本發(fā)明屬于人工血管，涉及一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著人類壽命的增加和慢性疾病的增多，心腦血管疾病逐漸成為全球范圍內(nèi)的主要健康挑戰(zhàn)之一。人工血管作為一種重要的醫(yī)療器械，在這些血管疾病的治療中起著關(guān)鍵作用。組織工程人工血管因其可再生能力是人工血管研究的熱點(diǎn)。

2、天然血管具備多層結(jié)構(gòu)，由外膜、中膜、內(nèi)膜等多層組織結(jié)構(gòu)構(gòu)成，因此，在設(shè)計(jì)組織工程血管支架時(shí)，應(yīng)考慮血管的多層結(jié)構(gòu)。多層結(jié)構(gòu)人工血管的研究旨在提高人工血管的生物相容性、機(jī)械性能和血管再生能力，從而更好地滿足臨床上的血管替代和修復(fù)需求。但現(xiàn)有多層人工血管的設(shè)計(jì)存在不匹配天然血管結(jié)構(gòu)、降解過程中分層、力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)等問題。

3、當(dāng)前，雙層人工血管的制備方法以靜電紡絲為主，以及一些與靜電紡絲復(fù)合的其他工藝，如熱致相分離、微壓印技術(shù)等。其中雙層結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，包括以下四種：(1)專利cn202010012857.0內(nèi)外兩層使用不同粗細(xì)的微/納米纖維；(2)專利cn202010012857.0外層使用復(fù)合纖維共紡再溶解的方法制備大孔結(jié)構(gòu)；(3)專利cn201510167670.7內(nèi)層用取向納米纖維，外層用無規(guī)納米纖維；內(nèi)層纖維較細(xì)且致密做防滲血層，外層纖維較粗，孔隙較大，供平滑肌細(xì)胞遷入生長等；取向納米纖維具有高度一致的纖維排列方向，可通過接觸指導(dǎo)促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞黏附、遷移，而與細(xì)胞或生長因子的結(jié)合可進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞的增殖、分化，外層蓬松和大孔結(jié)構(gòu)的纖維有利于血管平滑肌細(xì)胞(vsmcs)的排列和延伸；(4)專利cn201910633942.6采用有序纖維作為小口徑人工血管的內(nèi)層，為血管內(nèi)皮細(xì)胞提供結(jié)合位點(diǎn)并誘導(dǎo)其極性生長；細(xì)菌纖維素作為外層，利于細(xì)胞的滲透并為血管平滑肌細(xì)胞預(yù)留生存空間。

4、上述專利cn201510167670.7、cn202010012857.0和cn202010012857.0以靜電紡絲為主制備的小口徑人工血管，雖然可以模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)的纖維和多孔結(jié)構(gòu)，提供細(xì)胞適宜的黏附位點(diǎn)，但靜電紡絲血管孔徑較小，難以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞浸潤性生長；在內(nèi)外層界面處層層結(jié)合強(qiáng)力低，降解時(shí)易分層，有堵塞血管的風(fēng)險(xiǎn)，其彎曲性能不足，在需要經(jīng)常性彎折和扭轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)部位會(huì)出現(xiàn)扭結(jié)彎折，在大多數(shù)情況下，最終的電紡絲管不具備足夠的機(jī)械性能，無法抵抗移植物植入后血液動(dòng)力和壓力下的液體滲漏。此外，靜電紡絲制備小口徑人工血管的纖維直徑小于和強(qiáng)力熔融和溶液紡絲，長期血流沖擊下力學(xué)性能不足以支撐血管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且有限的生物相容性促進(jìn)血管重塑的能力不足，限制了靜電紡絲在體內(nèi)移植材料方面的應(yīng)用，用靜電紡絲與其他工藝復(fù)合的方法制備的小口徑人工血管，制備工藝復(fù)雜，操作困難，耗時(shí)較長。利用細(xì)菌培養(yǎng)可以得到不同高級(jí)結(jié)構(gòu)的纖維素，通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)條件，也可得到化學(xué)性質(zhì)有差異的細(xì)菌纖維素，但其濕態(tài)強(qiáng)度較差，血管替換后有坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，并且其培養(yǎng)環(huán)境要求較高，生物安全性有待提高。

