PLLA/HA復(fù)合材料電紡絲覆膜氣管支架的制作及力學(xué)性能的基礎(chǔ)研究

馬永富 劉 陽(yáng) 梁朝陽(yáng) 郭俊唐 張 濤

解放軍總醫(yī)院胸外科，北京 100853

組織工程研究，是將功能細(xì)胞種植于一種仿生細(xì)胞外基質(zhì)的生物支架材料上，使其增殖與分化后植入機(jī)體組織，從而修復(fù)并再生病損組織。因此組織工程支架材料的結(jié)構(gòu)和功能必須具有類似細(xì)胞外基質(zhì)的作用，具有良好的生物相容性、可吸收性及較好力學(xué)性能[1]。目前研究表明，一種材料難以滿足組織工程支架材料的要求，因此，不同材料之間的復(fù)合、改性及其性能研究是組織工程研究的重點(diǎn)[2-4]。

聚左旋乳酸（PLLA）和羥基磷灰石（HA）都是最常用的修復(fù)材料。PLLA是一種具有良好生物相容性和生物可降解性的聚合物,但也存在強(qiáng)度低、降解產(chǎn)物呈酸性導(dǎo)致局部炎癥等缺點(diǎn)。HA是骨組織中主要的無(wú)機(jī)成分，但是其力學(xué)強(qiáng)度低，脆性大，抗折及抗沖擊性能較差。將PLLA和HA復(fù)合，可以綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，使材料在具有良好的生物降解性的同時(shí)具備較好的力學(xué)性能。

聚左旋乳酸/羥基磷灰石（PLLA/HA）復(fù)合材料支架目前被廣泛研究，主要集中于復(fù)合材料的制備工藝及改性方面，以期獲得更好的生物相容性及生物力學(xué)性能。在既往支架基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用的基礎(chǔ)上[5-8]，進(jìn)行一種新型PLLA/HA復(fù)合材料電紡絲覆膜氣管支架的研制。

1 資料與方法

1.1 一般資料

PLLA分子量為150 000，購(gòu)自山東醫(yī)用器械研究所；三氯甲烷溶液購(gòu)自北京化工廠；HA購(gòu)自清華大學(xué)核研所。

1.2 方法

1.2.1 可降解支架研制

1.2.1.1 支架的形狀設(shè)計(jì) 利用三維設(shè)計(jì)軟件Autodesk Inventor設(shè)計(jì)支架模型及模具（圖1）。

1.2.1.2 PLLA/HA和PLLA切絲力學(xué)比較 以三氯甲烷作為溶劑，一容器中加入4.0 g PLLA和1.0 g HA，體積濃度為10%（g/mL）；另一容器中加入5 g PLLA，體積濃度為10%（g/mL）。恒溫磁力攪拌24 h后形成懸濁溶液，倒入特制成膜器具后，鼓風(fēng)干燥箱中放置48 h，揮發(fā)去除氣泡，制成PLLA/HA和純PLLA薄膜，切成橫截面為1.0 mm×1.0 mm的細(xì)絲，每組3根切絲，切絲拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明PLLA/HA和純PLLA具有類似的拉力應(yīng)變曲線（圖2）。

1.2.1.3 支架制作 按照上述方法制成PLLA/HA薄膜，切成橫截面為1.0 mm×1.0 mm的細(xì)絲。于模具上制成長(zhǎng)度80 mm，直徑分別為20～26 mm的支架。

1.2.1.4 PLLA/HA復(fù)合材料支架的電紡絲覆膜 ①PLLA/HA紡絲液的制備：以三氯甲烷為溶劑，按照上述方法，配置PLLA/HA紡絲液[體積濃度10%（g/mL）]。②纖維膜的制備：將紡絲液注入特制儲(chǔ)液管容器中，固定在電紡絲裝置一端，另一端連接光滑電極板，以20 000 V靜電電壓打開電源，調(diào)節(jié)電壓，以特制模板收集纖維，得到電紡絲覆膜。覆蓋支架主體后，形成PLLA/HA復(fù)合材料支架（圖3）。④掃描電鏡（SEM）分析微觀形態(tài)及結(jié)構(gòu)，觀察電紡絲覆膜的的表面形態(tài)、孔徑情況及其孔隙率（圖4）。

