基于維綸紗線模具制備的多通道神經導管及其性能研究

李金瑞，黃 晨

(東華大學，上海 201620)

交通意外、創傷或者腫瘤組織的切除及其他一些創傷疾病，均易導致周圍神經缺損[1]。與中樞神經系統相比，周圍神經系統受傷部位周圍的微環境更加有利于軸突延伸生長并穿越缺損區域實現再生功能[2]，這一重要特點給周圍神經再生帶來了希望。自體移植是周圍神經缺損治療的“金標準”，但這種手術方式除供區發病率升高外還存在其他問題，如會造成新的神經損傷，可提供移植的神經來源有限，大小不匹配等[3]。再者，這種治療方式的效果好壞參半，自體移植術后的恢復成功率在50%左右[4]。由此看來，周圍神經損傷的臨床治療仍是一大難題。

近年來隨著組織工程學的快速發展，人造神經導管尤其是生物可降解神經導管，成為了周圍神經損傷修復領域的研究熱點。起初，臨床上多采用具有中空結構的導管修復周圍神經缺損，但中空導管比表面積小，管壁薄、易塌陷，不利于神經纖維和雪旺細胞生長[5]。再者，天然的神經組織是由若干根神經纖維軸取向排列而成的[6]，若神經導管設計為多通道結構則有望定向引導神經纖維生長，減少神經錯配。但現有的多通道神經導管多為4通道、6通道結構，這樣的神經導管通道數少(≤6個)，不具仿生結構，因此有必要設計一種新型多通道神經導管支架，最大程度模擬天然神經結構，以發揮更好的神經修復效果。

目前神經導管的制備方法主要有相分離、靜電紡絲、冷凍干燥、3D打印等。對于多通道神經導管來說，冷凍干燥法是一種簡單、高效的制備方法。所謂冷凍干燥法，其原理是將溶液冷凍成固體，后利用升華的方法去除溶劑，剩余的溶質在模具的固定下直接成型。在該制備方法中，模具的設計是否具有可行性直接決定著多通道神經導管能否制備成功。目前，多通道神經導管模具的通道基材多采用剛性物質(如鋼針)，但此種基材在去除時可能會損傷導管通道結構，因此，尋找一種不損傷材料結構的通道基材就成為了多通道神經導管模具設計的新方向。

水溶性維綸是以石油乙烯或電石乙炔為原料制備而成，由于其分子結構每個鏈上均有一個羥基，極易溶于水。由于水溶性維綸具有環保、無毒以及易溶于水等特點，因此在紡織領域應用廣泛，如細號棉麻紗的開發、非織造衛生材料的加工等[7]，但是未有學者研究過其在多通道神經導管模具上的應用。

針對多通道神經導管的通道數少、傳統剛性模具損傷神經導管通道結構的問題，本研究以紡織柔性材料(水溶性維綸紗線)為通道基材，自主設計了一種多通道神經導管模具，并以生物相容性良好的聚己內酯(PCL)與殼聚糖(CS)為原料，探究了該模具在制備神經導管支架材料方面的應用。

1.1 試驗原料及儀器

原料：水溶性維綸紗線(單紗細度32 tex，3股紗)，錦繡美紡織品；
PCL(分子量，80000)，Sigma-Aldrich；
CS(低粘度，脫乙酰度 >95%)，阿拉??；
冰醋酸(>99.5%)，泰坦；
去離子水，東華大學自制。

儀器：SHJ-6A型磁力攪拌水浴鍋，常州金壇良友儀器有限公司；
FD-1A-50型冷凍干燥機，上海比朗儀器制造有限公司；
DHG-9030型電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；
DW-86L80型超低溫冰箱，浙江捷盛低溫設備有限公司。

1.2 神經導管的制備

1.2.1 維綸紗線多通道神經導管模具的設計

該多通道神經導管模具由一個正方體框架、數根橡皮筋、可溶性維綸紗線以及一個中空的塑料管構成，具體制作步驟如圖1所示：利用正方體框架與橡皮筋搭建通路；
按照一定穿線規則將維綸紗線穿入橡皮筋通路，并保證維綸紗線之間無相互交錯；
將橡皮筋向中心收攏，使維綸紗線軸向平行、緊密排列；
維綸紗線外套入空心管，多通道神經導管模具即制作完成。

