微納米纖維復合人造血管的制備及力學性能研究

摘 要：為制備優良力學性能和耐穿刺性的小口徑人造血管，本文通過自主研發的一體化人造血管編織機制備了一種微納復合人造血管，改變濕法紡絲的擠出速度制備了不同絲徑的卷繞內層，借助萬能力學拉伸機對人造血管的力學性能以及耐穿刺性進行測試，同時還測試了人造血管支架的滲水性、動態順應性等。實驗結果表明，0.8mm絲徑的微納復合人造血管表現出了最優的結構穩定性、經向拉伸斷裂強度、斷裂伸長率、耐穿刺性能和水滲透性，其中經向拉伸斷裂強度遠優于天然動脈或靜脈，斷裂伸長率遠優于滌綸和聚四氟乙烯人造血管，但是動態順應性較差。

關鍵詞：人造血管；紡織技術；聚氨酯；管狀織物

中圖分類號：TS101.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095－414X（2023）06－0038－06

0" 引言

預計2023年，全球罹患心血管疾病的人數將達到2300萬人[1]，人工血管的市場需求量巨大。人工血管可以代替受損的天然血管重建血運，每年臨床使用的聚四氟乙烯（ePTFE）人工血管和滌綸（PET）人工血管可挽救上百萬人的生命[2]。然而聚四氟乙烯（ePTFE）和滌綸（PET）人工血管的表面粗糙，且高度疏水，導致其抗血栓性能和生物相容性很差，只能制作內徑gt;6mm的人造血管[3]。目前的小口徑人造血管只能依賴自體移植，但是自體移植的數量和長度都非常有限，據統計，美國每年大約有55萬病人因缺乏小口徑血管移植物無法進行手術治療[4]。因此，小口徑人造血管的研制和開發具有重要意義。

通常血管移植物應滿足以下幾個條件：①抗血栓性；②具有適當的多孔結構和合理的孔隙率；③具有一定的強度和抗彎折性；④內部具有應力的應變響應性；⑤具有與人體血管良好的貼合性以及縫合的柔軟性[5]。但合成材料制成的人造血管（聚四氟乙烯和滌綸）往往表面粗糙且高度疏水，內皮層的延遲形成促使血漿蛋白吸附，極易形成血栓，與天然血管不匹配的力學性能也使移植物植入后期容易引起動脈瘤擴張[6]。靜電紡絲技術可有效提高支架的抗血栓性能，靜電紡絲支架表面交錯聯通的孔隙可以有效促進細胞的信息交換，促進內皮化效果[7]，但是支架力學性能不足，且難以模仿天然血管的應力應變特征，順應性較差。有研究表明，紡織結構的支架可有效模仿天然組織的力學特征[8]，使用親水紗線還可以有效提高生物相容性[9]，但依舊避免不了容易滲血的問題。

聚氨酯以其優異的彈性、良好的生物相容性以及血液相容性被廣泛應用于組織工程支架，如導管、人工瓣膜以及人工血管[10-12]等等。不同于滌綸和聚四氟乙烯，聚氨酯是一種由軟分子段和硬分子段組成的聚合物[13]，軟段提供高拉伸和彈性，硬段提供高強力，因此聚氨酯具有極好的彈性和韌性。聚氨酯材料還具有良好的化學穩定性，可以抵抗血液中的酸堿度變化，不易發生腐蝕和磨損[14]，良好的彈性和化學穩定性使其成為繼滌綸和聚四氟乙烯之后最有潛力的合成血管移植材料。但是高彈性也帶來了低恢復率，不能完成動能與勢能之間的相互轉換，同時聚氨酯還面臨著力學性能不足[15]、順應性差[16]、保形性[17]和耐壓性差[18]和縫合性差[19]等問題，生物相容性和機械性能有待進一步提高。

本文將以聚氨酯為原料，通過織物增強和噴涂防滲制備三層結構微納結構復合人造血管，重點研究了微納結構復合人造血管的制備工藝、結構和性能，借助萬能力學拉伸機對人造血管的力學性能以及耐穿刺性進行測試，同時還測試了人造血管支架的滲水性、動態順應性等，驗證微納結構復合人造血管臨床應用的可行性。

1" 實驗部分

1.1" 實驗材料與儀器

材料：聚氨酯（顆粒狀），路博潤特種化工有限公司；N，N-二甲基甲酰胺（DMF），分析純，國藥集團化學試劑有限公司；氨綸紗線，210 D，諸暨市國玲化纖有限公司；無水乙醇，AR級，國藥集團化學試劑有限公司；白凡士林，國藥集團化學試劑有限公司。

