基于维纶纱线模具制备的多通道神经导管及其性能研究

2022-10-03李金瑞

山东纺织科技 2022年4期

李金瑞，黄晨

(东华大学，上海 201620)

交通意外、创伤或者肿瘤组织的切除及其他一些创伤疾病，均易导致周围神经缺损[1]。与中枢神经系统相比，周围神经系统受伤部位周围的微环境更加有利于轴突延伸生长并穿越缺损区域实现再生功能[2]，这一重要特点给周围神经再生带来了希望。自体移植是周围神经缺损治疗的“金标准”，但这种手术方式除供区发病率升高外还存在其他问题，如会造成新的神经损伤，可提供移植的神经来源有限，大小不匹配等[3]。再者，这种治疗方式的效果好坏参半，自体移植术后的恢复成功率在50%左右[4]。由此看来，周围神经损伤的临床治疗仍是一大难题。

近年来随着组织工程学的快速发展，人造神经导管尤其是生物可降解神经导管，成为了周围神经损伤修复领域的研究热点。起初，临床上多采用具有中空结构的导管修复周围神经缺损，但中空导管比表面积小，管壁薄、易塌陷，不利于神经纤维和雪旺细胞生长[5]。再者，天然的神经组织是由若干根神经纤维轴取向排列而成的[6]，若神经导管设计为多通道结构则有望定向引导神经纤维生长，减少神经错配。但现有的多通道神经导管多为4通道、6通道结构，这样的神经导管通道数少(≤6个)，不具仿生结构，因此有必要设计一种新型多通道神经导管支架，最大程度模拟天然神经结构，以发挥更好的神经修复效果。

目前神经导管的制备方法主要有相分离、静电纺丝、冷冻干燥、3D打印等。对于多通道神经导管来说，冷冻干燥法是一种简单、高效的制备方法。所谓冷冻干燥法，其原理是将溶液冷冻成固体，后利用升华的方法去除溶剂，剩余的溶质在模具的固定下直接成型。在该制备方法中，模具的设计是否具有可行性直接决定着多通道神经导管能否制备成功。目前，多通道神经导管模具的通道基材多采用刚性物质(如钢针)，但此种基材在去除时可能会损伤导管通道结构，因此，寻找一种不损伤材料结构的通道基材就成为了多通道神经导管模具设计的新方向。

水溶性维纶是以石油乙烯或电石乙炔为原料制备而成，由于其分子结构每个链上均有一个羟基，极易溶于水。由于水溶性维纶具有环保、无毒以及易溶于水等特点，因此在纺织领域应用广泛，如细号棉麻纱的开发、非织造卫生材料的加工等[7]，但是未有学者研究过其在多通道神经导管模具上的应用。

针对多通道神经导管的通道数少、传统刚性模具损伤神经导管通道结构的问题，本研究以纺织柔性材料(水溶性维纶纱线)为通道基材，自主设计了一种多通道神经导管模具，并以生物相容性良好的聚己内酯(PCL)与壳聚糖(CS)为原料，探究了该模具在制备神经导管支架材料方面的应用。

1 试验部分

1.1 试验原料及仪器

原料：水溶性维纶纱线(单纱细度32 tex，3股纱)，锦绣美纺织品；PCL(分子量，80000)，Sigma-Aldrich；CS(低粘度，脱乙酰度 >95%)，阿拉丁；冰醋酸(>99.5%)，泰坦；去离子水，东华大学自制。

仪器：SHJ-6A型磁力搅拌水浴锅，常州金坛良友仪器有限公司；FD-1A-50型冷冻干燥机，上海比朗仪器制造有限公司；DHG-9030型电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；DW-86L80型超低温冰箱，浙江捷盛低温设备有限公司。

1.2 神经导管的制备

1.2.1 维纶纱线多通道神经导管模具的设计

该多通道神经导管模具由一个正方体框架、数根橡皮筋、可溶性维纶纱线以及一个中空的塑料管构成，具体制作步骤如图1所示：利用正方体框架与橡皮筋搭建通路；按照一定穿线规则将维纶纱线穿入橡皮筋通路，并保证维纶纱线之间无相互交错；将橡皮筋向中心收拢，使维纶纱线轴向平行、紧密排列；维纶纱线外套入空心管，多通道神经导管模具即制作完成。

