一种导电空心支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物医学技术领域，具体涉及一种导电空心支架及其制备方法。

背景技术

人体中有许多管状组织或器官，如血管、输卵管、肠、尿道、气管和食管等，当组织内部出现损伤时，容易出现粘连情况。现有的粘连治疗方法包括药物治疗和手术治疗。情况较为复杂时，需采用手术治疗方法。具体的手术治疗需要根据实际病情选用内窥镜粘连松解术、内窥镜粘连切开术或气囊扩张放置支架等方案。而粘连松解术和切开术后还有很大概率的再粘连情况。为防止出现再粘连情况，影响管道正常输送功能，组织工程支架可以为管状组织起到支撑作用。

现有的管状支架常采用静电纺丝技术以及3D打印技术。静电纺丝技术是一定浓度的聚合物在高压电场的作用下，克服溶液表面的张力从而形成纤维。该方法得到的支架的结构与人体细胞外基质的结构高度相似。但静电纺丝纤维随机分布，呈无序结构，结构较为单一，压缩力学性能有限。3D打印技术通过程序控制逐层打印得到设计的结构，具有高精度的优势，因而在组织工程领域应用广泛。

目前，常用的组织工程支架有金属支架、金属药物涂层支架和生物可吸收支架等。由于金属支架在体内容易出现炎症及疤痕组织增生情况，有导致通道狭窄及堵塞的风险，而金属药物涂层支架是在原有的金属支架表面，涂覆一层抑制不正常细胞分裂的药物，防止管道的阻塞。以上的金属支架在植入体内后，不能够做磁共振成像检查，同时机场安检等场所下存在麻烦。生物可吸收支架有胶原支架、海藻酸钠支架、丝质支架以及纳米纤维支架等。这些支架具有很好的生物相容性及可降解性。在植入体内初期起到防粘连及促进愈合的效果，之后可完全降解。但现有的生物可吸收支架存在本征硬度低、体内易溶胀变形以及降解速率与组织愈合速率不匹配等问题。

综上所述，现有的支架多样性仍有不足，如何为损伤组织提供更可靠的支架材料及结构仍需继续研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种导电空心支架及其制备方法。本发明的导电空心支架结合静电纺丝技术以及挤出式3D打印技术，具有工艺简单的优势。

本发明的技术方案如下：

一种导电空心支架，包括

空心圆柱状的静电纺丝牺牲层；

包裹在所述静电纺丝牺牲层的静电纺丝纤维层；

以及设置在所述静电纺丝纤维层上的挤出式3D打印导电支架层，所述的挤出式3D打印导电支架层包括：沿空心圆柱轴向设置在所述静电纺丝纤维层上的直线导电纤维以及螺旋环绕在所述直线导电纤维上的螺旋导电纤维。

所述静电纺丝纤维层上的直线导电纤维为多根，均匀布置在所述静电纺丝纤维层上。

一种导电空心支架及其制备方法，包括以下步骤：

支架制备采用静电纺丝和挤出式3D打印方式，支架制备包括静电纺丝牺牲层，静电纺丝纤维层以及挤出式3D打印导电支架层。

在模具轴上制备静电纺丝牺牲层，具体包括：

将PVP溶于乙醇，通过磁力搅拌得到适合用于静电纺丝的PVP-无水乙醇溶液，采用静电纺丝制备静电纺丝牺牲层，得到带静电纺丝牺牲层的模具轴；PVP与乙醇的用量之比为1g：8～12ml；静电纺丝的条件为：静电纺丝针头与轴心收集器上模具轴之间的距离为14～16cm，电压大小为14～16kV，流速为19～21μl/min，调整轴心收集器的转速为450～550RPM，纺丝时间1～3min，模具轴直径为1～100mm。

进一步优选，所述的静电纺丝牺牲层，材料为PVP，溶剂为无水乙醇，每1g的PVP溶于10ml的无水乙醇，通过磁力搅拌3h得到适合用于静电纺丝的PVP-无水乙醇溶液；静电纺丝针头与轴心收集器上模具轴之间的距离，优选15cm，电压大小为15kV，流速为20μl/min，调整轴心收集器的转速为500RPM，纺丝时间2min，模具轴直径为1～100mm。