5、為克服上述問題，研究者們嘗試了多種改進(jìn)方法。紡織技術(shù)和編織技術(shù)也被探索用于人工血管的制備，但這些技術(shù)只能做單層管狀結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。盡管通過調(diào)整紡織工藝，如變化編織層數(shù)、改變編織圖案等可以形成雙層結(jié)構(gòu)，但層與層之間無纖維或紗線的相互作用，結(jié)合強(qiáng)力基本為零，不適合細(xì)胞生長和血管再生。

6、為了提高人工血管的抗彎折性，現(xiàn)有技術(shù)針對(duì)聚合物材料人工血管抗彎折的方法是波紋化后處理，該方法適用于受熱或受力易發(fā)生變形的材料，在管狀結(jié)構(gòu)上形成彈簧狀的螺旋環(huán)套結(jié)構(gòu)，具有良好的抗彎折性能，抗彎折原理與彈簧變形相似，但波紋化處理一般只針對(duì)聚合物材料，特別是纖維材料。最新研究，采用3d打印或熔融紡絲將高分子材料做成彈簧狀的螺旋環(huán)套結(jié)構(gòu)，受外力作用時(shí)，高分子骨架彈簧結(jié)構(gòu)橫向內(nèi)側(cè)易發(fā)生壓縮變形、外側(cè)易發(fā)生拉伸變形，整體具有一定的抗彎折性能，然而該結(jié)構(gòu)在應(yīng)對(duì)高壓或高流速環(huán)境時(shí)，彈簧狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性存在局限性，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或斷裂，反復(fù)彎曲容易出現(xiàn)疲勞損傷，導(dǎo)致彈簧結(jié)構(gòu)變形或失效。此外，此方法制備的小口徑人工血管層層之間結(jié)合強(qiáng)度低，移植后降解時(shí)易分層，有形成血管假腔或者造成內(nèi)膜增生的風(fēng)險(xiǎn)。且波紋化處理多用于特定材料類型，限制了其在更多新型材料中的應(yīng)用。

7、文獻(xiàn)(frontiers?in?materials,2020,7:220)和專利cn202011391665.1公開了一種抗彎折小口徑人工血管及其制備方法，包括三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層和外層均為無規(guī)則靜電紡絲纖維膜，內(nèi)外層靜電紡絲膜作為防滲血致密層，中層設(shè)有高分子材料構(gòu)成的彈簧狀的螺旋環(huán)套結(jié)構(gòu)，兩層與螺旋環(huán)套結(jié)構(gòu)的結(jié)合，可有效提高小口徑人工血管的抗彎折性能。然而此方法制備的小口徑人工血管層層之間結(jié)合強(qiáng)度低，移植后降解時(shí)易分層，有形成血管假腔或者造成內(nèi)膜增生的風(fēng)險(xiǎn)。

8、此外，體外組織工程技術(shù)、生物打印技術(shù)和自組裝技術(shù)也是制備人工血管的常用手段。

9、體外組織工程技術(shù)雖能培養(yǎng)并組裝不同類型的細(xì)胞，但成本高、培養(yǎng)時(shí)間周期長，不同類型細(xì)胞的組裝可能受到限制，難以確保它們在整體結(jié)構(gòu)中的均勻分布，因此可能出現(xiàn)細(xì)胞分布不均勻或者細(xì)胞層次不清晰的問題。

10、生物打印技術(shù)可以將細(xì)胞和生物材料以預(yù)定的三維結(jié)構(gòu)打印出來，從而制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多層組織的人工血管。通過逐層打印不同類型的細(xì)胞和生物材料，可以構(gòu)建出具有多層結(jié)構(gòu)的人工血管。但制備過程較為復(fù)雜，需要使用特殊的設(shè)備和技術(shù)，制備成本較高。生物打印的人工血管無纖維穿插或嵌套結(jié)構(gòu)，一般力學(xué)性能較差。同時(shí)，打印過程中可能出現(xiàn)細(xì)胞損傷或死亡，影響人工血管的生物活性和長期穩(wěn)定性。此外，打印精度和速度可能會(huì)限制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和尺寸。

11、自組裝技術(shù)利用細(xì)胞自身的黏附和生長特性，在無外力干擾下自行組裝成多層結(jié)構(gòu)。通過將不同類型的細(xì)胞共同培養(yǎng)在適當(dāng)?shù)闹Ъ芑蚧|(zhì)上，可以促使它們自發(fā)地組裝成多層結(jié)構(gòu)，形成類似自然血管的結(jié)構(gòu)。但自組裝技術(shù)受到細(xì)胞自身特性的限制，自組裝過程可能不可控，導(dǎo)致多層結(jié)構(gòu)的形成存在不確定性，難以精確控制結(jié)構(gòu)的形態(tài)和性能。