1.2.2 PLLA/HA復(fù)合材料支架的機(jī)械力學(xué)性能

將支架放置在Zwick Z020型電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)力學(xué)測(cè)試裝置中，壓縮至所需直徑后得到徑向支撐力數(shù)據(jù)與國(guó)產(chǎn)鎳鈦合金支架（圖5）進(jìn)行比較。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 11.0軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，計(jì)量資料比較采用t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料組間對(duì)比采用χ2檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 徑向支撐力測(cè)試結(jié)果

PLLA/HA復(fù)合材料支架壓縮至相應(yīng)直徑13～19 mm，其徑向支撐力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。徑向支撐力：PLLA/HA復(fù)合材料支架平均為7.96 kPa，鎳鈦合金支架平均為7.85 kPa。組間行均數(shù)的t檢驗(yàn)，徑向支撐力比較，兩組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.7 651＞0.05）。

表1 PLLA/HA復(fù)合材料支架徑向支撐力測(cè)試結(jié)果

2.2 表面覆蓋率、支架軸向收縮率、支架擴(kuò)張率

PLLA/HA復(fù)合材料支架表面覆蓋率、支架軸向收縮率、支架擴(kuò)張率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 復(fù)合材料支架表面覆蓋率、支架軸向收縮率及支架擴(kuò)張率測(cè)試結(jié)果

2.3 PLLA/HA復(fù)合材料電紡絲覆膜的掃描電鏡觀察及分析

掃描電鏡觀察可見(jiàn)電紡絲技術(shù)制備的PLLA/HA復(fù)合材料覆膜可以形成大小不同尺寸的孔，孔隙率較好。羥基磷灰石的加入使纖維直徑增大且表面粗糙程度增加（圖4）。

3 討論

聚乳酸（PLA）是目前生物降解醫(yī)用材料領(lǐng)域中最受重視的材料之一。因其于機(jī)體內(nèi)具有無(wú)毒性、生物可降解性和良好的生物相容性，而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)用縫合線、骨修復(fù)材料、藥物控制釋放材料及人造皮膚材料的加工和制作[9]。PLA按照旋光性的不同，可分為左旋（PLLA）和右旋（PDLA）2個(gè)種類。由于生物體內(nèi)都是左旋，所以醫(yī)用材料一般都選用PLLA[10]。PLLA和PDLA皆為部分結(jié)晶高分子，在體內(nèi)的講降解過(guò)程中，由于PLLA的降解產(chǎn)物為L(zhǎng)-乳酸，最終以二氧化碳和水的形式排出體外，被人體完全代謝，因此PLLA在醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用更具競(jìng)爭(zhēng)力[11-12]。但PLLA在機(jī)體內(nèi)的降解過(guò)程中，存在以下問(wèn)題：因其本身呈疏水性，導(dǎo)致細(xì)胞親和性差；PLLA在機(jī)體內(nèi)緩慢降解過(guò)程中產(chǎn)生的局部弱酸性環(huán)境，引發(fā)機(jī)體炎癥反應(yīng)[13]。所以，實(shí)際應(yīng)用中需要通過(guò)改性的方法來(lái)改善聚乳酸的降解性能及生物相容性，即通過(guò)分子設(shè)計(jì)合成以PLLA為主的各類共聚物或者復(fù)合物。如已有報(bào)道中提及，羥基磷灰石（HA）可被用于聚乳酸的改性處理[14-15]。HA富含人體組織所必需的鈣和磷元素，是人體骨骼中的主要無(wú)機(jī)成分[16]，因而它具備良好的生物容性及骨傳導(dǎo)性。已有文獻(xiàn)證明HA具有與羧基基團(tuán)形成化學(xué)鍵的能力[17]，可以緩沖PLLA的酸性降解產(chǎn)物導(dǎo)致的局部炎性反應(yīng)[18]，本研究復(fù)合HA于PLLA材料中，正是因?yàn)镠A代謝過(guò)程中產(chǎn)生的弱堿性環(huán)境中和了PLLA的降解產(chǎn)物在局部產(chǎn)生的乳酸性產(chǎn)物，從而減少了無(wú)菌性炎癥的發(fā)生概率[19-20]。

