方格网状结构组织工程肌腱支架增强体的制备与降解性能

罗云蔚,张羽舒,王晴波,王希娥,冯彬棋,孔　坤,张佩华,何孜晗

(1.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海201620；2.位育中学国际部，上海200231)

方格网状结构组织工程肌腱支架增强体的制备与降解性能

罗云蔚1,张羽舒1,王晴波1,王希娥1,冯彬棋1,孔坤1,张佩华1,何孜晗2

(1.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海201620；2.位育中学国际部，上海200231)

聚羟基乙酸(PGA)和聚乳酸(PLA)是两种生物相容性良好且可在体内降解的材料.采用PGA/PLA编织线经手工编织的方法制备成周向6个方格、直径为11 mm的圆筒形网套，作为方格网状结构肌腱支架增强体，测试其初始几何性能及拉伸性能，将编织所得的方格网状肌腱支架增强体放入温度为37 ℃、 pH值为7.4的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行为期8星期的体外降解实验,观察支架增强体在体外降解过程中的外观、孔隙率、厚度、口径以及断裂强力和质量损失的变化规律.研究发现，手工编织方格网状结构肌腱支架增强体具有纵向拉伸断裂强力较大、纵向延伸性小和孔隙率大、不易脱散等特性.

肌腱支架增强体；手工编织；方格网状；聚羟基乙酸(PGA)；聚乳酸(PLA)；降解性能

肌腱损伤是临床医疗中经常遇到的病症之一.随着医疗技术的进步，肌腱损伤的治疗修复方法向着组织工程化修复肌腱的方向发展[1].将种子细胞与支架材料结合构建的组织工程肌腱，克服了异体肌腱移植存在的免疫排斥反应.近年来，聚羟基乙酸(PGA)和聚乳酸(PLA)等生物可降解高分子材料，因其优良的生物相容性、可降解性、良好的力学特性在组织工程支架中得到了广泛的应用[2-3].组织工程肌腱支架增强体的组成材料直接影响支架的降解速率及力学性能，支架增强体的结构形态直接影响支架的力学性能.

PGA和PLA聚合物可通过熔融纺丝制成纤维，将其按照一定组分比例制成编织线，以调控降解周期和提高材料的拉伸力学性能[4].文献[5-6]将一定比例配置的PGA/PLA编织线，经小口径圆纬机制成纬平针结构的管状支架增强体，再将PGA纤维束置入管状结构支架增强体中构成“芯-壳”结构组织工程肌腱支架，由于该纬平针结构的支架增强体的引入，大大提高了肌腱支架的纵向拉伸性能，但该支架增强体的纵向延伸性偏大.文献[7]采用手工编织的方法，制备了网状结构支架增强体，其孔隙率大、拉伸断裂性能好，但纵向延伸仍较大.文献[8]研究了三维编织结构的肌腱支架.文献[9]制作了针织蚕丝肌腱支架，并在孔隙上填充海绵状蚕丝.文献[10-11]的研究结果表明，细胞在表面有孔的支架结构上的成活率更高，活性更大，并且更容易繁殖和分化.

基于上述研究，本文采用手工编织方法制备方格网状结构的管状组织工程肌腱支架增强体(以下简称支架增强体)，以期减小支架增强体的纵向延伸性能，并对该结构的支架增强体进行降解过程的力学性能研究，探讨方格网孔结构的支架增强体的降解性能与力学特点.

1　实验部分

1.1材料与试样制备

1.1.1编织线的制备

本实验原料采用上海天清生物材料有限公司提供的线密度为6.17 tex的PLA长丝和 8.78 tex的PGA长丝,在12锭编织机上将2根PLA与3根PGA长丝编织成股线,以供后续制备支架增强体.

1.1.2支架增强体的制备

为使支架增强体兼具良好的拉伸力学性能和低延伸性能，本文采用手工钩针编织工艺制备支架增强体，其组织结构如图1所示，其中，a为3针辫子针编链，b为长针，3针辫子针编链与长针相互连接，构成方格效应，如此循环编织，制成圆周方向有6个方格、直径为11 mm的圆筒形网套，作为小孔径方格网状支架增强体.编织成形的支架增强体实物如图2所示.

