方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組織工程肌腱支架增強體的制備與降解性能

羅云蔚,張羽舒,王晴波,王希娥,馮彬棋,孔　坤,張佩華,何孜晗

(1.東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海201620；2.位育中學國際部，上海200231)

方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組織工程肌腱支架增強體的制備與降解性能

羅云蔚1,張羽舒1,王晴波1,王希娥1,馮彬棋1,孔坤1,張佩華1,何孜晗2

(1.東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海201620；2.位育中學國際部，上海200231)

聚羥基乙酸(PGA)和聚乳酸(PLA)是兩種生物相容性良好且可在體內(nèi)降解的材料.采用PGA/PLA編織線經(jīng)手工編織的方法制備成周向6個方格、直徑為11 mm的圓筒形網(wǎng)套，作為方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)肌腱支架增強體，測試其初始幾何性能及拉伸性能，將編織所得的方格網(wǎng)狀肌腱支架增強體放入溫度為37 ℃、 pH值為7.4的磷酸鹽緩沖液(PBS)中進行為期8星期的體外降解實驗,觀察支架增強體在體外降解過程中的外觀、孔隙率、厚度、口徑以及斷裂強力和質(zhì)量損失的變化規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn)，手工編織方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)肌腱支架增強體具有縱向拉伸斷裂強力較大、縱向延伸性小和孔隙率大、不易脫散等特性.

肌腱支架增強體；手工編織；方格網(wǎng)狀；聚羥基乙酸(PGA)；聚乳酸(PLA)；降解性能

肌腱損傷是臨床醫(yī)療中經(jīng)常遇到的病癥之一.隨著醫(yī)療技術(shù)的進步，肌腱損傷的治療修復方法向著組織工程化修復肌腱的方向發(fā)展[1].將種子細胞與支架材料結(jié)合構(gòu)建的組織工程肌腱，克服了異體肌腱移植存在的免疫排斥反應.近年來，聚羥基乙酸(PGA)和聚乳酸(PLA)等生物可降解高分子材料，因其優(yōu)良的生物相容性、可降解性、良好的力學特性在組織工程支架中得到了廣泛的應用[2-3].組織工程肌腱支架增強體的組成材料直接影響支架的降解速率及力學性能，支架增強體的結(jié)構(gòu)形態(tài)直接影響支架的力學性能.

PGA和PLA聚合物可通過熔融紡絲制成纖維，將其按照一定組分比例制成編織線，以調(diào)控降解周期和提高材料的拉伸力學性能[4].文獻[5-6]將一定比例配置的PGA/PLA編織線，經(jīng)小口徑圓緯機制成緯平針結(jié)構(gòu)的管狀支架增強體，再將PGA纖維束置入管狀結(jié)構(gòu)支架增強體中構(gòu)成“芯-殼”結(jié)構(gòu)組織工程肌腱支架，由于該緯平針結(jié)構(gòu)的支架增強體的引入，大大提高了肌腱支架的縱向拉伸性能，但該支架增強體的縱向延伸性偏大.文獻[7]采用手工編織的方法，制備了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體，其孔隙率大、拉伸斷裂性能好，但縱向延伸仍較大.文獻[8]研究了三維編織結(jié)構(gòu)的肌腱支架.文獻[9]制作了針織蠶絲肌腱支架，并在孔隙上填充海綿狀蠶絲.文獻[10-11]的研究結(jié)果表明，細胞在表面有孔的支架結(jié)構(gòu)上的成活率更高，活性更大，并且更容易繁殖和分化.

基于上述研究，本文采用手工編織方法制備方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的管狀組織工程肌腱支架增強體(以下簡稱支架增強體)，以期減小支架增強體的縱向延伸性能，并對該結(jié)構(gòu)的支架增強體進行降解過程的力學性能研究，探討方格網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的支架增強體的降解性能與力學特點.

1　實驗部分

1.1材料與試樣制備

1.1.1編織線的制備

本實驗原料采用上海天清生物材料有限公司提供的線密度為6.17 tex的PLA長絲和 8.78 tex的PGA長絲,在12錠編織機上將2根PLA與3根PGA長絲編織成股線,以供后續(xù)制備支架增強體.

