本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)用材料，特別是涉及一種聚乙烯醇復(fù)合纖維材料及其制備方法、人工心臟瓣膜器件。

背景技術(shù)：

1、全球先天性心臟病的患者人數(shù)高達(dá)1300萬，超過21萬人因其死亡。不同于成年人，患有先天性心臟瓣膜疾病的嬰幼兒治療更加困難。目前，臨床上常用的人工心臟瓣膜是機(jī)械瓣膜和生物瓣膜，但由于缺乏組織重塑和再生功能，這兩類瓣膜無法用于先天性心臟病嬰幼兒患者的治療。相比之下，具有組織重塑、再生功能的組織工程瓣膜在先天性心臟瓣膜疾病治療領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，它通過使用細(xì)胞支架、種子細(xì)胞、活性因子來構(gòu)建，而作為主體的細(xì)胞支架材料必須具備良好的生物相容性，以促進(jìn)細(xì)胞生長和組織再生。

2、水凝膠是一種親水性高分子材料，具有可調(diào)節(jié)的理化性質(zhì)，通過調(diào)控成分配比和交聯(lián)方式，可表現(xiàn)出不同的形狀和功能，呈現(xiàn)三維多孔結(jié)構(gòu)，與天然細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)相似，具有良好的生物相容性。目前，制約水凝膠瓣膜發(fā)展的主要問題是水凝膠自身力學(xué)性能欠佳，例如通過氫鍵交聯(lián)的水凝膠瓣膜的抗拉強(qiáng)度僅為2.08mpa，且缺少與天然心臟瓣膜相似的各向異性纖維結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)，長期的體內(nèi)復(fù)雜服役環(huán)境也對水凝膠材料的抗撕裂、耐疲勞性能提出更高的要求。

3、綜上，目前亟需設(shè)計(jì)一種高強(qiáng)度具有類似人體組織中定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠材料，以作為人工心臟瓣膜材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種聚乙烯醇復(fù)合纖維材料及其制備方法、人工心臟瓣膜器件，主要目的在于制備一種高強(qiáng)度、具有定向纖維結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料，能作為人工心臟瓣膜材料。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明主要提供如下技術(shù)方案：

3、一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種聚乙烯醇復(fù)合纖維材料的制備方法，其包括如下步驟：

4、定向冷凍鑄造步驟：對所述聚乙烯醇基水凝膠溶液進(jìn)行定向冷凍鑄造處理，置換冰晶后得到具有定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠；

5、金屬離子交聯(lián)步驟：使所述具有定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠上的基團(tuán)與金屬離子交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)凝膠網(wǎng)絡(luò)通過離子鍵交聯(lián)，得到具有離子鍵強(qiáng)化凝膠網(wǎng)絡(luò)的定向纖維結(jié)構(gòu)水凝膠；

6、熱處理步驟：對所述具有離子鍵強(qiáng)化凝膠網(wǎng)絡(luò)的定向纖維結(jié)構(gòu)水凝膠進(jìn)行熱處理，得到具有類似人體組織中定向纖維結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料。

7、優(yōu)選的，在所述聚乙烯醇基水凝膠溶液中，聚乙烯醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5～30wt％，優(yōu)選為5～15wt％。

8、優(yōu)選的，在所述聚乙烯醇基水凝膠溶液中：還含有明膠、羧甲基殼聚糖、透明質(zhì)酸中的一種或多種；優(yōu)選的，當(dāng)所述聚乙烯醇基水凝膠溶液中還含有明膠時(shí)，明膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～5wt％；優(yōu)選的，當(dāng)所述聚乙烯醇基水凝膠溶液中還含有羧甲基殼聚糖時(shí)，羧甲基殼聚糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～3wt％；優(yōu)選的，當(dāng)所述聚乙烯醇基水凝膠溶液中還含有透明質(zhì)酸時(shí)，透明質(zhì)酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～5wt％。