所述的静电纺丝纤维层材料可选自，聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)，聚乳酸(PLA)，聚乙醇酸(PGA)，聚乙烯醇(PVA)，聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)，聚己内酯(PCL)中的任一种或两种以上的组合，优选PTMC。

在带静电纺丝牺牲层的模具轴上制备静电纺丝纤维层，具体包括：

将PTMC粉末加入二氯甲烷中，通过磁力搅拌得到适合用于静电纺丝的PTMC-二氯甲烷溶液，通过静电纺丝制备静电纺丝纤维层。PTMC粉末与二氯甲烷的用量之比为1g：12～16ml。静电纺丝的条件为：调整纺丝针头与轴心收集器上模具轴之间的距离为14～16cm，采用带静电纺丝牺牲层的模具轴，电压大小为14～16kV，流速为10μl/min，调整轴心收集器的转速为450～550RPM，纺丝时间8～12min；

进一步优选，所述的静电纺丝纤维层，每1g的PTMC粉末加入14ml的二氯甲烷中，通过磁力搅拌3h得到适合用于静电纺丝的PTMC-二氯甲烷(DCM)溶液；调整纺丝针头与轴心收集器上模具轴之间的距离，优选15cm，采用上述纺好PVP的模具轴，电压大小为15kV，流速为10μl/min，调整轴心收集器的转速为500RPM，纺丝时间10min。

所述导电材料选自石墨烯，氧化石墨烯，碳纳米管，银纳米线，聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)中的任一种或两种以上的组合，优选石墨烯。

所述支架材料选自聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)，聚乳酸(PLA)，聚乙醇酸(PGA)，聚乙烯醇(PVA)，聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)，聚己内酯(PCL)中的任一种或两种以上的组合，优选PLGA。

在制备静电纺丝纤维层的模具轴上制备挤出式3D打印导电支架层，具体包括：

将聚乳酸-羟基乙酸共聚物和石墨烯混合，溶剂为二氯甲烷，再将溶液放入分散脱泡搅拌机进行消泡，得到PLGA-石墨烯溶液；将PLGA-石墨烯溶液装入点胶针筒中，选用点胶针头，装入挤出式3D打印机中，设置打印路径，打印路径为直线，长度为按需选择；采用制备静电纺丝纤维层的模具轴，在轴心收集器转速为零时，沿着轴心方向打印支架，再转动轴角度，环绕轴一周打印平行于轴的支架部分，即直线导电纤维；轴心收集器转速为100～500RPM，同样沿着轴心方向打印支架，得到支架螺旋线圈部分，即螺旋导电纤维。将聚乳酸-羟基乙酸共聚物和石墨烯的质量比例为10：1～4。

进一步优选，所述的挤出式3D打印支架部分，材料为PLGA-石墨烯，其中，PLGA和石墨烯的比例为10:3，溶剂为DCM；粘度为6500cp，适用于挤出式3D打印。再将其放入分散脱泡搅拌机进行消泡；将PLGA-石墨烯溶液装入10cc TT点胶针筒中，选用160μm的TT点胶针头，装入挤出式3D打印机中，设置打印路径，打印路径为直线，长度为按需选择，打印速度5mm/s；采用上述纺好PVP及PTMC的模具轴，在轴心收集器转速为零时，沿着轴心方向打印支架，再转动轴适当的角度，角度越小，纤维之间的距离越小，环绕轴一周打印平行于轴的支架部分；轴心收集器转速为100～500RPM，同样沿着轴心方向打印支架，打印速度3mm/s，得到支架螺旋线圈部分，即螺旋导电纤维。轴心收集器转速越大，螺旋线圈密度越大；打印速度越小，螺旋线圈密度越大；同一个轴上可打印多个支架。

所述的导电空心支架及其制备方法，其特征在于：

制备好的支架放通风橱12h，使溶剂充分挥发；将支架放入去离子水中浸泡20min，使得PVP充分溶解，支架与模具轴分离；将支架从模具轴上取下来，再将支架放入超声机常温超声10min，去除残留在支架上的PVP；剪裁掉静电纺丝多余的纺丝部分，保留有3D打印支架的部分；将支架放入通风橱12h，使其干燥后，采用紫外线杀菌30min。