1.1.2支架增強體的制備

為使支架增強體兼具良好的拉伸力學性能和低延伸性能，本文采用手工鉤針編織工藝制備支架增強體，其組織結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，a為3針辮子針編鏈，b為長針，3針辮子針編鏈與長針相互連接，構(gòu)成方格效應，如此循環(huán)編織，制成圓周方向有6個方格、直徑為11 mm的圓筒形網(wǎng)套，作為小孔徑方格網(wǎng)狀支架增強體.編織成形的支架增強體實物如圖2所示.

圖1　方格網(wǎng)狀支架增強體的組織結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　The structural diagram of square -mesh tendon scaffold reinforcement

圖2　方格網(wǎng)狀支架增強體的實物圖Fig.2　The photo of square -mesh tendon scaffold reinforcement

1.2體外降解實驗

將支架增強體浸泡在盛有磷酸鹽緩沖液(PBS)的培養(yǎng)皿中(溫度為37 ℃，pH值為7.4)，再將培養(yǎng)皿放置在二氧化碳細胞培養(yǎng)箱中，進行體外降解實驗.PBS溶液每星期更換一次.在每星期的固定時間點將試樣取出，用去離子水清洗干凈，再用濾紙吸干表面水分，然后將試樣置于冷凍干燥機干燥3 h后取出，進行各項指標的測試.

1.3儀器及方法

1.3.1實驗儀器

HH·CP-T型二氧化碳細胞培養(yǎng)箱，上海一恒科學儀器有限公司；FD-1D-50型冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；YG(B)026H-500型紡織品多功能強力儀，溫州市大榮紡織儀器有限公司；FA 2004型分析電子天平，上海良平儀器儀表有限公司；CH-10-AT型乳膠測厚儀，上海六菱儀器廠.

1.3.2測試指標與方法

本文采用延伸率、質(zhì)量損失率、拉伸斷裂強力和表觀形態(tài)對支架增強體的體外降解性能進行表征.

(1) 延伸率ε.在標準狀況下，用夾子固定支架增強體的一端，記錄測量得到的支架增強體長度L0.在另一端懸掛1 N的砝碼，記錄此時測量得到的支架增強體長度L1.根據(jù)式(1)計算支架增強體的延伸率ε.

(1)

(2) 質(zhì)量損失率.支架增強體未降解前稱重記為m0，體外降解后的支架增強體稱重記為m1.根據(jù)式(2)計算質(zhì)量損失率.

(2)

(3) 拉伸斷裂強力.對冷凍干燥后的支架增強體進行拉伸實驗，實驗參數(shù)：夾距為20 mm、拉伸速度為50 mm/min、量程為500 N、試樣寬度為10 mm、試樣長度為40 mm.

(4) 表觀形態(tài).采用表面形態(tài)和外觀尺寸進行表征.將冷凍干燥后的支架增強體進行熱定型，分別在1倍和1.5倍放大倍數(shù)的電鏡下拍攝其形態(tài)并觀察分析.采用空隙率、厚度、口徑表征支架增強體的外觀尺寸.根據(jù)支架增強體體積，用密度法測量孔隙率φ.測量冷凍干燥后的支架增強體的長度、寬度和厚度，計算其體積，用分析天平稱其干態(tài)質(zhì)量，根據(jù)所測得的體積和干態(tài)質(zhì)量計算出支架增強體的表觀密度ρ．再根據(jù)標準密度ρ0(ρ0=1.357g/cm3)與式(3)計算孔隙率φ.

(3)

用測厚儀測出支架增強體的厚度.

口徑是指支架增強體的半徑r，通過測量支架增強體自然狀態(tài)下扁平寬度w，根據(jù)式(4)計算口徑，單位為mm.

(4)

2　結(jié)果與討論

2.1支架增強體降解前的基本性能

方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體在降解前的基本性能如表1所示.

