一种纤维增强复合水凝胶人工血管结构及其成型方法与流程

本发明涉及小口径人工血管的制备和增材制造技术领域，更具体的说是涉及一种纤维增强复合水凝胶人工血管结构及其成型方法。

背景技术：

心血管疾病已成为危害人类生命健康的常见疾病之一，对于病情严重的患者，需要进行血管移植治疗，自体血管来源严重有限，异体血管存在严重的排斥反应，这就需要人工血管替代自体血管进行移植治疗。

而目前的人工血管多是以尼龙、涤纶、聚四氟乙烯等合成材料人工制造的，对于口径6mm以上的人工血管，在临床上已经取得较为满意的效果；但是对于6mm以下的小口径血管，目前的人工血管由于材料和结构的因素，移植后容易发生再狭窄，中远期的治疗效果不佳，以至于主要应用于外周血管替换手术的小口径(内径<6mm)人工血管仍没有临床可用的产品。

此外，目前的人工血管材料为不可降解的材料，且不具有生长性，移植人体后始终作为一种异物存在；对于小儿患者不能满足生长发育的要求，多数患者需要根据身体发育的情况进行更换，给患者带来手术的痛苦和经济上的负担。

因此，提供一种具有适宜的降解速度、良好的生物相容性、一定的力学性能、合适的顺应性以及能引导血管细胞生长等性能的人工血管，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种纤维增强复合水凝胶人工血管结构及其成型方法，本发明的人工血管结构具有适宜的降解速度、良好的生物相容性、一定的力学性能、合适的顺应性以及能引导血管细胞生长。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纤维增强复合水凝胶人工血管结构，所述人工血管结构由内向外依次包括：静电直写纤维层一、静电纺丝层一、水凝胶层一、静电直写纤维层二、水凝胶层二和静电纺丝层二；所述静电直写纤维层一沿血管轴向平行排列；所述静电直写纤维层二沿血管壁螺旋交叉。

进一步，一种纤维增强复合水凝胶人工血管结构的成型方法，具体步骤如下：

1)选择直径<6mm的芯轴作为人工血管的中心轴，利用静电直写技术在所述芯轴上直写一层微米级纤维，纤维沿着芯轴轴向平行排列，形成静电直写纤维层一；

2)利用静电纺丝技术，在步骤1)形成的所述静电直写纤维层一上电纺一层均匀的纳米级电纺丝，形成静电纺丝层一；

3)利用浸渍法，在步骤2)形成的所述静电纺丝层外浸渍一层水凝胶，形成水凝胶层一；

4)利用静电直写技术在步骤3)形成的所述水凝胶外直写一层微米级纤维，纤维以一定角度相交成均匀的网格，形成静电直写纤维层二；

5)利用浸渍法，在步骤4)形成的所述静电直写纤维层二外浸渍一层水凝胶，形成水凝胶层二；

6)利用静电纺丝技术，在步骤5)形成的所述水凝胶层二外电纺一层电纺丝，形成静电纺丝层二；

7)根据水凝胶材料的性质，对水凝胶层进行交联，获得人工血管；

水凝胶材料为具有生物相容性和生物可降解性医用生物材料，水凝胶可分为天然水凝胶、合成水凝胶，天然水凝胶如：明胶、海藻酸钠、壳聚糖等；合成水凝胶如：聚乙烯醇等。

水凝胶的交联液分为物理交联和化学交联，物理交联的如：氯化钙溶液，氯化钡溶液等；化学交联的如：tg酶溶液，戊二醛溶液等。

水凝胶材料可以是一种或多种，交联液根据水凝胶材料组成确定，不同材料和对应的交联液相匹配，当水凝胶材料确定时，其交联液即可确定，例如：水凝胶为聚乙烯醇水凝胶，交联采用反复冷冻解冻过程物理交联；水凝胶为聚乙烯醇/明胶水凝胶，交联就采用反复冷冻解冻交联和tg酶溶液酶交联；水凝胶为聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶，交联就采用反复冷冻解冻交联和氯化钙溶液离子交联；水凝胶为聚乙烯醇/壳聚糖水凝胶，交联为反复冷冻解冻交联和戊二醛溶液化学交联，等。