所述的静电纺丝纤维层和挤出式3D打印导电支架层，可为单层或多层，可交替制备。所述的挤出式3D打印导电支架层的螺旋导电纤维有顺时针和逆时针两种打印方式，可任选一种或两种组合。

支架安装方法是，将制备好的支架安装于操作手柄上，手柄前端呈圆柱体，安装支架的部位，其直径略小于支架打印轴的直径，其长度与所需支架的长度一致；手柄后端呈圆柱体，用于手握的部位，其直径大于支架打印轴的直径，其长度为8～10cm，轴心与手柄前端保持一致；手柄中间部位为圆台状，连接手柄前端与后端，两端直径与手柄前后端直径保持一致，轴心与手柄前端后端保持一致；通过操作手柄将支架放入管状器官需要的位置，之后将手柄取出。

所述采用静电纺丝和挤出式3D打印方式，所用的设备同时具有静电纺丝和挤出式3D打印功能。

本发明设计一种静电纺丝加挤出式3D打印系统。在现有的挤出式3D打印机(天豪点涂胶机TH-2004D-300K2X)的基础上，集成静电纺丝设备，以轴心收集器作为支架制备接收装置。轴心收集器可配备内径1mm至100mm的模具轴，根据所需支架内径决定。

同时，本发明提供一种支架制备方法，具体步骤如下：

轴心收集器上安装合适的模具轴，模具轴经过高压灭菌锅进行消毒杀菌。采用静电纺丝技术，在模具轴上纺织一层PVP-无水乙醇。在PVP-无水乙醇的基础上，纺织一层PTMC-二氯甲烷。将挤出式3D打印机点胶针头起始位置调整至轴上。模具轴静止时，打印平行于轴的PLGA-石墨烯支架部分，从左到右依次打印。调整挤出式3D打印机的打印速度以及模具轴的转速，用于打印支架螺旋导电纤维。

整体打印好的支架放通风橱12h，使溶剂充分挥发。将支架放入去离子水中20min，使得PVP充分溶解。将支架从模具轴上取下来，再将支架放入超声机常温超声10min，去除残留在支架上的PVP。放入通风橱12h，使其干燥。紫外线杀菌30min。

另外，本发明提供所述支架安装方法。将支架安装于操作手柄上，通过操作手柄将支架放入管状器官需要的位置，之后将手柄取出。手柄前端呈圆柱体，安装支架的部位，其直径略小于支架模具轴的直径，其长度与所需支架的长度一致。手柄后端呈圆柱体，用于手握的部位，其直径大于支架模具轴的直径，其长度为8～10cm，轴心与手柄前端保持一致。手柄中间部位为圆台状，连接手柄前端与后端，两端直径与手柄前后端直径保持一致，轴心与手柄前端后端保持一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的支架生物相容性好，常温可以储存，在体内不会发生溶胀现象，同时具有导电性，可结合电刺激加速愈合；支架可全降解，通过调整材料的配比使其降解速度和组织修复速度相匹配。支架制备后密封可长期储存。支架制备方案简单，无需额外复杂的后处理。本发明制备的支架制作常温进行，材料损耗少。

(2)石墨烯等碳基材料通过纺丝方式无法形成有效的导电层，是因为高压下碳基材料会被氧化，从而破坏材料的导电性。而采用挤出式3D打印技术通过打印直线导电纤维和螺旋导电纤维可以很好地形成导电网络。导电支架可在细胞，组织之间的构成合适的电微环境，促进组织修复。可通过调整石墨烯的浓度来匹配不同的组织修复。

(3)与普通网格状支架相比，螺旋导电空心支架制作工艺简单，均匀性和一致性更好。采用挤出式3D打印技术制作支架时，每根纤维的制作都需要针头重新定位，且纤维的起始端与结尾处容易出现出墨不均匀现象。普通网格状支架在制作过程中，垂直于轴向的纤维每根都需要重新定位，形成闭合环形并有接口，影响支架的均匀性，而采用螺旋状就可以避免出现纤维接口现象。