9、優(yōu)選的，在所述定向冷凍鑄造步驟中：將所述聚乙烯醇基水凝膠溶液放入模具中進(jìn)行定向冷凍鑄造處理；優(yōu)選的，將所述模具的底面置于定向冷凍裝置的冷臺(tái)上，進(jìn)行定向冷凍鑄造處理；和/或定向冷凍鑄造處理的溫度為-40～-90℃，定向冷凍鑄造處理的時(shí)間為1～6h；和/或?qū)⒍ㄏ蚶鋬鲨T造處理后的凝膠浸泡在無水乙醇中，以置換冰晶并保留定向纖維結(jié)構(gòu)，得到具有定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠；和/或置換冰晶的溫度為-15～-20℃，置換冰晶的持續(xù)時(shí)間為12～48h，優(yōu)選為36～48h。

10、優(yōu)選的，在所述定向冷凍鑄造步驟中：所述具有定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠中的凝膠網(wǎng)絡(luò)是由聚乙烯醇通過分子間及分子內(nèi)氫鍵交聯(lián)而成；優(yōu)選的，所述具有定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠中的凝膠網(wǎng)絡(luò)是由聚乙烯醇、活性添加劑通過分子間及分子內(nèi)氫鍵交聯(lián)而成；其中，所述活性添加劑包括明膠、羧甲基殼聚糖、透明質(zhì)酸中的一種或幾種；和/或在所述定向冷凍鑄造處理的過程中，水凝膠在定向生長的冰晶作用下自組裝形成定向纖維結(jié)構(gòu)并穩(wěn)定存在。

11、優(yōu)選的，在所述金屬離子交聯(lián)步驟中：金屬離子為fe3+、al3+、ca2+、cu2+中的一種或多種；和/或使所述具有定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠上的羥基、羧基與金屬離子交聯(lián)，得到具有離子鍵強(qiáng)化凝膠網(wǎng)絡(luò)的定向纖維結(jié)構(gòu)水凝膠；和/或?qū)⒔饘匐x子溶液在-10～-20℃下先預(yù)冷10～20h；保持-10～-20℃的條件，將所述具有定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠放入預(yù)冷的金屬離子溶液中浸泡12～48h，以使所述具有定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠上的基團(tuán)與金屬離子交聯(lián)；優(yōu)選的，所述金屬離子溶液的離子濃度為0.05～0.1m；優(yōu)選的，所述金屬離子溶液選用金屬離子的無水乙醇溶液。

12、優(yōu)選的，在所述熱處理步驟中：所述熱處理的溫度為50～120℃，熱處理時(shí)間為6～48h。

13、優(yōu)選的，在所述熱處理步驟之前，需要對所述具有離子鍵強(qiáng)化凝膠網(wǎng)絡(luò)的定向結(jié)構(gòu)水凝膠進(jìn)行清洗，清洗掉未交聯(lián)的金屬離子。

14、另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種聚乙烯醇復(fù)合纖維材料，其中，所述聚乙烯醇復(fù)合纖維材料為定向纖維結(jié)構(gòu)；其中，所述聚乙烯醇復(fù)合纖維材料的凝膠網(wǎng)絡(luò)是由氫鍵、離子鍵交聯(lián)、水凝膠分子鏈纏結(jié)組裝而成；優(yōu)選的，所述聚乙烯醇復(fù)合纖維材料中的定向纖維結(jié)構(gòu)的寬度為5-50μm；優(yōu)選的，所述聚乙烯醇復(fù)合纖維材料為多孔結(jié)構(gòu)，在完全干燥狀態(tài)下孔徑為1-5μm；優(yōu)選的，所述聚乙烯醇復(fù)合纖維材料是由上述任一項(xiàng)所述的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料的制備方法制備而成。

15、再一方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種人工心臟瓣膜器件，其中，所述人工心臟瓣膜器件包括人工心臟瓣膜，其中，所述人工心臟瓣膜的材質(zhì)為上述的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料及其制備方法、人工心臟瓣膜器件至少具有下列有益效果：