图1　方格网状支架增强体的组织结构示意图Fig.1　The structural diagram of square -mesh tendon scaffold reinforcement

图2　方格网状支架增强体的实物图Fig.2　The photo of square -mesh tendon scaffold reinforcement

1.2体外降解实验

将支架增强体浸泡在盛有磷酸盐缓冲液(PBS)的培养皿中(温度为37 ℃，pH值为7.4)，再将培养皿放置在二氧化碳细胞培养箱中，进行体外降解实验.PBS溶液每星期更换一次.在每星期的固定时间点将试样取出，用去离子水清洗干净，再用滤纸吸干表面水分，然后将试样置于冷冻干燥机干燥3 h后取出，进行各项指标的测试.

1.3仪器及方法

1.3.1实验仪器

HH·CP-T型二氧化碳细胞培养箱，上海一恒科学仪器有限公司；FD-1D-50型冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司；YG(B)026H-500型纺织品多功能强力仪，温州市大荣纺织仪器有限公司；FA 2004型分析电子天平，上海良平仪器仪表有限公司；CH-10-AT型乳胶测厚仪，上海六菱仪器厂.

1.3.2测试指标与方法

本文采用延伸率、质量损失率、拉伸断裂强力和表观形态对支架增强体的体外降解性能进行表征.

(1) 延伸率ε.在标准状况下，用夹子固定支架增强体的一端，记录测量得到的支架增强体长度L0.在另一端悬挂1 N的砝码，记录此时测量得到的支架增强体长度L1.根据式(1)计算支架增强体的延伸率ε.

(1)

(2) 质量损失率.支架增强体未降解前称重记为m0，体外降解后的支架增强体称重记为m1.根据式(2)计算质量损失率.

(2)

(3) 拉伸断裂强力.对冷冻干燥后的支架增强体进行拉伸实验，实验参数：夹距为20 mm、拉伸速度为50 mm/min、量程为500 N、试样宽度为10 mm、试样长度为40 mm.

(4) 表观形态.采用表面形态和外观尺寸进行表征.将冷冻干燥后的支架增强体进行热定型，分别在1倍和1.5倍放大倍数的电镜下拍摄其形态并观察分析.采用空隙率、厚度、口径表征支架增强体的外观尺寸.根据支架增强体体积，用密度法测量孔隙率φ.测量冷冻干燥后的支架增强体的长度、宽度和厚度，计算其体积，用分析天平称其干态质量，根据所测得的体积和干态质量计算出支架增强体的表观密度ρ．再根据标准密度ρ0(ρ0=1.357g/cm3)与式(3)计算孔隙率φ.

(3)

用测厚仪测出支架增强体的厚度.

口径是指支架增强体的半径r，通过测量支架增强体自然状态下扁平宽度w，根据式(4)计算口径，单位为mm.

(4)

2　结果与讨论

2.1支架增强体降解前的基本性能

方格网状结构支架增强体在降解前的基本性能如表1所示.

表1方格网状结构支架增强体的基本性能

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

网孔结构ε/%孔隙率/%口径/mm断裂强力/N方格24.1484.584.04104.14

肌腱支架增强体作为肌腱细胞增长繁殖的场所，其纵向延伸性对支架增强体的稳定性影响较大.延伸率大则稳定性差，不利于细胞的附着、增长与繁殖；延伸率小则其稳定性好，更适合细胞的增殖.对所得的方格网状结构组织工程肌腱支架增强体的延伸率进行测量，并与纬平、经平及菱形网状组织支架增强体作对比，结果如表2所示.

表2不同网状结构支架增强体延伸率对比

Table 2Elongation contrast between different mesh tendon scaffold reinforcements

网孔结构纬平经平菱形网状方格网状ε/%60.3463.6630.0024.14

由表2可知，与其他3种结构支架增强体相比，方格网状支架增强体的纵向延伸率较小.这是因为方格网状结构由编链以及长针组成，编链延伸性小，结构较紧密，再加上手工编织时长针与编链相互交织形成结点，使得方格网状结构稳定性较强.

由表1可知，方格网状结构支架增强体的孔隙率和口径较大，其孔隙率数值的大小，还可以通过改变手工编织中编链数的针数来调整.该支架增强体具有一定的轴向拉伸强力，其轴向拉伸强力主要由编链结构承担.