(4)本发明结合静电纺丝技术以及挤出式3D打印技术所形成的支架具有结构梯度分布的特点，可仿真不同组织层。静电纺丝技术的纤维致密，降解速度快，可适用于早期细胞黏附生长。挤出式3D打印技术的孔隙大，在300μm左右适合血管生长。挤出式3D打印技术所制备的支架纤维与静电纺丝技术所形成的纤维相比粗，能提供更强的力学支撑。

附图说明

图1为静电纺丝加挤出式3D打印系统，其中1-X移动轴、11-Z移动轴、12-挤出式3D打印针筒支架、13-龙门架、2-TT点胶针头、21-TT点胶针筒、22-挤出式3D打印气压控制器、3-底座、31-Y移动轴、32-打印固定平台、33-静电纺丝针筒固定支架、4-静电纺丝针头、41-静电纺丝针筒、42-静电纺丝气压控制器、5-轴心收集器、51-模具轴；

图2为静电纺丝和挤出式3D打印工作示意图；

图3为支架结构示意图，其中：(a)支架及模具轴截面图，其中，1-模具轴，2-PVP，3-PTMC，4-PLGA-石墨烯；(b)支架三维图；(c)为顺时针螺旋导电纤维支架；(d)为顺时针和逆时针螺旋导电纤维支架；

图4为支架及操作手柄，其中：1-手柄前端，2-手柄后端，3-手柄中间部位；

图5为支架在体内的电场分布仿真示意图。

图6为PLGA-石墨烯材料(石墨烯％)的电导率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。在本发明中，原料均可从市场购得，材料若无特殊说明，为本领域常规材料。

实施例：

一种导电空心支架及其制备方法，由静电纺丝牺牲层，静电纺丝纤维层，以及挤出式3D打印导电支架结构。

1.准备工作

1.1PVP-无水乙醇溶液的制备，具体过程如下：

将1g的PVP(聚乙烯吡咯烷酮K90，无锡市亚泰联合化工有限公司，中国)粉末加入10ml的无水乙醇中，通过磁力搅拌3h使其充分溶解，将其放入搅拌机(日本THINKY MIXERAR-100自转公转分散脱泡搅拌机)进行消泡，得到适合用于静电纺丝的PVP-无水乙醇溶液。

1.2PTMC-二氯甲烷溶液的制备，具体过程如下：

将1g的PTMC(IV＝2.0-3.0dl/g，济南岱罡生物工程有限公司，中国)粉末加入14ml的二氯甲烷中，通过磁力搅拌3h使其充分溶解，将其放入搅拌机(日本THINKY MIXER AR-100自转公转分散脱泡搅拌机)进行消泡，得到适合用于静电纺丝的PTMC-二氯甲烷溶液。

1.3PLGA-石墨烯溶液的制备，具体过程如下：

将1g的PLGA(82:18,IV＝1.9dl/g,济南岱罡生物工程有限公司，中国)粉末加入5ml的二氯甲烷中，通过磁力搅拌3h使其充分溶解。将0.3g的石墨烯(5μm粒径，比表面积120-150m

1.4设备

设计一种静电纺丝加挤出式3D打印系统，如图1。该系统包括1X移动轴、11Z移动轴、12挤出式3D打印针筒支架、13龙门架、2TT点胶针头、21TT点胶针筒、22挤出式3D打印气压控制器、3底座、31Y移动轴、32打印固定平台、33静电纺丝针筒固定支架、4静电纺丝针头、41静电纺丝针筒、42静电纺丝气压控制器、5轴心收集器、51模具轴。

