編織法制備人工神經(jīng)導(dǎo)管的研究

陳錢 楊茂園 趙明達(dá) 蔣季 戴佳瑩 許建梅

摘 要：探索利用編織法制備符合一定要求的人工神經(jīng)導(dǎo)管。采用聚乳酸（PLA）纖維為編織材料，通過改變導(dǎo)管芯材料以及芯纖維數(shù)量與排列，設(shè)計(jì)并編織了3種類型的神經(jīng)導(dǎo)管，并采用3種編織密度制備這3種不同結(jié)構(gòu)類型的導(dǎo)管。對(duì)各類型導(dǎo)管的直徑、橫截面、質(zhì)量、軸向斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)、外層紗線交織角進(jìn)行測(cè)試與表征。結(jié)果表明編織法制備人工神經(jīng)導(dǎo)管方便快捷，可以通過改變芯纖維數(shù)量與排布調(diào)節(jié)導(dǎo)管尺寸與孔隙率，批與批之間差異小，同時(shí)，為人工神經(jīng)導(dǎo)管的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：人工神經(jīng)導(dǎo)管;編織法;緊度系數(shù);孔隙率

中圖分類號(hào)：R318.08

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2019）05-0006-05

Abstract：The preparation of artificial nerve conduits that meet certain requirements using braiding method was explored. Polylactic acid （PLA） fibers were used as braiding materials， and three types of nerve conduits were designed and braided by changing the number and arrangement of the core materials and the core fibers. These three types of conduits with different structures were prepared using three braiding densities. The diameter， cross-section， mass， axial breaking strength and elongation， and interweaving angle of the outer-layered yarns were tested and characterized for each type of conduit. The experimental results show that preparation of artificial nerve conduit by braiding method is quick and convenient， and its size and porosity can be adjusted by changing the number and arrangement of core fibers. The difference among batches is little. The results provide reference data for the standardized design of artificial nerve conduits.

Key words：artificial nerve conduit; braiding method; tightness coefficient; porosity

全球每年有幾十萬人遭受神經(jīng)損傷，當(dāng)外周神經(jīng)受到損傷時(shí)，要用合適的橋接物連接兩端。歷經(jīng)幾代人的研究，實(shí)現(xiàn)修復(fù)神經(jīng)缺損和神經(jīng)再生的人工神經(jīng)導(dǎo)管應(yīng)運(yùn)而生。從早期的自體神經(jīng)移植到今天的三維神經(jīng)導(dǎo)管，神經(jīng)導(dǎo)管的研究已有百年有余。最早在19世紀(jì)末，有利用脫鈣骨制成骨性管橋接神經(jīng)損傷部位進(jìn)行修復(fù)，證明了這種導(dǎo)管具有修復(fù)神經(jīng)的功能[1]。10年后，Rice等[2]利用動(dòng)脈修復(fù)了大犬坐骨神經(jīng)，神經(jīng)導(dǎo)管已經(jīng)初具規(guī)模。之后神經(jīng)導(dǎo)管的材料探究逐漸從瓊脂、骨、金屬等非生物材料發(fā)展到生物材料領(lǐng)域[3]。2007年Yang等[4]討論了以絲素蛋白進(jìn)行神經(jīng)移植用于周圍神經(jīng)再生的發(fā)展與評(píng)價(jià)。到了2012年，Daly等[5]研究發(fā)現(xiàn)用生物材料能彌合周圍神經(jīng)的差距，增強(qiáng)神經(jīng)損傷的修復(fù)。2015年Srinivasan等[6]研究了微通道再生支架應(yīng)用于被截肢者長(zhǎng)期的外圍神經(jīng)接口這一課題，為人工神經(jīng)導(dǎo)管的研究提供了更多的可能性。

目前人工神經(jīng)導(dǎo)管的制備方法多種多樣，有模具法[7]、浸提法、擠出成型法、靜電紡絲法[8]、3D打印技術(shù)[9]、編織法[10]等。前幾種方法制成的導(dǎo)管操作存在一定的難度，批與批之間的差異較大，導(dǎo)管強(qiáng)力不夠，彎曲性相對(duì)較差。相比較而言，編織法卻有不同于以上幾種方法的優(yōu)點(diǎn)。首先該法操作簡(jiǎn)單規(guī)范，按同一工藝參數(shù)制成的導(dǎo)管批與批間的差異較小;其次采用編織法無論是進(jìn)行中空導(dǎo)管還是內(nèi)部織入平行排列的纖維都可以自由設(shè)計(jì)，織入的纖維數(shù)量與纖維間的孔隙情況都可以控制;第三，通過調(diào)整編織密度與芯纖維數(shù)量和排布可以很容易控制導(dǎo)管的直徑與孔隙率等指標(biāo)。