12、因此，研究一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管及其制備方法。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管，為中空管狀織物結(jié)構(gòu)，由內(nèi)層和外層組成，內(nèi)層內(nèi)表面為復(fù)絲交織形成的光滑曲面，外層為內(nèi)層外表面復(fù)絲中的單絲經(jīng)勾拉伸長變形形成的蓬松多孔且周向取向排列的結(jié)構(gòu)，兩層之間纖維互相穿插連接，內(nèi)外層為緊密相連的一體結(jié)構(gòu)。

4、作為優(yōu)選的技術(shù)方案：

5、如上所述的一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管，內(nèi)層孔隙的平均直徑為5～10μm，外層孔隙的平均直徑為30～50μm。

6、如上所述的一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管，一體化仿生雙層抗彎折人工血管的面密度為20～600g/m2。

7、如上所述的一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管，一體化仿生雙層抗彎折人工血管的內(nèi)徑為2～20mm，血管壁厚度(指一體化仿生雙層抗彎折人工血管的整體厚度)為0.2～3mm。

8、如上所述的一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管，一體化仿生雙層抗彎折人工血管在彎曲至180度時(shí)不塌陷，即不發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)損壞或永久變形，最小彎曲半徑為2～9.2mm。

9、本發(fā)明還提供如上任一項(xiàng)所述的一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管的制備方法，采用復(fù)絲通過編織方法成型人工血管管狀骨架，在編織成型過程中通過張力控制使部分絲束的張力變大或變小，形成突出于織物表面的浮線，浮線牽出后先經(jīng)刺輥拉毛或勾絲，再經(jīng)梳理工藝，最后后處理定型，制得一體化仿生雙層抗彎折人工血管；

10、刺輥為表面布滿倒刺結(jié)構(gòu)的滾軸，倒刺結(jié)構(gòu)主要是為了在拉毛過程中有效牽出纖維，倒刺內(nèi)側(cè)有棱邊，容易將牽出的纖維割斷；梳理工藝采用梳理架為表面布滿垂直的鋼針的滾軸，將凌亂的纖維梳理成同一個(gè)方向(周向)排列。

11、后處理定型工藝可采用熱定型或溶液定型。

12、熱定型：采用高溫將外層已周向定向排列的編織管進(jìn)行熱定型，熱塑性纖維加熱成柔性，使大分子鏈段運(yùn)動(dòng)而重排，快速水浴冷卻(室溫20℃)后形態(tài)固定；熱定型溫度置于纖維tg和tm之間，時(shí)間2～8小時(shí)。

13、溶液定型：將經(jīng)梳理工藝后的產(chǎn)物浸泡在室溫固定液中5～10min，人工血管纖維與固定液之間不存在化學(xué)反應(yīng)，取出后用相應(yīng)的有機(jī)溶劑或去離子水沖洗并室溫干燥。所用固定液為低熔點(diǎn)聚合物(高溫時(shí)溶于有機(jī)溶劑再冷卻至室溫的溶液)，或生物相容性好、有一定黏度和附著力且干燥后可定型的蛋白和多糖溶液(如絲素、膠原、明膠、透明質(zhì)酸等)，低熔點(diǎn)聚合物可為聚乙烯醇(pva)、聚己內(nèi)酰胺(nylon-6)、可降解聚酯(pla)、聚己二酸丁二醇酯(pbt)、聚硬脂酸乙烯酯(eva)或聚己內(nèi)酯(pcl)，有機(jī)溶劑可為乙酸乙酯、乙酸戊酯、丙酮、乙醇或二甲苯。

14、作為優(yōu)選的技術(shù)方案：

15、如上所述的一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管的制備方法，復(fù)絲規(guī)格為20d～500d，復(fù)絲為無捻絲束，復(fù)絲中單絲細(xì)度在10～30μm之間。

16、如上所述的一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管的制備方法，浮線數(shù)量占復(fù)絲中纖維總根數(shù)的1/2～2/3；拉毛或勾絲后獲得的用于形成外層結(jié)構(gòu)的纖維長度在0.5～20mm之間。