圖1 多通道神經導管模具制作步驟

1.2.2 維綸紗線模具用于多通道神經導管的制備

PCL/CS溶液的配制：以濃度90%的乙酸為溶劑，配制濃度為16 wt.%的PCL溶液，常溫下攪拌6 h至PCL完全溶解，后按照PCL∶CS=9∶1的質量比向溶液中加入CS，再次攪拌6 h至溶液混合均勻，得到PCL/CS共混溶液。

導管成型：用5 mL針筒(配16 G針頭)吸取PCL/CS共混溶液注入維綸紗線多通道模具中，放入-80℃超低溫冰箱中冷凍過夜，再于冷凍干燥機(凍干參數：冷阱溫度-50℃，真空度10 Pa)中干燥12 h。

維綸紗線的溶解：將凍干后的神經導管放入40℃恒溫水浴中以溶解通道基材(水溶性維綸紗線)，多次洗滌后烘干得到PCL/CS多通道神經導管。

同樣的方法制備純PCL多通道神經導管，探究維綸模具在制備純PCL多通道神經導管的可行性，并將其作為PCL/CS多通道神經導管性能測試的對照研究對象。

1.3 性能測試及表征

1.3.1 維綸紗線的基本性能測試

拉伸性能測試：參照標準ASTM D2256，采用YG026MB型多功能強力儀對紗線拉伸性能進行測試。測試參數：隔距250 mm，拉伸速度250 mm/min。

溶解性能測試：裁剪維綸紗線5 cm，將其自然伸直放入20 ℃去離子水中，相機拍攝紗線溶解狀況，并記錄相應時間。

1.3.2 導管的掃描電子顯微鏡觀測

制備的神經導管經噴金后，采用加速電壓設置為5 kV的SU8010型場發射掃描電鏡觀測樣品橫截面及縱截面，分析不同神經導管的通道結構特征。

1.3.3 導管的紅外光譜分析

采用Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀對樣品進行紅外光譜分析，測試方法為全反射(ATR)，測試范圍500 cm-1～4000 cm-1，分辨率0.09 cm-1。

1.3.4 導管的X射線衍射分析

采用D/max-2550 PC 18KW轉靶X射線衍射儀獲得材料的特征峰及結晶度。測試條件為：X射線發生器的電壓40 kV，電流150 mA，測試角度2θ為5°～60°，掃描速度6°/min。

1.3.5 導管的水接觸角測試

用雙面膠將材料固定在玻璃片上，采用OCA15EC型接觸角測量儀測定材料親疏水特性(疏水材料采用液滴法測試，親水材料采用氣泡法測試)，每種樣品重復測量5次，取接觸角大小的平均值。

1.3.6 導管的力學性能測試

采用YGB026-500型醫用紡織品多功能強力儀測試神經導管的拉伸性能，測試方法參照文獻[8]，拉伸速度10 mm/min，隔距20 mm，每個試樣在干態和濕態下各重復測試5次取平均值，根據樣品有效拉伸面積計算其應力，繪制拉伸應力-應變曲線。導管彎曲性能測試方法如下：測試者給與導管一個彎曲的力，用數碼相機拍照，記錄各導管的彎曲狀態。

2.1 維綸紗線的基本性能

根據測試結果計算紗線的斷裂強力與斷裂伸長率，分別為26.96 N±1.69 N、28.69%±1.36%，可知該維綸紗線斷裂強力較大且斷裂伸長率適中，顯示出優異的抗拉伸斷裂能力，可保證紗線在制備多通道神經導管模具的過程中不會出現斷裂現象，滿足制備模具的基本力學要求。

圖2顯示了維綸紗線的溶解過程，根據拍攝的照片及記錄的時間可知，維綸紗線在20 ℃去離子水中即可快速溶解，這一重要性能為神經導管多通道結構的形成奠定了基礎。

圖2 維綸紗線在去離子水中快速溶解

2.2 神經導管的形貌圖

基于水溶性維綸紗線模具制備的多通道神經導管的形貌圖如圖3所示，兩種多通道神經導管的外徑約為2 mm，內部含有排列整齊的16個貫通孔道，每個通道的直徑為0.4 mm；
從圖3可知，PCL/CS導管的通道形狀更為清晰、規整，純PCL導管形態則稍差，這是因為PCL/CS混合材料具備更加優良的抗擠壓變形能力。采用維綸紗線模具可成功制備出通道數多、通道形態良好的多通道神經導管。

