 ：7 5 ( w w ) 的比例进行共混静电纺丝并种植造骨细胞， m t t 分析发现以7 5 ：2 5 比例纺丝形成的纳米纤维膜具有良好的粘附和增殖效果，目 前正在研究其降解速率，以期骨组织的生长速度相匹配。 1 2 2 4 组织工程血管 静电纺丝技术能够制备几十纳米到几微米的纤维，它能够模仿细胞外基质的结 构，有利于细胞的粘附、生长、营养的传输及新陈代谢的进行，为自体血管的再生 和重建提供了基础。 p o w e l lh m 等【删制备了静电纺聚已内酯( p c l ) 管状支架，并在其上培养平滑肌 组织细胞( v s m c ) ，结果发现，人体v s m c 细胞与p c l 血管支架具有良好的相容 性，细胞粘附、分化及增殖状态良好；t a t e l e m e c o 等【4 5 】利用胶原蛋白、明胶、聚 丙交酯( p l a ) 、聚乙交酯( p g a ) 及聚乳酸聚羟基乙酸共聚物( p l g a ) 静电纺 丝制备管状支架，并移植到鼠股外侧肌表面，7 天后，胶原支架很快被致密的间叶细 胞和血管内皮细胞浸润，出现明显功能性血管，而明胶、p l a 、p l a p g a 未浸润并出 现纤维化。他认为静电纺纳米纤维特有的支架形态促进了细胞的迁移和毛细血管的 生成。 1 3 静电纺丝技术构建组织工程血管的研究现状 静电纺丝技术制备的支架材料由于具有较高的比表面积、类似于细胞外基质的 结构，能够促进细胞的粘附、生长与增殖；可通过控制收集装置的运动参数改变支 架材料纤维问的排列结构；可采用不同口径的收集装置，制备特定的血管支架，以 芯复合管状支架的构建及其性能 纺丝技术，在旋转的滚轴 、有序排列的p l a 纤维， 最大伸长1 0 ) 并具有降 解性。在该管上种植人静脉肌成纤维细胞和鼠成纤维细胞，发现细胞粘附、增殖和 分化良好；j v e n u g o p a l l 4 7 1 则用p c l 形成纳米纤维支架后，表面经胶原蛋白处理，培 养冠状动脉平滑肌细胞( s m c s ) ，发现细胞保持表型并沿纤维取向生长，能够进入 支架并形成平滑肌组织，初步研究表明可用作血管移植；j o e ls t i t z e l 掣4 8 】将4 5 胶原 蛋白，4 0 聚乳酸聚羟基乙酸共聚物( p l g a ) 和1 5 弹性蛋白混合，溶解于六氟异 丙醇( h f i p ) 中进行静电纺丝构建管状支架，发现其具有与天然血管相同的顺应 性，能够抵御1 2 倍的正常收缩压；种植牛血管内皮细胞和平滑肌细胞，m t t 分析发 现具有良好的生物相容性，支架有利于细胞生长、增殖和分化：体内移植并进行h e 组织学分析发现没有引起局部和系统毒性，表明静电纺纳米纤维管状物在临床移植 用血管中具有巨大潜力。苏州大学张幼珠 4 9 - 5 0 1 等制备了静电纺丝素明胶、p l 丝 素明胶复合管状支架，并对其结构、性能以及生物相容性进行研究，研究表明该管 状支架有望应用于组织工程血管。 1 4 本论文的研究目的、内容、创新点及意义 1 4 1 研究目的 心血管疾病、动脉硬化、外伤等原因引起的血管损伤，使得临床需要大量的血 管移植物。但由于自体血管来源有限、供区牺牲大，异体血管免疫排异作用、价格 昂贵等原因，使得血管重建变得尤为重要。组织工程学的建立和发展为此类问题的 解决提供了行之有效的方法。组织工程血管的构建目标是形成具有类似于天然血管 结构特征( 具有细胞外基质的形态结构及组成成份) 的替代物。静电纺丝法能够制 备几十纳米到几微米的纤维支架，可以模仿细胞外基质的结构，有利于引导细胞增 殖、扩展和分化并最终实现血管的再生，故采用静电纺丝法构建组织工程血管支架 成为当前的研究热点。 静电纺p l g a 丝素壳芯复合管状支架的构建及其性能 第一章序言 丝素蛋白，来源丰富，具有良好的生物相容性，无毒，无刺激性，极小的炎症 反应性【5 卜5 4 1 。同时，丝素蛋白可部分生物降解，其降解产物本身不仅对组织无毒副 作用，还对如皮肤、牙周组织等有营养与修复的作用【5 孓5 6 】。但通过静电纺丝制备的 丝素支架力学性能差，尺寸稳定性差，在水中易溶解；p l g a 是一种具有良好生物相 容性、生物可降解性的高聚物，已成功培养平滑肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞等 5 7 - 5 9 】。静电纺p l g a 支架材料因具有良好的力学性能、体外降解速度的可调节性、尺 寸稳定性好及不产生酸性降解产物等因素受到越来越多的关注。 本课题通过静电纺丝法制备p l g a 丝素壳芯复合管状支架，丝素层( 芯层) 具 有良好的生物相容性，可用于培养细胞，p l g a 层( 壳层) 主要是提高支架的生物 力学性能，提供稳定的力学支撑以及降解速度的可调节性。这样可开发一种具有强 度高、溶失率低，尺寸稳定性好、生物相容性好、生物可降解的组织工程血管支 架，为组织工程血管支架的研究提供实验依据。 1 4 2 研究内容 1 4 2 1 静电纺p l g a 管状支架的结构及其性能 首先将p l g a 溶于三种不同溶剂中，制得纺丝液后进行静电纺丝，以高速旋转的 滚轴为收集装置，制备p l g a 管状支架，以确定最佳溶剂；第二，研究不同纺丝液 质量分数、滚轴转速及极距对p l g a 管状支架形貌结构与纤维直径的影响；第三，研 究不同纺丝液质量分数、滚轴转速、管壁厚度及有机醇处理对管状支架孔隙率的影 响；第四，研究不同纺丝液质量分数、滚轴转速、管壁厚度及有