17、本發(fā)明實(shí)施例采用定向冷凍鑄造的方法制備具有定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠；然后，使具有定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠上的基團(tuán)與金屬離子交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)凝膠網(wǎng)絡(luò)通過離子鍵交聯(lián)進(jìn)行強(qiáng)化，得到具有離子鍵強(qiáng)化凝膠網(wǎng)絡(luò)的定向纖維結(jié)構(gòu)水凝膠；對具有離子鍵強(qiáng)化凝膠網(wǎng)絡(luò)的定向纖維結(jié)構(gòu)水凝膠進(jìn)行熱處理，實(shí)現(xiàn)凝膠網(wǎng)絡(luò)分子鏈的纏結(jié)程度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)凝膠網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)化，得到聚乙烯醇復(fù)合纖維材料。在此，通過上述方法，使得所制備的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料具有定向纖維結(jié)構(gòu)(即，類似人體組織中的定向纖維結(jié)構(gòu))，其強(qiáng)度源于定向纖維結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部經(jīng)強(qiáng)化的凝膠網(wǎng)絡(luò)(凝膠網(wǎng)絡(luò)由氫鍵、離子鍵交聯(lián)和水凝膠分子鏈纏結(jié)而成)。在此，該聚乙烯醇復(fù)合纖維材料用于人工心臟瓣膜材料時(shí)，定向纖維結(jié)構(gòu)模擬天然心臟瓣膜膠原纖維的取向排列，具有力學(xué)各向異性，其固有的多孔結(jié)構(gòu)模擬天然心臟瓣膜的海綿層，可在體內(nèi)服役環(huán)境中作為緩沖層，允許瓣膜開合所產(chǎn)生的剪切和變形，此外，這種定向纖維結(jié)構(gòu)還可抑制裂紋擴(kuò)展，提高人工心臟瓣膜在服役過程的抗疲勞性能。

18、上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。

技術(shù)特征：

1.一種聚乙烯醇復(fù)合纖維材料的制備方法，其特征在于，其包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料的制備方法，其特征在于，在所述聚乙烯醇基水凝膠溶液中，聚乙烯醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5～30wt％，優(yōu)選為5～15wt％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聚乙烯醇復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述聚乙烯醇基水凝膠溶液中還含有明膠、羧甲基殼聚糖、透明質(zhì)酸中的一種或多種；

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料的制備方法，其特征在于，在所述定向冷凍鑄造步驟中：

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料的制備方法，其特征在于，在所述定向冷凍鑄造步驟中：

6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料的制備方法，其特征在于，在所述金屬離子交聯(lián)步驟中：

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料的制備方法，其特征在于，

8.一種聚乙烯醇復(fù)合纖維材料，其特征在于，所述聚乙烯醇復(fù)合纖維材料為定向纖維結(jié)構(gòu)；其中，所述聚乙烯醇復(fù)合纖維材料的凝膠網(wǎng)絡(luò)是由氫鍵、離子鍵交聯(lián)、水凝膠分子鏈纏結(jié)組裝而成；

9.權(quán)利要求8所述的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料在作為或制備人工心臟瓣膜材料中的應(yīng)用。

10.一種人工心臟瓣膜器件，其特征在于，所述人工心臟瓣膜器件包括人工心臟瓣膜，其中，所述人工心臟瓣膜的材質(zhì)為權(quán)利要求8所述的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明是關(guān)于一種聚乙烯醇復(fù)合纖維材料及其制備方法、人工心臟瓣膜器件。其中，聚乙烯醇復(fù)合纖維材料的制備方法包括如下步驟：對聚乙烯醇基水凝膠溶液進(jìn)行定向冷凍鑄造處理，置換冰晶后得到具有定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠；使具有定向纖維結(jié)構(gòu)的水凝膠上的基團(tuán)與金屬離子交聯(lián)，得到具有離子鍵強(qiáng)化凝膠網(wǎng)絡(luò)的定向纖維結(jié)構(gòu)水凝膠；對具有離子鍵強(qiáng)化凝膠網(wǎng)絡(luò)的定向纖維結(jié)構(gòu)水凝膠進(jìn)行熱處理，得到具有類似人體組織中定向纖維結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇復(fù)合纖維材料。其中，聚乙烯醇復(fù)合纖維材料用于作為人工心臟瓣膜材料。本發(fā)明主要用于制備一種聚乙烯醇復(fù)合纖維材料，由于其具有高強(qiáng)度、定向纖維結(jié)構(gòu)，使得該聚乙烯醇復(fù)合纖維材料能作為人工心臟瓣膜材料。

技術(shù)研發(fā)人員：張興,于強(qiáng),張澤平,韓日崢,白蕓,楊銳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院金屬研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2