儀器：一體化人造血管編織機（自研）；TP- A1000電子天平（美國康州電子科技有限公司）；OS20-PRO機械攪拌器（美國SCILOGEX公司）；DZF-6050真空干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）；5943萬能試驗機（美國英斯特朗公司）；RH-2000三維數字顯微鏡（法國浩視顯微系統公司）；LSP02-1A注射泵（迪創電子科技有限公司）；20 mL注射器（上海金塔醫用器材有限公司）。

1.2" 溶液制備

將N，N－二甲基乙酰胺按照所需質量比與聚氨酯母粒在燒杯中混合，然后在機械攪拌器下以400 r/min的轉速過夜攪拌，使其充分溶解和均勻混合，得到5%和20%的聚氨酯溶液。接著，將攪拌后的溶液放置在-0.12 MPa的真空干燥箱中真空處理12 h，去除其中的氣泡，提高溶液的穩定性，制備流程如圖1所示。

1.3" 微納復合結構人造血管制備

使用自主研發的一體化人造血管編織機編織微納復合人造血管支架，如圖2所示。支架具有三層結構，第一層為卷繞內層，中間的編織層為第二層，卷繞工藝結束后立即啟動編織機構，在內層上編織一層氨綸針織織物，第三層為聚氨酯噴淋外層，將中間層和內層緊密粘接。通過改變濕法紡絲的擠出速度得到不同絲徑的卷繞內層，各工藝實物圖如圖3。

1.4" 微納復合人造血管的表面結構表征

為了評估人造血管在體內外使用時是否能夠保持良好的功能和性能，對其進行形貌測定，目的是觀察人造血管的表面是否光滑、均勻、無缺陷以及其內部各層結構是否緊密、完整、無分離。將1.3中制備的微納復合人造血管裁成7mm長度的小樣，使用三維數字顯微鏡（型號：RH-2000，法國浩視顯微系統公司）分別對每個樣品的內表面、縱截面、外表面和橫截面進行清晰和精確的觀察并記錄下相關的數據和圖像。

1.5" 微納復合人造血管的力學性能測試

將1.3中制備的微納復合人造血管裁成7 mm長度的小樣，套入一個或者多個夾具上，并將夾具固定至拉伸儀器上。采用萬能試驗機（型號：5943，美國英斯特朗公司）在60 mm/min的速度下對試樣進行拉伸，記錄下各個樣品在斷裂時所受到的力值，每組實驗對象均有5組重復組以保證實驗結果的可靠性。根據如下公式計算出每個樣品在斷裂時所表現出來的徑向拉伸強度：

（1）

在上述公式中，F表示徑向拉伸強度，單位N/ mm。T表示最大拉伸強力，單位N。L表示測試樣品長度，單位mm。

1.6" 微納復合人造血管的耐穿刺性能測試

該方法與力學性能測試方法相同，在樣品上進行0次、8次、16次、24次穿刺，并且每組實驗對象均有5組重復組以保證實驗結果的可靠性，試樣長度為7 cm，將其套在夾具上并固定在機器上，調整好夾具位置和角度，夾緊兩端防止夾具在測試中移位，并穩定樣品1 min。接著以60 mm/min的恒速拉伸樣品直到斷裂，記錄下各個樣品在斷裂時所受到的最大拉力值。

1.7" 微納復合人造血管的滲透性能測試

本測試中采用1.3中制備的微納復合人造血管進行水滲透性測試，樣品長度為8 cm，并且每組實驗對象均有5組重復組以保證實驗結果的可靠性。通過注射器將水緩慢注入人造血管，同時確保壓力表的數值在16.0±0.3 kPa（120 mmHg±2 mmHg）范圍內。待壓力值穩定時，測量60±1 s時間內水滲出量。在測試前，先稱量并記錄濾紙的初始重量。濾紙放在人造血管下方，能吸收從管壁滲出的水分，而不影響水流。測試完成以后再稱取一次濾紙的重量，記錄下來作為末重量。兩次重量之差即可得到人造血管滲漏的水的重量。根據以下公式可以計算出人造血管在給定條件下的滲透性：

（2）

其中P為水滲透速率，單位mL·cm-2·min-1。Q為水的滲透量，單位mL·min-1，A為樣品截面的面積，單位為cm2。

1.8" 微納復合人造血管的動態順應性測試

本測試中采用1.3中制備的微納復合人造血管進行水滲透性測試，樣品長度為8 cm，并且每組實驗對象均有5組重復組以保證實驗結果的可靠性。在開始測試前，首先使用游標卡尺記錄測試樣品在自然狀態下的厚度和外徑，并將其標記在樣品上。然后將血管用去離子水浸濕并輕輕擠壓以排除空氣泡。接著將樣品一端與測試導管連接并用細繩固定。將測試血管拉直保證沒有褶皺并在水平方向上固定住。血管另一端用夾子折疊夾緊，通過注射器將水緩慢注入人造血管，記錄下7 kPa-12 kPa（50 mmHg - 90 mmHg），10.7 kPa - 16.0 kPa（80 mmHg - 120 mmHg）和14.7 kPa - 20 kPa（110 -150 mmHg）血管的外徑大小。通過以下公式計算得出所測試的樣品在每組高低壓下的順應性：