本研究以聚乳酸纖維（PLA）為編織層，以直徑22 mm的聚丙烯（PP）塑料硬管及精練蠶絲纖維為芯材料，利用16錠編帶機(jī)編織制備了3種類型用于修復(fù)周圍神經(jīng)損傷的人工神經(jīng)導(dǎo)管。通過調(diào)整編織密度與芯纖維數(shù)量與排列考察導(dǎo)管直徑、孔隙率、編織角等物理指標(biāo)的變化，為人工神經(jīng)導(dǎo)管的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

大量研究表明，用于修復(fù)周圍神經(jīng)的人工神經(jīng)導(dǎo)管除了應(yīng)具有生物相容性，不具有細(xì)胞毒性之外，還須具有一定的強(qiáng)度、抗壓扁能力和彎曲回復(fù)性能，更重要的是導(dǎo)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)存在一定的貫通微孔。為了達(dá)到這些性能要求，本研究中采用雙層編織，內(nèi)部填充導(dǎo)管或平行排列紗線。雙層編織是為了控制孔壁的孔隙率，既保證導(dǎo)管外壁具有一定的通透性，又能確保孔隙不至過大，導(dǎo)致大量炎癥細(xì)胞進(jìn)入導(dǎo)管內(nèi)，影響神經(jīng)軸突的再生。內(nèi)部填充平行排列的紗線一方面是可以制造出貫通的微通道，另一方面給神經(jīng)受損端游離的雪旺細(xì)胞等提供定向遷移生長(zhǎng)的平臺(tái)。

本研究共設(shè)計(jì)了3種類型的導(dǎo)管，分別為類型Ⅰ，類型Ⅱ，類型Ⅲ。圖1-圖3即為這3種類型導(dǎo)管制備的示意圖。從圖1可以看到，類型Ⅰ導(dǎo)管采用PP硬管做芯棒，PLA紗線為雙層編織層，織成后再抽出PP芯棒而形成中空結(jié)構(gòu)。類型Ⅱ則是以一定數(shù)量的PP絲做芯，PLA紗線為雙層編織層，織成后再抽出PP絲而形成中空結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管結(jié)構(gòu)見示意圖2。類型Ⅲ則是以一定數(shù)量平行排列的PP絲和蠶絲精練絲一起為芯，PLA紗線為雙層編織層，織成后再將PP絲全部抽出，留下平行排列的絲素纖維形成有微通道的導(dǎo)管，導(dǎo)管結(jié)構(gòu)見示意圖3。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：107.8 dtex（97D）的PLA長(zhǎng)絲，444.4 dtex（400D ）PP絲，蠶絲精練絲和透明PP中空小管，以上材料均來自南通新帝克單絲科技股份有限公司。

實(shí)驗(yàn)儀器：編織儀器全自動(dòng)雙錠打線機(jī)（上海哈考線帶設(shè)備有限公司）;醫(yī)用縫合線編織機(jī)（16錠，上海哈考線帶設(shè)備有限公司）;DHG-9077A電熱恒溫干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）;OHAUS電子天平（美國(guó)奧豪斯有限公司）;YG025型電子織物強(qiáng)力儀;超景深三維電子顯微鏡;便攜式多功能數(shù)碼顯微鏡（超眼科技有限公司）。

1.3 神經(jīng)導(dǎo)管的編織

通過更換編織機(jī)上的齒輪（齒數(shù)分別為36、29、22）編帶來改變導(dǎo)管的編織密度。分別制得3種類型下的3種不同密度的導(dǎo)管，每種導(dǎo)管按表1進(jìn)行編號(hào)命名。將編織好的神經(jīng)導(dǎo)管每根剪成20 cm長(zhǎng)，共9組。

1.4 神經(jīng)導(dǎo)管的熱定形

將編織好的導(dǎo)管每組用鋁箔紙包好放入干燥箱熱定形，定形溫度85 ℃，定形時(shí)間10 min。外層PLA纖維表層在加熱時(shí)處于微熔狀態(tài)，纖維表層互相粘連，冷卻后纖維的粘連狀態(tài)就固定下來。導(dǎo)管的圓柱形態(tài)也就固定下來，不易塌坍，并且導(dǎo)管兩端則不容易脫散。

定形完成后將所有試樣中作芯的PP硬管和所有的PP絲抽出。

1.5 導(dǎo)管物理機(jī)械性能測(cè)試

1.5.1 直 徑

每組隨機(jī)抽取5個(gè)導(dǎo)管試樣，用便攜式多功能數(shù)碼顯微鏡對(duì)每個(gè)試樣拍照，利用專業(yè)分析軟件對(duì)試樣照片測(cè)量神經(jīng)導(dǎo)管直徑，每個(gè)導(dǎo)管測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，取平均值。