进一步，步骤1)在芯轴上静电直写直径为30-80um的pcl纤维，调节静电直写相关参数：针头与芯轴的距离为4-7mm，供料速度为1-2ml/h，喷头沿芯轴移动速度为35-70mm/s，施加针头的电压为2.5-4kv；直写纤维单根的长度为10-150mm，每根纤维的距离为15-100um。

进一步，步骤2)在直写的pcl纤维层上电纺pcl纳米纤维，纳米纤维直径为25-900nm；调节静电纺丝相关参数：针头与芯轴的距离为50-200mm，供料速度为1-3ml/h，喷头沿芯轴做往复运动，移动的速度为0.5-2mm/s，芯轴转动速度为3-10r/s，施加针头的静电电压为5-20kv；喷头在芯轴上做1-3个往返运动后停止静电纺丝。

进一步，步骤3)将静电纺丝后的芯轴浸渍于水凝胶溶液中，20-60分钟后取出，待没有溶液滴落后，放于-45℃的冰箱中，冷冻5-10分钟后取出。

进一步，步骤4)取出冷冻后的芯轴后，待表面冰晶化解，利用静电直写技术在芯轴上的水凝胶外表面直写出螺旋交叉的pcl纤维；交叉的纤维夹角为30-90度，同向的平行纤维间的距离为30-100um。

进一步，步骤5)将上述芯轴浸渍于水凝胶溶液中，20-60分钟后取出，待没有溶液滴落后，放于-45℃的冰箱中，冷冻5-10分钟后取出。

进一步，步骤6)取出上述芯轴后，待表面冰晶化解后，利用静电纺丝技术在芯轴上的水凝胶表面电纺出一层pcl纳米纤维，纳米纤维直径为25-900nm；调节静电纺丝相关参数：针头与芯轴的距离为50-200mm，供料速度为1-3ml/h，喷头沿芯轴做往复运动，移动的速度为0.5-2mm/s，芯轴转动速度为3-10r/s，施加针头的静电电压为5-20kv；喷头在芯轴上做1-3个往返运动后停止静电纺丝。

进一步，步骤7)将上述芯轴于-45℃冰箱中冷冻6-12小时，取出常温解冻3-6小时，反复冷冻/解冻3-5次后，将芯轴浸泡到2-3％wt的交联溶液中，1-2小时后取出，此时用平头镊子夹住人工血管的一端，小心向芯轴外端拖拽，即可取出芯轴上的人工血管。

进一步，一种纤维增强复合水凝胶人工血管结构，应用于直径<6mm的小口径人工血管移植。

本发明所有材料为面向小口径(直径<6mm)人工血管的移植领域的纤维增强复合水凝胶人工血管的材料，在于：所用材料均为生物可降解材料，且降解的过程产生无毒物质，对人体无生物毒性，其中的静电纺丝材料和静电直写材料的降解周期比水凝胶材料的降解周期长。

本发明的静电直写纤维层一在结构中用于增强人工血管轴向力学性能和引导细胞的生长，特别是促进血管内皮细胞的迁移和生长。

本发明的静电直写纤维层二在结构中用于增强水凝胶的机械性能，从而保证该人工血管的整体机械性能。

本发明的静电纺丝层一和静电纺丝层二的厚度可以根据人工血管吻合的体内血管部位而选择。

本发明的静电纺丝层的纤维直径为几十纳米至几百纳米的范围，能模拟细胞外基质结构，且能使纤维增强复合水凝胶人工血管的整体结构更加稳定。

本发明的静电直写纤维层二，可以根据人工血管吻合体内不同部位血管的力学性能的要求，增加或减少直写纤维的层数、直写纤维的密度，直写纤维的直径。

本发明的水凝胶层一和水凝胶层二的厚度，可以通过增加浸渍的次数增加其厚度。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种纤维增强复合水凝胶人工血管结构及其成型方法：