17、本發(fā)明還提供如上任一項(xiàng)所述的一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管的制備方法，采用復(fù)絲通過針織或機(jī)織方法成型人工血管管狀骨架，在針織或機(jī)織成型過程中在基礎(chǔ)組織上增加添紗組織，先通過對(duì)添紗組織中的纖維進(jìn)行割絨，再經(jīng)過梳理工藝，最后后處理定型，制得一體化仿生雙層抗彎折人工血管；

18、梳理工藝采用的梳理架為表面布滿垂直的鋼針的滾軸。

19、作為優(yōu)選的技術(shù)方案：

20、如上所述的一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管的制備方法，添紗組織中的纖維根數(shù)占復(fù)絲中纖維總根數(shù)的1/3～1/2。

21、發(fā)明原理：

22、本發(fā)明的一體化仿生雙層抗彎折人工血管，內(nèi)層為光滑的曲面，內(nèi)層纖維分布均勻(內(nèi)層纖維的均勻分布可以通過顯微圖像分析纖維的間距和密度，如圖12所示，在內(nèi)層表面纖維的間距和排列一致)，孔隙相對(duì)較小，可在一定程度上降低血液滲透性，為內(nèi)皮細(xì)胞提供更多的黏附位點(diǎn)，加快內(nèi)皮層的形成；外層為蓬松多孔、周向取向排列的纖維，纖維垂直于血流方向排列，纖維網(wǎng)孔隙較大，能夠引導(dǎo)平滑肌細(xì)胞的遷入，從而形成有功能性分區(qū)的血管支架。內(nèi)外層為一體結(jié)構(gòu)，纖維在內(nèi)外層之間穿插交織，降解過程中不存在結(jié)合面分層的問題，彎曲180度不塌陷。

23、本發(fā)明的一體化仿生雙層抗彎折人工血管在發(fā)生彎曲變形時(shí)，如圖2所示，遠(yuǎn)離曲率圓心的血管壁被拉伸，靠近曲率圓心的血管壁被擠壓。被拉伸的血管壁：內(nèi)層編織結(jié)構(gòu)具有較大的活動(dòng)性，拉伸時(shí)編織角變小，血管壁伸長，而外層纖維由于呈周向取向排列，相互之間沒有力學(xué)束縛，外層纖維可以發(fā)生較大的橫向遷移，血管壁不易被破裂。被擠壓的血管壁：內(nèi)層受力編織角變大，血管壁收縮，外層纖維外層呈周向取向排列且未交織易分離，受擠壓作用發(fā)生滑移，當(dāng)受力持續(xù)增加時(shí)，彎曲點(diǎn)里面的纖維易被排擠出，從而抵抗彎曲變形，降低彎曲半徑，不易發(fā)生彎折。

24、有益效果：

25、(1)本發(fā)明的一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管，可以模擬自然血管的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對(duì)特定的血管細(xì)胞具有明顯的引導(dǎo)作用；雙層血管外層周向取向蓬松結(jié)構(gòu)的纖維有利于血管平滑肌細(xì)胞(vsmcs)的取向排列和延伸，并促進(jìn)成纖維細(xì)胞的增殖和連接的建立，內(nèi)層光滑的表面抑制血小板粘附和活化及纖維蛋白原吸附，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞(ec)單層形成，減少血栓形成和免疫排斥的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，雙層結(jié)構(gòu)可以提供更好的機(jī)械性能，如抗彎折性，從而減少血管移植術(shù)后的斷裂和破損的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)一體化雙層抗彎折人工血管的兩層間具備良好的連接和自然過渡，可避免再生過程中多層人工血管的分層問題。

26、(2)本發(fā)明的一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管，人工血管內(nèi)外層為一體結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)人工血管的設(shè)計(jì)既促進(jìn)血管的多層結(jié)構(gòu)再生，降解時(shí)不存在結(jié)合面分層的問題，提供了血管再生過程中細(xì)胞粘附生長的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；同時(shí)，也提高其抗彎折性能，滿足肩、肘、膝關(guān)節(jié)特殊部位及頸動(dòng)脈與股動(dòng)脈的抗彎折臨床應(yīng)用需求。

27、(3)本發(fā)明的一種一體化仿生雙層抗彎折人工血管的制備方法，制備過程簡單，人工血管一體成型，具有良好的抗彎折性能。