1.5.2 質(zhì) 量

每組隨機(jī)抽取5個(gè)20 cm長(zhǎng)的導(dǎo)管試樣用電子天平測(cè)試該長(zhǎng)度下的質(zhì)量。

1.5.3 軸向斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)

每組隨機(jī)抽取5個(gè)20 cm長(zhǎng)的導(dǎo)管試樣在電子織物強(qiáng)力儀上測(cè)試軸向斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)。

1.5.4 橫截面與縱向形態(tài)特征

通過三維顯微鏡觀察神經(jīng)導(dǎo)管的三維結(jié)構(gòu)。

1.5.5 外層紗線軸向交織角

編織而成的神經(jīng)導(dǎo)管可以通過顯微鏡觀察外層紗線的軸向交織角。

1.5.6 導(dǎo)管緊密度

導(dǎo)管的緊密度是指導(dǎo)管的松緊程度，一般用每厘米紗線的織入數(shù)表示。全自動(dòng)數(shù)顯的編帶機(jī)可直接設(shè)置該指標(biāo)。但是對(duì)于非全自動(dòng)的編帶機(jī)，則無法獲知這一數(shù)據(jù)。考慮到緊密度大的導(dǎo)管管壁密實(shí)，緊密度小的導(dǎo)管則管壁疏松，相應(yīng)的則表現(xiàn)為單位長(zhǎng)度克重的差異。為此，這里定義單位長(zhǎng)度的編織管管壁（不含填充材料）的質(zhì)量為管狀織物的織入緊度系數(shù)，用符號(hào)K表示，即：

K=mh（1）

式中：m為整個(gè)神經(jīng)導(dǎo)管的質(zhì)量，也即雙層編織材料的質(zhì)量;h為神經(jīng)導(dǎo)管的軸向長(zhǎng)度，該系數(shù)反映了管狀織物的導(dǎo)管緊密度程度，g/m。

1.5.7 導(dǎo)管外壁的孔隙率

作為修復(fù)周圍神經(jīng)的導(dǎo)管，外壁的孔隙率是衡量導(dǎo)管通透性的一個(gè)重要指標(biāo)。材料的孔隙率是指材料內(nèi)部空隙的體積占材料總體積的百分比，用符號(hào)P表示，計(jì)算見式（2）。利用（2）式可以推算神經(jīng)導(dǎo)管雙層編織材料的孔隙率，這里的計(jì)算不包含其中空部分。

P/%=1-V1V2×100（2）

式中：V1為PLA纖維所占的體積，ρ1為PLA纖維的密度;V2為雙層編織材料的體積，ρ2為雙層編織材料的密度;m為雙層編織材料的質(zhì)量;h為神經(jīng)導(dǎo)管的軸向長(zhǎng)度，r和R分別為神經(jīng)導(dǎo)管的內(nèi)外徑，d為神經(jīng)導(dǎo)管的雙層編織材料厚度。

則對(duì)于一定長(zhǎng)度h的神經(jīng)導(dǎo)管，利用（2）式進(jìn)行推導(dǎo)如下：

P/%=1-V1V2×100=1-mρ1V2×100

=1-mρ1πh（R2-r2）×100

=1-mh1πρ1d（2r+d）×100（3）

由（3）式可見，孔隙率只和m/h的值有關(guān)系，也就是（1）式的緊度系數(shù)，其他參數(shù)均為定值。m/h值越大，孔隙率越小，導(dǎo)管越緊密;m/h值越小，則反之。

2 結(jié)果與討論

2.1 直 徑

本研究中制備的用于周圍神經(jīng)修復(fù)的人工神經(jīng)導(dǎo)管直徑設(shè)計(jì)約2 mm。人體內(nèi)周圍神經(jīng)種類較大，直徑差異也較大，為此對(duì)于不同的神經(jīng)進(jìn)行修復(fù)，導(dǎo)管的直徑也非常重要。這里主要是希望探討由齒輪控制的編織密度對(duì)所編織的導(dǎo)管直徑大小的影響。由表2可以看到，通過控制芯棒或芯纖維的數(shù)量可以較好地控制導(dǎo)管直徑，而編織密度的改變對(duì)導(dǎo)管直徑的影響并不是很大。