表1方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體的基本性能

Table 1The basic properties of square -mesh tendon scaffold reinforcement

網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)ε/%孔隙率/%口徑/mm斷裂強力/N方格24.1484.584.04104.14

肌腱支架增強體作為肌腱細胞增長繁殖的場所，其縱向延伸性對支架增強體的穩(wěn)定性影響較大.延伸率大則穩(wěn)定性差，不利于細胞的附著、增長與繁殖；延伸率小則其穩(wěn)定性好，更適合細胞的增殖.對所得的方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組織工程肌腱支架增強體的延伸率進行測量，并與緯平、經(jīng)平及菱形網(wǎng)狀組織支架增強體作對比，結(jié)果如表2所示.

表2不同網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體延伸率對比

Table 2Elongation contrast between different mesh tendon scaffold reinforcements

網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)緯平經(jīng)平菱形網(wǎng)狀方格網(wǎng)狀ε/%60.3463.6630.0024.14

由表2可知，與其他3種結(jié)構(gòu)支架增強體相比，方格網(wǎng)狀支架增強體的縱向延伸率較小.這是因為方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由編鏈以及長針組成，編鏈延伸性小，結(jié)構(gòu)較緊密，再加上手工編織時長針與編鏈相互交織形成結(jié)點，使得方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強.

由表1可知，方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體的孔隙率和口徑較大，其孔隙率數(shù)值的大小，還可以通過改變手工編織中編鏈數(shù)的針數(shù)來調(diào)整.該支架增強體具有一定的軸向拉伸強力，其軸向拉伸強力主要由編鏈結(jié)構(gòu)承擔.

2.2支架增強體的質(zhì)量損失

在降解過程中，方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體的質(zhì)量損失率變化情況如圖3所示.由圖3可知，經(jīng)過8星期的降解，試樣質(zhì)量明顯減小，前2星期的降解速度比較緩慢，質(zhì)量損失較少；隨著降解時間的延長，降解速度逐漸增大.由圖3還可以看出，降解3星期后，質(zhì)量損失率變化較快；而6星期以后質(zhì)量損失率變化比較平緩，基本不再變化.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是在降解初期，PGA大分子鏈首先斷裂成具有較大相對分子質(zhì)量的物質(zhì)，這些物質(zhì)的相對分子質(zhì)量足夠大，以至于其并不能完全溶于水中，而只有少部分小分子物質(zhì)溶于水中；隨著降解的進行，較大相對分子質(zhì)量物質(zhì)繼續(xù)水解成為更小的物質(zhì)，這些物質(zhì)大量溶于水中，從而使得質(zhì)量損失率迅速增大；當PGA逐漸降解后，PLA起主導作用，而PLA降解速度慢，因此，降解6星期后質(zhì)量損失基本無變化.

圖3　方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體質(zhì)量損失率隨降解時間的變化曲線Fig.3　Mass loss rate curve of square-mesh tendon scaffold reinforcement with degradation time

2.3支架增強體的力學性能

方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體降解過程中的斷裂強力變化如圖4所示.

圖4　方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體斷裂強力隨降解時間的變化曲線Fig.4　Breaking strength curve of square-mesh tendon scaffold reinforcement with degradation time

由圖4可知，隨著降解時間的延長，支架的斷裂強力在逐漸下降，前4星期降解速率比較快，強力損失較多，后4星期的強力損失趨于平緩.這主要是因為編織線中PGA的降解速度較快，在降解初期，隨著PGA大分子鏈的斷裂，編織線的強力急劇下降.當PGA失去絕大多數(shù)強力時，支架增強體中受力部分主要為PLA，而PLA降解速度很慢，因此，在降解后期，強力下降速率減慢.

2.4支架增強體的外觀形態(tài)

方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體在降解過程中的表面形態(tài)如圖5所示，其孔隙率、厚度、口徑隨降解時間的變化如圖6～8所示.