(1)本发明的人工血管结构，使用的材料为生物可降解的材料，具有生物相容性，相较于传统的人工血管，本发明的人工血管不会永久在体内作为异物存在；

(2)本发明的人工血管结构最内层沿血管轴向平行排列的微米级纤维具有对内皮细胞生长的引导作用，静电纺丝层提供了类似于细胞外基质的细胞生存环境，相较于传统的人工血管，本发明的人工血管更易于形成内皮化；

(3)本发明的人工血管材料为水凝胶材料加静电纺丝纤维和静电直写纤维，相较于传统的人工血管材料，本发明具有更好的弹性和顺应性。

(4)本发明的人工血管结构，实现了水凝胶和静电纺丝纤维和静电直写纤维的复合，相较于单纯的水凝胶血管，具有更强的机械性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明纤维增强的复合水凝胶人工血管的结构示意图；

图2附图为本发明纤维增强的复合水凝胶人工血管成型方法路线示意图；

其中，1，静电直写纤维层一；2，静电纺丝层一；3，水凝胶层一；4，静电直写纤维层二；5，水凝胶层二；6，静电纺丝层二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

用去离子水常温配制氯化钙(cacl2)溶液浓度为3％wt；

用去离子水常温配制海藻酸钠(sa)溶液成浓度为3％wt；用去离子水配制聚乙烯醇(pva)溶液浓度为11％wt，配置过程为先40℃水浴加热1小时，让聚乙烯醇充分溶胀，再85℃水浴加热2小时，同时用磁力搅拌器搅拌；将配好的海藻酸钠溶液和聚乙烯醇溶液按照体积比1:1混合，用磁力搅拌器搅拌2小时；

用去离子水常温配制tg酶溶液浓度为15％wt；

用去离子水常温配制明胶(gel)溶液成浓度为15％wt；用去离子水配制聚乙烯醇(pva)溶液浓度为11％wt，配置过程为先40℃水浴加热1小时，让聚乙烯醇充分溶胀，再85℃水浴加热2小时，同时用磁力搅拌器搅拌；将配好的明胶溶液和聚乙烯醇溶液按照体积比1:1混合，用磁力搅拌器40℃水浴加热2小时，同时用磁力搅拌器搅拌2小时，常温静置2小时待用；

用二氯甲烷和二甲基酰胺溶液(体积比为7:3)配制聚己内酯(pcl)溶液浓度为10％w/v；

所有材料均无菌。

实施例1

在本实施例中，设备组成包括以下内容：取一根直径5mm的不锈钢光轴作为芯轴，通过联轴器连接到42步进电机，该步进电机的控制器为单片机(单片机型号为89c51)，单片机可以控制电机的转动模式，分为连续运转和单步运转，并可以实现两者的转换和调速，在该光轴上连接静电高压电源的零极输出端，将该电机和芯轴安装在三轴平台的y轴运动平台上。三轴运动平台的x-z运动平台上安装静电纺丝和静电直写的喷头，喷头为10ml医用一次性注射器，注射器针头采用平头针头，针头的金属部分用导线与静电高压电源的正极输出端连接。喷头的材料为10％wtpcl(聚己内酯溶于二氯甲烷：二甲基酰胺＝7:3的溶剂中)，喷头的供料由微量泵通过液压传动的方式提供。

一种纤维增强复合水凝胶人工血管结构，如图1所示，由内向外依次包括：静电直写纤维层一1、静电纺丝层一2、水凝胶层一3、静电直写纤维层二4、水凝胶层二5和静电纺丝层二6；静电直写纤维层一1沿血管轴向平行排列；静电直写纤维层二4沿血管壁螺旋交叉。

一种纤维增强复合水凝胶人工血管结构的成型方法，如图2所示，具体步骤如下：

1)选择直径<6mm的芯轴作为人工血管的中心轴，利用静电直写技术在芯轴上静电直写直径为80um的pcl纤维，纤维沿着芯轴轴向平行排列，形成静电直写纤维层一1；调节静电直写相关参数：针头与芯轴的距离为6mm，供料速度为1.5ml/h，喷头沿芯轴移动速度为50mm/s，施加针头的电压为3kv；直写纤维单根的长度为100mm，每根纤维的距离为80um(图2步骤1)；