（3）

其中，M表示順應性，單位百分比（%）。R1表示低壓時測試樣品的直徑，單位是毫米（mm）。R2表示高壓時測試樣品的直徑，單位是毫米（mm）。P1表示低壓值，單位是毫米汞（mmHg）。P2表示高壓值，單位是毫米汞（mmHg）。

1.9" 統計分析

統計分析使用GraphPad Prism 9.0 軟件（GraphPad Software， San Diego，California， USA）進行。所有數據都是以平均值±標準差（SD，n≥3）表示。統計分析使用雙向方差分析（ANOVA）。*p lt;0.05，**plt;0.01，***plt;0.001和****plt;0.0001被認為具有顯著性差異。

2" 結果與討論

2.1" 微納復合人造血管的形貌結構分析

使用圖2所示裝備制備了0.8mm-0.4mm絲徑的微納復合人造血管支架。微納復合人造血管支架為管狀結構，且三層結構完整清晰。

圖4為微納復合人造血管平鋪后的內/外表面以及整體縱/橫向截面，由內表面圖和縱截面圖可看出卷繞層表面光滑，不同絲徑的線圈間緊密貼合，沒有出現縫隙，一定曲率下的波紋結構可以提高支架的順應性。中層的織物層為氨綸圓筒針織織物，氨綸具有極好的彈性，結合針織結構可以最大程度提高支架順應性和彈性。外層致密且光滑，透過中間織物層的縫隙可以有效粘粘結中間層和內層，減少支架分層現象，同時光滑的外表面還有利于減少內膜增生。隨著絲徑由0.4mm增大至0.8mm，微納復合人造血管的壁厚呈增大趨勢，但最大與最小壁厚之間僅相差200μm左右，各組之間差異較小。微納復合人造血管的三層結構可以極大模仿天然血管的應力應變特征，為支架的高順應性和高通暢率奠定了基礎。

2.2" 微納復合人造血管的力學性能分析

為了進一步研究微納復合人造血管的力學性能，使用5943萬能試驗機進行了經向的拉伸斷裂測試，得出了微納復合人造血管的斷裂強度、楊氏模量以及斷裂伸長。在此之前，為了評估人造血管三層結構的穩定性，先進行了縱向的拉伸斷裂，觀察微納復合人造血管斷裂過程中的分層現象。

如圖5所示為支架縱向拉伸斷裂后的殘骸。結果發現，隨著絲徑變大，微納復合人造血管的三層結構越穩定。在拉伸斷裂過程中，內絲直徑為0.7 mm和0.8 mm的人造血管最先斷裂的是最外層噴涂層，內層依然能緊密粘連，而內絲直徑為0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm的細絲層會隨著外層一起斷裂，0.4mm絲徑支架還可以觀察到被拉斷的內層結構。絲徑越大的支架結構越穩定，這可能是由于絲徑固化速度不同導致的。當凝固浴長度與乙醇含量相同時，細絲中的溶劑與水交換速度一定，絲徑越大則所需固化時間越長，導致粗的絲線在脫離凝固浴時固化不完全，細絲表面粘稠愈加粘稠，增加了線圈與線圈間的粘接，導致拉伸時卷繞內層不易被拉斷。除此之外，卷繞層還直接與中間編織層接觸，絲徑較小的內層固化程度高，減弱了內層與中間層的粘接，也難以透過編織層上的孔隙與外層連接，導致拉伸斷裂時內層與外層一起斷裂。

微納復合人造血管的徑向斷裂強度、楊氏模量以及斷裂伸長如圖6所示。研究發現，微納復合人造血管具有足夠的強度，最大斷裂強度和楊氏模量

為16.82±3.54 N/ mm、1.62±0.01 MPa，且隨著絲徑增大呈上漲趨勢，0.4mm絲徑的微納復合人造血管的斷裂強度和楊氏模量最小，但也遠高于天然主動脈。同時，微納復合人造血管還具有優異的彈性，0.8mm-0.4mm絲徑的人造血管斷裂伸長均超過100%，其中0.8mm絲徑的彈性斷裂伸長超過200%，遠超過滌綸與聚四氟乙烯人造血管。徑向強度太大會導致與天然血管的力學性能不匹配，促進內膜增生，而彈性太大則難以完成動能與勢能之間的相互轉換，不利于血管細胞的粘附和遷移，研究結果表明，本微納復合人造血管的強度和彈性都與天然血管較為相似，其中0.8mm絲徑的微納復合人造血管表現出了最好的徑向力學性能，更有利于其在臨床試驗中的應用。