電紡絲技術(shù)，在組織工程復(fù)合材料制作領(lǐng)域中，是一項(xiàng)重要并且常用的工藝。其原理是在高壓靜電作用下，利用電場(chǎng)力克服聚合物或者復(fù)合材料溶液的表面張力，使之形成一股帶電的噴射流，于收集裝置上電紡絲纖維逐層隨機(jī)分布，溶劑揮發(fā)后，形成無(wú)序排列的電紡絲纖維編織的覆膜。由于其纖維結(jié)構(gòu)是取向不同的纖維交織而成，結(jié)合較弱，并且會(huì)形成不同尺寸的孔，而這些孔的大小及其孔隙率都會(huì)對(duì)支架的覆膜的性能產(chǎn)生重要的影響。目前組織工程復(fù)合材料孔的尺寸大多在20～100 nm[21]。而材料的孔隙率越高，就能夠越大限度地為細(xì)胞提供生存空間，更好地起到細(xì)胞外基質(zhì)的作用。而當(dāng)體外培養(yǎng)的細(xì)胞進(jìn)入孔內(nèi)增殖與分化，能夠推動(dòng)周圍的纖維以擴(kuò)展空間，相應(yīng)會(huì)提高復(fù)合材料的細(xì)胞滲透性[22]。在一項(xiàng)研究細(xì)胞增長(zhǎng)的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，更發(fā)現(xiàn)電紡纖維的結(jié)構(gòu)還很有利于促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，并有效地促進(jìn)細(xì)胞的接觸和滲透[23]。本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)PLLA/HA復(fù)合材料電紡絲覆膜形成大小不同尺寸的孔，孔隙率較好。而HA的加入，更增加了纖維的直徑和表面粗糙程度。這將十分利于種入其間的細(xì)胞在與周圍環(huán)境良好交互的同時(shí)，還能很好地保持其自身結(jié)構(gòu)，并沿著纖維不斷地定向生長(zhǎng)。所以，利用電紡絲技術(shù)生產(chǎn)的復(fù)合材料纖維，能夠很好地仿生細(xì)胞外基質(zhì)，具有良好的生物學(xué)性能。

在設(shè)計(jì)支架的過(guò)程中，支架的力學(xué)性能是在支架的材料、結(jié)構(gòu)外另一個(gè)要考量的重要方面。因?yàn)橹Ъ艿淖饔貌恢皇菫榧?xì)胞提供生長(zhǎng)的表面，更要具備良好的機(jī)械穩(wěn)定性以支撐起宿主的缺陷部位。設(shè)計(jì)優(yōu)良的組織工程支架，必須具備以下兩方面的力學(xué)要求：其一，在植入宿主體內(nèi)后，必須保持其自身結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性；其二，于宿主體內(nèi)，在組織再生和材料降解的過(guò)程中，必須保持足夠的機(jī)械力學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)中，PLLA/HA和PLLA切絲力學(xué)比較實(shí)驗(yàn)表明，他們具有類似的拉力應(yīng)變曲線，因此PLLA/HA纖維的機(jī)械力學(xué)性能較好[24]。醫(yī)用腔內(nèi)支架的主要失效模式是“塌陷”。從材料力學(xué)的角度講，就是穩(wěn)定性不夠而造成的屈曲失效[25]。支架發(fā)生屈曲失效時(shí)的臨界壓力稱為支架的徑向強(qiáng)度，它是醫(yī)用內(nèi)支架最重要的一個(gè)性能指標(biāo)之一，徑向支撐力過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)帶來(lái)相關(guān)的副作用[26]。本實(shí)驗(yàn)中，PLLA/HA復(fù)合材料支架為平均7.96 kPa，鎳鈦合金支架平均7.85 kPa。組間行均數(shù)的t檢驗(yàn)，組間徑向支撐力比較兩組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。滿足氣管內(nèi)支架的徑向支撐力機(jī)械力學(xué)要求。其次是支架表面覆蓋率、伸展性和縱向縮短率要達(dá)到相應(yīng)的要求。本實(shí)驗(yàn)中，PLLA/HA復(fù)合材料支架的表面覆蓋率均小于20%，支架擴(kuò)張率在4%～6%，支架縱向縮短率均小于9%，符合支架表面覆蓋率、伸展性和縱向縮短率的相關(guān)要求[27]。

總之，本研究中PLLA/HA復(fù)合材料電紡絲覆膜支架的力學(xué)性能良好，結(jié)構(gòu)形態(tài)符合組織工程材料要求，是氣管內(nèi)支架的一種新型材料。

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