图1 多通道神经导管模具制作步骤

1.2.2 维纶纱线模具用于多通道神经导管的制备

PCL/CS溶液的配制：以浓度90%的乙酸为溶剂，配制浓度为16 wt.%的PCL溶液，常温下搅拌6 h至PCL完全溶解，后按照PCL∶CS=9∶1的质量比向溶液中加入CS，再次搅拌6 h至溶液混合均匀，得到PCL/CS共混溶液。

导管成型：用5 mL针筒(配16 G针头)吸取PCL/CS共混溶液注入维纶纱线多通道模具中，放入-80℃超低温冰箱中冷冻过夜，再于冷冻干燥机(冻干参数：冷阱温度-50℃，真空度10 Pa)中干燥12 h。

维纶纱线的溶解：将冻干后的神经导管放入40℃恒温水浴中以溶解通道基材(水溶性维纶纱线)，多次洗涤后烘干得到PCL/CS多通道神经导管。

同样的方法制备纯PCL多通道神经导管，探究维纶模具在制备纯PCL多通道神经导管的可行性，并将其作为PCL/CS多通道神经导管性能测试的对照研究对象。

1.3 性能测试及表征

1.3.1 维纶纱线的基本性能测试

拉伸性能测试：参照标准ASTM D2256，采用YG026MB型多功能强力仪对纱线拉伸性能进行测试。测试参数：隔距250 mm，拉伸速度250 mm/min。

溶解性能测试：裁剪维纶纱线5 cm，将其自然伸直放入20 ℃去离子水中，相机拍摄纱线溶解状况，并记录相应时间。

1.3.2 导管的扫描电子显微镜观测

制备的神经导管经喷金后，采用加速电压设置为5 kV的SU8010型场发射扫描电镜观测样品横截面及纵截面，分析不同神经导管的通道结构特征。

1.3.3 导管的红外光谱分析

采用Nicolet 6700型傅里叶红外光谱仪对样品进行红外光谱分析，测试方法为全反射(ATR)，测试范围500 cm-1～4000 cm-1，分辨率0.09 cm-1。

1.3.4 导管的X射线衍射分析

采用D/max-2550 PC 18KW转靶X射线衍射仪获得材料的特征峰及结晶度。测试条件为：X射线发生器的电压40 kV，电流150 mA，测试角度2θ为5°～60°，扫描速度6°/min。

1.3.5 导管的水接触角测试

用双面胶将材料固定在玻璃片上，采用OCA15EC型接触角测量仪测定材料亲疏水特性(疏水材料采用液滴法测试，亲水材料采用气泡法测试)，每种样品重复测量5次，取接触角大小的平均值。

1.3.6 导管的力学性能测试

采用YGB026-500型医用纺织品多功能强力仪测试神经导管的拉伸性能，测试方法参照文献[8]，拉伸速度10 mm/min，隔距20 mm，每个试样在干态和湿态下各重复测试5次取平均值，根据样品有效拉伸面积计算其应力，绘制拉伸应力-应变曲线。导管弯曲性能测试方法如下：测试者给与导管一个弯曲的力，用数码相机拍照，记录各导管的弯曲状态。

2 结果与讨论

2.1 维纶纱线的基本性能

根据测试结果计算纱线的断裂强力与断裂伸长率，分别为26.96 N±1.69 N、28.69%±1.36%，可知该维纶纱线断裂强力较大且断裂伸长率适中，显示出优异的抗拉伸断裂能力，可保证纱线在制备多通道神经导管模具的过程中不会出现断裂现象，满足制备模具的基本力学要求。

图2显示了维纶纱线的溶解过程，根据拍摄的照片及记录的时间可知，维纶纱线在20 ℃去离子水中即可快速溶解，这一重要性能为神经导管多通道结构的形成奠定了基础。

图2 维纶纱线在去离子水中快速溶解

2.2 神经导管的形貌图

基于水溶性维纶纱线模具制备的多通道神经导管的形貌图如图3所示，两种多通道神经导管的外径约为2 mm，内部含有排列整齐的16个贯通孔道，每个通道的直径为0.4 mm；从图3可知，PCL/CS导管的通道形状更为清晰、规整，纯PCL导管形态则稍差，这是因为PCL/CS混合材料具备更加优良的抗挤压变形能力。采用维纶纱线模具可成功制备出通道数多、通道形态良好的多通道神经导管。