2)利用静电纺丝技术，在步骤1)形成的所述静电直写纤维层一1上电纺一层均匀的pcl纳米纤维，纳米纤维直径为500nm，形成静电纺丝层一2；调节静电纺丝相关参数：针头与芯轴的距离为100mm，供料速度为2.4ml/h，喷头沿芯轴做往复运动，移动的速度为1mm/s，芯轴转动速度为6r/s，施加针头的静电电压为12kv；喷头在芯轴上做2个往返运动后停止静电纺丝(图2步骤2)；

3)利用浸渍法，将步骤2)静电纺丝后的芯轴浸渍于海藻酸钠/聚乙烯醇溶液中，20分钟后取出，待没有溶液滴落后，放于-45℃的冰箱中，冷冻5分钟后取出，形成水凝胶层一3(图2步骤3)；

4)取出冷冻后的芯轴后，待表面冰晶化解，利用静电直写技术在芯轴上的水凝胶外表面直写出螺旋交叉的pcl纤维，形成静电直写纤维层二4；交叉的纤维夹角为30度，同向的平行纤维间的距离为50um(图2步骤4)；

5)利用浸渍法，将上述芯轴浸渍于海藻酸钠/聚乙烯醇溶液中，20分钟后取出，待没有溶液滴落后，放于-45℃的冰箱中，冷冻5分钟后取出，形成水凝胶层二5(图2步骤5)；

6)取出上述芯轴后，待表面冰晶化解后，利用静电纺丝技术在芯轴上的水凝胶表面电纺出一层pcl纳米纤维，纳米纤维直径为500nm，形成静电纺丝层二6；调节静电纺丝相关参数：针头与芯轴的距离为100mm，供料速度为2.4ml/h，喷头沿芯轴做往复运动，移动的速度为1mm/s，芯轴转动速度为6r/s，施加针头的静电电压为12kv；喷头在芯轴上做2个往返运动后停止静电纺丝(图2步骤6)；

7)将上述芯轴于-45℃冰箱中冷冻12小时，取出常温解冻6小时，反复冷冻/解冻3次后，将芯轴浸泡到3％wt的氯化钙溶液中，让海藻酸钠与钙离子交联，1小时后取出，此时用平头镊子夹住人工血管的一端，小心向芯轴外端拖拽，即可取出芯轴上的人工血管。

实施例2

本实施例设备组成同实施例1。

一种纤维增强复合水凝胶人工血管结构的成型方法，具体步骤如下：

1)选择直径<6mm的芯轴作为人工血管的中心轴，利用静电直写技术在芯轴上静电直写直径为30um的pcl纤维，纤维沿着芯轴轴向平行排列，形成静电直写纤维层一1；调节静电直写相关参数：针头与芯轴的距离为4mm，供料速度为1ml/h，喷头沿芯轴移动速度为35mm/s，施加针头的电压为2.5kv；直写纤维单根的长度为10mm，每根纤维的距离为15um；

2)利用静电纺丝技术，在步骤1)形成的所述静电直写纤维层一1上电纺一层均匀的pcl纳米纤维，纳米纤维直径为25nm，形成静电纺丝层一2；调节静电纺丝相关参数：针头与芯轴的距离为50mm，供料速度为1ml/h，喷头沿芯轴做往复运动，移动的速度为0.5mm/s，芯轴转动速度为3r/s，施加针头的静电电压为5kv；喷头在芯轴上做3个往返运动后停止静电纺丝；

3)利用浸渍法，将步骤2)静电纺丝后的芯轴浸渍于聚乙烯醇/明胶溶液中，40分钟后取出，待没有溶液滴落后，放于-45℃的冰箱中，冷冻8分钟后取出，形成水凝胶层一3；