一种静电纺丝加挤出式3D打印系统是在现有的挤出式3D打印机(天豪点涂胶机TH-2004D-300K2X)的基础上，集成静电纺丝设备，以轴心收集器作为支架制备接收装置。其中，1X移动轴上安装有11Z移动轴，11Z移动轴可以在1X移动轴左右移动，用于调整X轴上的距离，12挤出式3D打印针筒支架固定于11Z移动轴，可在11Z移动轴上下移动，控制Z轴距离，13龙门架安装1X移动轴。2TT点胶针头安装于21TT点胶针筒，22挤出式3D打印气压控制器连接氮气，通过氮气来控制21TT点胶针筒中溶液的挤出量。3底座上固定31Y移动轴，31Y移动轴上安装32打印固定平台，可在Y方向上移动，31Y移动轴远离13龙门架的一端焊接3静电纺丝针筒固定支架。4静电纺丝针头安装于41静电纺丝针筒，41静电纺丝针筒固定于33静电纺丝针筒固定支架，其后端连接42静电纺丝气压控制器。5轴心收集器固定于32打印固定平台，51模具轴可配备内径1mm至100mm的轴，根据所需支架内径决定。

2.支架制备

将PVP-无水乙醇溶液吸入10ml注射器中，连接好静电纺丝所需的聚四氟乙烯(PTFE)细管及针头，排出前端空气，将其固定于静电纺丝设备上。图2a为静电纺丝示意图。调整纺丝针头与轴心收集器上模具轴之间的距离，优选15cm，电压大小为15kV，流速为20μl/min，调整轴心收集器的转速为500RPM，纺丝时间2min，模具轴直径为2mm，可用于静电纺丝的有效轴长为150mm。

将PTMC-二氯甲烷溶液吸入10ml注射器中，连接好静电纺丝所需的聚四氟乙烯(PTFE)细管及针头，排出前端空气，将其固定于静电纺丝设备上。调整纺丝针头与轴心收集器上模具轴之间的距离，优选15cm，采用上述纺好PVP的模具轴，电压大小为15kV，流速为10μl/min，调整轴心收集器的转速为500RPM，纺丝时间10min。

将PLGA-石墨烯溶液装入10cc点胶针筒中，选用160μm的TT点胶针头，装入挤出式3D打印机中，设置打印路径，打印路径为直线，长度为2cm，打印速度5mm/s。图2b为挤出式3D打印示意图。采用上述纺好PVP及PTMC的轴，在轴心收集器转速为零时，沿着轴心方向打印支架，再转动轴适当的角度，角度越小，纤维之间的距离越小，环绕轴一周打印平行于轴的支架部分。轴心收集器转速为300RPM，轴心收集器转速越大，螺旋线圈密度越大。同样沿着轴心方向打印支架，打印速度3mm/s，得到支架螺旋线圈部分，即螺旋导电纤维，如图3所示，图3a为支架及模具轴截面，其中，1为支架及模具轴截面，2为PVP静电纺丝层，3为PTMC静电纺丝层，4为PLGA-石墨烯支架；图3b为支架及模具轴三维图，图3b为支架及模具轴截面，图3c为顺时针螺旋导电纤维支架，图3d为顺时针和逆时针螺旋导电纤维支架。打印速度越小，螺旋线圈密度越大。由于上述静电纺丝的有效轴长为150mm，同一个模具轴上可打印多个支架。

制备好的支架放通风橱12h，使溶剂充分挥发。将支架放入去离子水中浸泡20min，使得PVP充分溶解，支架与模具轴分离。将支架从模具轴上取下来，再将支架放入超声机常温超声10min，去除残留在支架上的PVP。剪裁掉静电纺丝多余的纺丝部分，保留有3D打印支架的部分。将支架放入通风橱12h，使其干燥后，采用紫外线杀菌30min。

3.支架固定方案

将制备好的支架安装于操作手柄上，如图4，包括1手柄前端，2手柄后端，3手柄中间部位。1手柄前端作为安装支架的部位，直径为1.8mm，长度为2cm。2手柄后端呈圆柱体，用于手握的部位，其直径为10mm，其长度为10cm，轴心与手柄前端保持一致。3手柄中间部位为圆台状，连接手柄前端与后端，两端直径分别为1.8mm和10mm，轴心与手柄前端后端保持一致，长度为2cm。通过操作手柄将支架放入管状器官需要的位置，之后将手柄取出。

图5为支架在体内的电场分布仿真示意图。图6为PLGA-石墨烯材料(石墨烯％)的电导率。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。