2.2支架增强体的质量损失

在降解过程中，方格网状结构支架增强体的质量损失率变化情况如图3所示.由图3可知，经过8星期的降解，试样质量明显减小，前2星期的降解速度比较缓慢，质量损失较少；随着降解时间的延长，降解速度逐渐增大.由图3还可以看出，降解3星期后，质量损失率变化较快；而6星期以后质量损失率变化比较平缓，基本不再变化.产生这一现象的主要原因是在降解初期，PGA大分子链首先断裂成具有较大相对分子质量的物质，这些物质的相对分子质量足够大，以至于其并不能完全溶于水中，而只有少部分小分子物质溶于水中；随着降解的进行，较大相对分子质量物质继续水解成为更小的物质，这些物质大量溶于水中，从而使得质量损失率迅速增大；当PGA逐渐降解后，PLA起主导作用，而PLA降解速度慢，因此，降解6星期后质量损失基本无变化.

图3　方格网状结构支架增强体质量损失率随降解时间的变化曲线Fig.3　Mass loss rate curve of square-mesh tendon scaffold reinforcement with degradation time

2.3支架增强体的力学性能

方格网状结构支架增强体降解过程中的断裂强力变化如图4所示.

图4　方格网状结构支架增强体断裂强力随降解时间的变化曲线Fig.4　Breaking strength curve of square-mesh tendon scaffold reinforcement with degradation time

由图4可知，随着降解时间的延长，支架的断裂强力在逐渐下降，前4星期降解速率比较快，强力损失较多，后4星期的强力损失趋于平缓.这主要是因为编织线中PGA的降解速度较快，在降解初期，随着PGA大分子链的断裂，编织线的强力急剧下降.当PGA失去绝大多数强力时，支架增强体中受力部分主要为PLA，而PLA降解速度很慢，因此，在降解后期，强力下降速率减慢.

2.4支架增强体的外观形态

方格网状结构支架增强体在降解过程中的表面形态如图5所示，其孔隙率、厚度、口径随降解时间的变化如图6～8所示.

(a) 1星期

(b) 3星期

(c) 5星期

(d) 8星期图5　方格网状结构支架增强体降解过程中的表面形态变化照片Fig.5　The surface morphology of square-mesh tendon scaffold reinforcement during degradation

图6　方格网状结构支架增强体孔隙率随降解时间的变化曲线Fig.6　Porosity curve of square-mesh tendon scaffold reinforcement with degradation time

图7　方格网状结构支架增强体厚度随降解时间的变化曲线Fig.7　Thickness curve of square-mesh tendon scaffold reinforcement with degradation time

图8　方格网状结构支架增强体口径随降解时间的变化曲线Fig.8　Caliber curve of square-mesh tendon scaffold reinforcement with degradation time

由图5可见，在8星期降解过程中，支架增强体结构保持完好，边缘未见任何变形、脱散和破损现象.

由图6可知，支架增强体的孔隙率在降解过程中呈先下降后回升的趋势.这可能是因为在降解初期，纤维发生溶胀作用，编织线的直径增大，编织线内部孔隙减小，且支架增强体口径减小，孔隙和口径的减小直接造成支架增强体孔隙率减小.降解后期由于PGA大量降解，编织线直径进一步减小，支架增强体的口径逐渐增大，从而导致孔隙率增大.

由图7可知，降解前3星期，支架增强体的厚度有所增加，4星期后厚度迅速下降．这可能是因为在降解初期，支架增强体的纤维发生溶胀，编织线变粗，使得支架增强体的厚度有所增加；降解后期编织线的结构遭到破坏，支架增强体的质量损失迅速增大，此时质量损失对厚度的变化起主导作用，使得支架增强体厚度减小.

由图8可知，支架口径在降解过程中的变化波动较小，方格网状结构所特有的辫子针编链与长针不易发生线圈的转移变化.

3　结　语

本文选用一定比例的PGA和PLA纤维长丝编织成股线，并采用手工编织的方法，制备了方格网状结构的组织工程肌腱支架增强体，测试和分析了该结构支架增强体在体外降解过程中的质量损失、拉伸断裂强力以及表观形态、支架口径、孔隙率、壁厚的变化.研究结果表明：手工编织方格网状结构肌腱支架增强体的边缘不易脱散，其具有较好的纵向拉伸断裂强力，且纵向延伸小；该支架增强体的孔隙率为82.50%～87.88%，可满足组织工程肌腱支架增强体的要求.

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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

国家大学生创新性实验计划资助项目(201210255027)

罗云蔚(1992—)，女，贵州黔南人，研究方向为小口径组织工程肌腱支架的制备和性能.E-mail： lywvivi520@163.com

张佩华(联系人)，女，教授，E-mail： phzh@dhu.edu.cn

TS 101.4

A