2.3" 微納復合人造血管的耐穿刺性能分析

血液透析或者抽血等過程往往需要對血管進行破壞性穿刺，因此，本文通過在樣品上進行0次、8次、16次、24次穿刺后再次重復拉伸實驗，探究了微納復合人造血管的耐穿刺性能。圖7所示為微納結構人造血管抗穿刺強度結果。研究發現，0.7mm、0.8mm絲徑的微納復合人造血管具有最有的耐穿刺性，經過24次16 G口徑針刺過后其力學性能僅僅下降至原有強度的76.1%和72.1%。而0.4mm-0.6mm絲徑的微納復合人造血管的抗穿刺力學性能呈斷崖式下降，在經過相同次數針刺后其拉伸斷裂強度下降至原有強度的55.0%、57.4%、52.1%。表明0.7mm、0.8mm絲徑的微納復合人造血管耐穿刺性較好，力學性能沒有受到明顯影響。

2.4" 微納復合人造血管的滲透性能分析

血管支架的孔隙太大會有滲血風險，因此，測試血管支架的滲透性能具有重要意義。圖8為微納結構復合人造血管的滲透性結果。研究發現：在16.0±0.3 kPa（120 mmHg±2 mmHg）的壓力下，絲徑為0.8 mm的微納復合人造血管幾乎不滲水，即不滲血。而0.4 mm-0.7mm絲徑的微納復合人造血管出現液體泄漏的現象，0.4mm絲徑的支架滲水高達28.99±2.81 mL·min-1·cm2。這可能是由于較細的細絲之間粘接效果較弱導致的，相同的測試長度下，較小絲徑的支架具有更多的溝壑，更容易被水壓沖擊而導致內層破裂而發生滲水。結果表明絲徑為0.8 mm的微納復合人造血管的滲透性最好，液體不會滲出。

2.5" 微納復合人造血管的動態順應性能分析

順應性是人造血管最重要的性能之一，它代表了支架收縮和擴張的能力，本文通過改變水壓，記錄血管支架的外徑來計算微納復合人造血管的動態順應性，結果如圖9所示。研究結果表明，在中、高壓（40 mmHg）條件下，0.4 mm至0.8 mm絲徑的微納復合人造血管的順應性沒有明顯區別，當壓力降至7KPa-14KPa時，較細的內徑具有較高的動態順應性，尤其是0.4 mm內徑支架的動態順應性在低壓與高壓條件下具有顯著性差異（Plt;0.0001）。這可能是由于0.4 mm內徑的支架在低壓時的彈性伸展已經達到極限狀態，此后盡管加壓卻無法使血管有效地舒張和收縮，其中0.8mm絲徑的支架具有較差的順應性。

3" 結論

本文通過自主研發的一體化人造血管編織機制備了一種微納復合人造血管，并且改變濕法紡絲的擠出速度制備了0.4mm至0.8mm絲徑的卷繞內層。通過一系列力學性能表征得知，微納復合人造血管滿足血管支架的力學要求，由于細絲的不完全固化，0.8mm絲徑的微納復合人造血管表現出了最優的結構穩定性、經向拉伸斷裂強度、斷裂伸長率、耐穿刺性能和水滲透性，其中經向拉伸斷裂強度遠優于天然動脈或靜脈，斷裂伸長率遠優于滌綸和聚四氟乙烯人造血管，但是動態順應性較差。本文制備的三層人造血管支架能滿足血管支架的基本要求，在人造血管組織工程領域具有潛在的應用前景。

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Preparation and Mechanical Properties of Micro-Nanofiber Composite

Artificial Blood Vessels

HUANG Qi， YANG Hong-jun， WANG Chao-rong， CHEN Qing-qing， CHEN Yi-xia，

LE Wei， BIAN Li-xing， ZHUANG Yan

（School of Materials Science and Engineering， Wuhan Textile University， Wuhan Hubei 430073， China）

Abstract： In order to prepare small-caliber artificial blood vessel with excellent mechanical properties and puncture resistance， a kind of micro-nano composite artificial blood vessel was prepared by a self-developed integrated artificial blood vessel weaving machine， the mechanical properties and puncture resistance of the artificial blood vessel were tested by universal mechanical drawing machine， the water permeability and dynamic compliance of the artificial vascular stent were also tested. The experimental results show that the 0.8 mm wire diameter micro/nano composite vascular prosthesis exhibits the best structural stability， tensile strength， elongation at break， puncture resistance and water permeability， the tensile strength was much better than that of natural arteries or veins， and the elongation at break was much better than that of Dacron and polytetrafluoroethylene artificial blood vessels， but the dynamic compliance was poor.

Key words： artificial blood vessels; textile technology; Polyurethane; tubular fabric

（責任編輯：饒崛）