4)取出冷冻后的芯轴后，待表面冰晶化解，利用静电直写技术在芯轴上的水凝胶外表面直写出螺旋交叉的pcl纤维，形成静电直写纤维层二4；交叉的纤维夹角为60度，同向的平行纤维间的距离为30um；

5)利用浸渍法，将上述芯轴浸渍于聚乙烯醇/明胶溶液中，40分钟后取出，待没有溶液滴落后，放于-45℃的冰箱中，冷冻8分钟后取出，形成水凝胶层二5；

6)取出上述芯轴后，待表面冰晶化解后，利用静电纺丝技术在芯轴上的水凝胶表面电纺出一层pcl纳米纤维，纳米纤维直径为25nm，形成静电纺丝层二6；调节静电纺丝相关参数：针头与芯轴的距离为50mm，供料速度为1ml/h，喷头沿芯轴做往复运动，移动的速度为0.5mm/s，芯轴转动速度为3r/s，施加针头的静电电压为5kv；喷头在芯轴上做3个往返运动后停止静电纺丝；

7)将上述芯轴于-45℃冰箱中冷冻6小时，取出常温解冻3小时，反复冷冻/解冻4次后，将芯轴浸泡到15％wt的tg酶溶液中，让tg酶溶液与明胶交联，1.5小时后取出，此时用平头镊子夹住人工血管的一端，小心向芯轴外端拖拽，即可取出芯轴上的人工血管。

实施例3

本实施例设备组成同实施例1。

一种纤维增强复合水凝胶人工血管结构的成型方法，如图2所示，具体步骤如下：

1)选择直径<6mm的芯轴作为人工血管的中心轴，利用静电直写技术在芯轴上静电直写直径为50um的pcl纤维，纤维沿着芯轴轴向平行排列，形成静电直写纤维层一1；调节静电直写相关参数：针头与芯轴的距离为7mm，供料速度为2ml/h，喷头沿芯轴移动速度为70mm/s，施加针头的电压为4kv；直写纤维单根的长度为150mm，每根纤维的距离为100um；

2)利用静电纺丝技术，在步骤1)形成的所述静电直写纤维层一1上电纺一层均匀的pcl纳米纤维，纳米纤维直径为900nm，形成静电纺丝层一2；调节静电纺丝相关参数：针头与芯轴的距离为200mm，供料速度为3ml/h，喷头沿芯轴做往复运动，移动的速度为2mm/s，芯轴转动速度为10r/s，施加针头的静电电压为20kv；喷头在芯轴上做1个往返运动后停止静电纺丝；

3)利用浸渍法，将步骤2)静电纺丝后的芯轴浸渍于聚乙烯醇溶液中，60分钟后取出，待没有溶液滴落后，放于-45℃的冰箱中，冷冻10分钟后取出，形成水凝胶层一3；

4)取出冷冻后的芯轴后，待表面冰晶化解，利用静电直写技术在芯轴上的水凝胶外表面直写出螺旋交叉的pcl纤维，形成静电直写纤维层二4；交叉的纤维夹角为90度，同向的平行纤维间的距离为100um；

5)利用浸渍法，将上述芯轴浸渍于聚乙烯醇溶液中，60分钟后取出，待没有溶液滴落后，放于-45℃的冰箱中，冷冻10分钟后取出，形成水凝胶层二5；

6)取出上述芯轴后，待表面冰晶化解后，利用静电纺丝技术在芯轴上的水凝胶表面电纺出一层pcl纳米纤维，纳米纤维直径为900nm，形成静电纺丝层二6；调节静电纺丝相关参数：针头与芯轴的距离为200mm，供料速度为3ml/h，喷头沿芯轴做往复运动，移动的速度为2mm/s，芯轴转动速度为10r/s，施加针头的静电电压为20kv；喷头在芯轴上做1个往返运动后停止静电纺丝；

7)将上述芯轴于-45℃冰箱中冷冻9小时，取出常温解冻4小时，反复冷冻/解冻5次后，完成物理交联，此时用平头镊子夹住人工血管的一端，小心向芯轴外端拖拽，即可取出芯轴上的人工血管。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。