(a) 1星期

(b) 3星期

(c) 5星期

(d) 8星期圖5　方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體降解過程中的表面形態(tài)變化照片F(xiàn)ig.5　The surface morphology of square-mesh tendon scaffold reinforcement during degradation

圖6　方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體孔隙率隨降解時間的變化曲線Fig.6　Porosity curve of square-mesh tendon scaffold reinforcement with degradation time

圖7　方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體厚度隨降解時間的變化曲線Fig.7　Thickness curve of square-mesh tendon scaffold reinforcement with degradation time

圖8　方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支架增強體口徑隨降解時間的變化曲線Fig.8　Caliber curve of square-mesh tendon scaffold reinforcement with degradation time

由圖5可見，在8星期降解過程中，支架增強體結(jié)構(gòu)保持完好，邊緣未見任何變形、脫散和破損現(xiàn)象.

由圖6可知，支架增強體的孔隙率在降解過程中呈先下降后回升的趨勢.這可能是因為在降解初期，纖維發(fā)生溶脹作用，編織線的直徑增大，編織線內(nèi)部孔隙減小，且支架增強體口徑減小，孔隙和口徑的減小直接造成支架增強體孔隙率減小.降解后期由于PGA大量降解，編織線直徑進一步減小，支架增強體的口徑逐漸增大，從而導致孔隙率增大.

由圖7可知，降解前3星期，支架增強體的厚度有所增加，4星期后厚度迅速下降．這可能是因為在降解初期，支架增強體的纖維發(fā)生溶脹，編織線變粗，使得支架增強體的厚度有所增加；降解后期編織線的結(jié)構(gòu)遭到破壞，支架增強體的質(zhì)量損失迅速增大，此時質(zhì)量損失對厚度的變化起主導作用，使得支架增強體厚度減小.

由圖8可知，支架口徑在降解過程中的變化波動較小，方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所特有的辮子針編鏈與長針不易發(fā)生線圈的轉(zhuǎn)移變化.

3　結(jié)　語

本文選用一定比例的PGA和PLA纖維長絲編織成股線，并采用手工編織的方法，制備了方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的組織工程肌腱支架增強體，測試和分析了該結(jié)構(gòu)支架增強體在體外降解過程中的質(zhì)量損失、拉伸斷裂強力以及表觀形態(tài)、支架口徑、孔隙率、壁厚的變化.研究結(jié)果表明：手工編織方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)肌腱支架增強體的邊緣不易脫散，其具有較好的縱向拉伸斷裂強力，且縱向延伸??；該支架增強體的孔隙率為82.50%～87.88%，可滿足組織工程肌腱支架增強體的要求.

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Manufacture and Degradable Properties of Square-Mesh Scaffold Reinforcement for Tendon Tissue Engineering

LUOYun-wei1,ZHANGYu-shu1,WANGQing-bo1,WANGXi-e1,FENGBin-qi1,KONGKun1,ZHANGPei-hua1,HEZi-han2

(1.Key Laboratory of Textile Science & Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China;2.International Department of Weiyu High School,Shanghai 200231,China)

Both polyglycolic acid(PGA) and polylactic acid(PLA) filaments have the biocompatible and degradable properties.The specific proportion of PGA/PLA braided yarn was selected to form the square-mesh scaffold reinforcements for tendon by hand-knitting with the circumferential six squares and 11 mm diameter around.Their initial geometric properties and tensile properties were tested.The square-mesh scaffold reinforcements were put into phosphate buffered saline (PBS) with 37 ℃,pH value was 7.4 for a period of eight-week degradation in vitro.Each sample was investigated on its basic performance of surface morphology,porosity,thickness,caliber and tensile strength as well as the change of mass loss during the eight-week degradation periods.The experimental results showed that the square-mesh scaffold reinforcements have the properties of bigger longitudinal tensile strength,smaller longitudinal extension，larger porosity and it’s difficult to decoherence.

tendon scaffold reinforcement; hand knitting; square-mesh; polyglycolic acid (PGA); polylactic acid (PLA); degradable property

1671-0444(2015)02-0178-05

2014-02-24

國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃資助項目(201210255027)

羅云蔚(1992—)，女，貴州黔南人，研究方向為小口徑組織工程肌腱支架的制備和性能.E-mail： lywvivi520@163.com

張佩華(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail： phzh@dhu.edu.cn

TS 101.4

A