图3 (a)PCL/CS神经导管及

2.3 红外光谱分析

由图4a可知，试验制备的PCL多通道神经导管与原料PCL的红外光谱谱形相同，说明该制备方法不损伤原材料的结构、可保有原材料的性质。对比纯PCL神经导管与PCL/CS神经导管的红外光谱图可知，PCL/CS神经导管的红外谱图上出现了原料CS的特征峰[9]，其中3100 cm-1～3600 cm-1处的宽吸收带为-OH、-NH2伸缩振动缔合峰；2863 cm-1处为C—H拉伸振动峰；1652 cm-1处为酰胺Ⅰ带的(C=O)伸缩振动峰；1040 cm-1处是CS的β糖苷键特征吸收峰。说明PCL/CS神经导管内引入了CS特有的氨基、羟基等亲水基团，有望提高材料的亲水性。此外，两种多通道神经导管的红外光谱图上均未出现除PCL、CS以外的特征峰，说明制备过程中未引入其他杂质，维纶纱线可经水洗被去除。

图4 材料的(a)红外光谱图及(b)X射线衍射图

2.4 X射线衍射分析

PCL在生物体内降解时间较长，完全降解需2年以上，因此将降解性能优异的CS与之共混，以期降低降解时间，避免支架材料降解过慢需二次手术取出的问题。由X射线衍射图(图4b)可知，纯PCL颗粒与制备的PCL神经导管在2θ=21°、23°处均有两个峰形尖锐的特征衍射峰，为PCL的链段结晶峰[10]，这说明制备神经导管过程中未破坏PCL的原有结构。纯CS颗粒在2θ=20°处有一个宽且弥散的特征衍射峰，说明CS的结晶度较低，而在PCL/CS神经导管中，21°、23°处的衍射峰稍有变弱，说明CS与PCL的共混在一定程度上降低了PCL/CS神经导管的结晶度，进而提高导管的降解速率。材料的结晶度测试结果如表1所示，与XRD的结果一致，进一步说明了CS的加入对PCL/CS神经导管具有降低结晶度的作用。

表1 原料及神经导管的结晶度

2.5 亲水性能

通过测试接触角的大小(CA)来评价材料的亲水性，一般认为，接触角大于90°表现为疏水性，接触角小于90°表现为亲水性。由神经导管的水接触角测试结果可知，PCL神经导管是疏水的，接触角大小为124.0±3.6°(图5a)，测试过程中接触角大小保持不变；与之相对，PCL/CS神经导管是亲水的，在3 s内接触角从69.5°降低至0(图5b)，即测试液滴可快速被材料吸收，采用气泡法进一步表征PCL/CS神经导管的接触角大小，为68.4°±2.3°。这些结果表明，在PCL中加入CS有助于提高PCL/CS神经导管的亲水性。

图5 (a)PCL神经导管及(b)PCL/CS神经导管的接触角测试

2.6 力学性能

不同神经导管的干态应力-应变曲线如图6a所示，PCL/CS多通道神经导管的最大拉伸应力为4.4 MPa，高于PCL多通道神经导管(2.6 MPa)。这是因为CS分子内有强氢键作用，分子刚性大[11]，致使PCL/CS神经导管的断裂应力和初始模量增大。从神经导管的湿态应力应变曲线(图6b)可以看出，各导管的湿态力学性能规律与干态保持一致，但湿态导管的断裂应力降低、断裂应变有所增大。这是因为材料经去离子水浸润后，内部孔隙被水分子填充，从而降低了材料分子间作用力和滑移阻力，进而表现为拉伸时所需的应力降低，同时材料拉伸断裂前的滑移量也增加。图6c显示的是两种多通道神经导管的弯曲性能，由于其内部多通道结构的支撑，表现出良好的弯曲性能，柔韧性较好，能够满足神经导管植入动物体内后的运动需求。