2.2 導(dǎo)管緊密度與孔隙率

表3為根據(jù)（1）式和（3）式計(jì)算的類型I和類型Ⅱ?qū)Ч艿木o度系數(shù)和孔隙率。導(dǎo)管壁的厚度是采用游標(biāo)卡尺測(cè)量得到，不同型號(hào)導(dǎo)管壁的厚度測(cè)量值沒有明顯差異，這里統(tǒng)一取平均值d=0.02 cm。PLA紗線的密度通過測(cè)量計(jì)算為ρ1=0.74 g/cm3。導(dǎo)管試樣長(zhǎng)度h=20 cm，導(dǎo)管外徑R采用表2中的數(shù)據(jù)。類型Ⅲ和類型Ⅱ都是用同規(guī)格同數(shù)量的PP絲作芯，且類型Ⅲ的蠶絲精練絲與PP絲均勻分布，所以蠶絲精練絲直徑與PP絲相比可忽略，因此類型Ⅲ神經(jīng)導(dǎo)管與類型Ⅱ的PLA雙層質(zhì)量在誤差允許范圍內(nèi)相等。在實(shí)驗(yàn)中只需分析類型Ⅰ和類型Ⅱ的導(dǎo)管試樣質(zhì)量。由表3中數(shù)據(jù)可知，在編織同一直徑大小的PLA神經(jīng)導(dǎo)管時(shí)，編織齒輪更換時(shí)，織入質(zhì)量和導(dǎo)管緊密度也隨之變化。隨著齒輪齒數(shù)的增加，PLA導(dǎo)管的織入質(zhì)量減少，緊度降低，織入密度減少，管壁孔隙增大，不利于神經(jīng)生長(zhǎng)的炎癥細(xì)胞和成纖維細(xì)胞[11]透過孔隙的幾率也隨之增大。在相同情況下，類型Ⅱ?qū)Ч茉诳椚刖o度上和類型Ⅰ差異不大。

PP360.004 64853.0

2.3 軸向斷裂伸長(zhǎng)和強(qiáng)力

表4是3種類型導(dǎo)管的斷裂指標(biāo)。由表4可以看到，3種類型神經(jīng)導(dǎo)管的斷裂伸長(zhǎng)率隨著織入緊度的增加而降低。類型Ⅲ神經(jīng)導(dǎo)管的斷裂伸長(zhǎng)率穩(wěn)定，隨著拉伸強(qiáng)力的變化而變化，但是這種變化并不明顯。且其斷裂伸長(zhǎng)變異系數(shù)較小。說明了填充有蠶絲精練絲的神經(jīng)導(dǎo)管在斷裂時(shí)受到蠶絲和PLA的綜合作用，強(qiáng)力增大，機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)，性能穩(wěn)定，斷裂同時(shí)性好。類型Ⅰ和類型Ⅱ強(qiáng)力變異系數(shù)較小，說明兩者在拉伸過程中受力均勻。而類型Ⅲ強(qiáng)力變異系數(shù)較大。

2.4 橫截面與縱向形態(tài)

圖4為同種織入密度不同填充物的3種導(dǎo)管橫截面，能看到它們具有較為明顯的差異。當(dāng)齒輪數(shù)為22時(shí)，3種導(dǎo)管都是雙層結(jié)構(gòu)但HT22橫截面最接近圓形。圖4（c）對(duì)應(yīng)的類型Ⅲ的神經(jīng)導(dǎo)管中的蠶絲纖維排列集中在導(dǎo)管的中心位置，形成貫通的微孔結(jié)構(gòu)，其他兩者類型都是中空的導(dǎo)管，在結(jié)構(gòu)上不具備誘導(dǎo)神經(jīng)軸定向生長(zhǎng)的平行纖維。

圖5顯示了沿神經(jīng)導(dǎo)管軸向PLA層熱定形的融合情況，可以看出，兩個(gè)PLA編織層均勻地融合在一起，形成較小孔隙的神經(jīng)導(dǎo)管管壁。隨著織入密度的增加，類型Ⅲ神經(jīng)導(dǎo)管的交織點(diǎn)越來越緊密。

2.5 軸向交織角

導(dǎo)管的織入緊度大，紗線交織角越大，紗線與紗線的緊密度越大，孔隙率越小。表5是各類型導(dǎo)管的軸向交織角，軸向交織角的測(cè)量示意圖見圖5（c）。由表5中數(shù)據(jù)可以看到3種類型導(dǎo)管因直徑相當(dāng)，使用同一齒輪時(shí)，交織角亦基本相等。而隨著齒輪數(shù)的增加，交織角也隨著減小，導(dǎo)管織入緊度下降。該結(jié)果與導(dǎo)管緊密度測(cè)量結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

a）通過以一定直徑PP導(dǎo)管或PP長(zhǎng)絲為芯均可制備直徑可控的中空型人工神經(jīng)導(dǎo)管;

b）采用PP長(zhǎng)絲與絲素纖維為芯可制備導(dǎo)管內(nèi)具有定向排列纖維的人工神經(jīng)導(dǎo)管，并可通過絲素纖維的織入數(shù)量控制導(dǎo)管內(nèi)孔隙狀況;

c）所設(shè)計(jì)的導(dǎo)管具有較強(qiáng)的機(jī)械力學(xué)性能可以滿足人工神經(jīng)導(dǎo)管的力學(xué)需求;

d）可以通過編織機(jī)不同號(hào)齒輪來控制導(dǎo)管的織入緊度，交織角，與導(dǎo)管壁孔隙率。

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