圖3 (a)PCL/CS神經導管及

2.3 紅外光譜分析

由圖4a可知，試驗制備的PCL多通道神經導管與原料PCL的紅外光譜譜形相同，說明該制備方法不損傷原材料的結構、可保有原材料的性質。對比純PCL神經導管與PCL/CS神經導管的紅外光譜圖可知，PCL/CS神經導管的紅外譜圖上出現了原料CS的特征峰[9]，其中3100 cm-1～3600 cm-1處的寬吸收帶為-OH、-NH2伸縮振動締合峰；
2863 cm-1處為C—H拉伸振動峰；
1652 cm-1處為酰胺Ⅰ帶的(C=O)伸縮振動峰；
1040 cm-1處是CS的β糖苷鍵特征吸收峰。說明PCL/CS神經導管內引入了CS特有的氨基、羥基等親水基團，有望提高材料的親水性。此外，兩種多通道神經導管的紅外光譜圖上均未出現除PCL、CS以外的特征峰，說明制備過程中未引入其他雜質，維綸紗線可經水洗被去除。

圖4 材料的(a)紅外光譜圖及(b)X射線衍射圖

2.4 X射線衍射分析

PCL在生物體內降解時間較長，完全降解需2年以上，因此將降解性能優異的CS與之共混，以期降低降解時間，避免支架材料降解過慢需二次手術取出的問題。由X射線衍射圖(圖4b)可知，純PCL顆粒與制備的PCL神經導管在2θ=21°、23°處均有兩個峰形尖銳的特征衍射峰，為PCL的鏈段結晶峰[10]，這說明制備神經導管過程中未破壞PCL的原有結構。純CS顆粒在2θ=20°處有一個寬且彌散的特征衍射峰，說明CS的結晶度較低，而在PCL/CS神經導管中，21°、23°處的衍射峰稍有變弱，說明CS與PCL的共混在一定程度上降低了PCL/CS神經導管的結晶度，進而提高導管的降解速率。材料的結晶度測試結果如表1所示，與XRD的結果一致，進一步說明了CS的加入對PCL/CS神經導管具有降低結晶度的作用。

表1 原料及神經導管的結晶度

2.5 親水性能

通過測試接觸角的大小(CA)來評價材料的親水性，一般認為，接觸角大于90°表現為疏水性，接觸角小于90°表現為親水性。由神經導管的水接觸角測試結果可知，PCL神經導管是疏水的，接觸角大小為124.0±3.6°(圖5a)，測試過程中接觸角大小保持不變；
與之相對，PCL/CS神經導管是親水的，在3 s內接觸角從69.5°降低至0(圖5b)，即測試液滴可快速被材料吸收，采用氣泡法進一步表征PCL/CS神經導管的接觸角大小，為68.4°±2.3°。這些結果表明，在PCL中加入CS有助于提高PCL/CS神經導管的親水性。

圖5 (a)PCL神經導管及(b)PCL/CS神經導管的接觸角測試

2.6 力學性能

不同神經導管的干態應力-應變曲線如圖6a所示，PCL/CS多通道神經導管的最大拉伸應力為4.4 MPa，高于PCL多通道神經導管(2.6 MPa)。這是因為CS分子內有強氫鍵作用，分子剛性大[11]，致使PCL/CS神經導管的斷裂應力和初始模量增大。從神經導管的濕態應力應變曲線(圖6b)可以看出，各導管的濕態力學性能規律與干態保持一致，但濕態導管的斷裂應力降低、斷裂應變有所增大。這是因為材料經去離子水浸潤后，內部孔隙被水分子填充，從而降低了材料分子間作用力和滑移阻力，進而表現為拉伸時所需的應力降低，同時材料拉伸斷裂前的滑移量也增加。圖6c顯示的是兩種多通道神經導管的彎曲性能，由于其內部多通道結構的支撐，表現出良好的彎曲性能，柔韌性較好，能夠滿足神經導管植入動物體內后的運動需求。

圖6 神經導管的(a)干態應力-應變曲線、(b)濕態應力-應變曲線及(c)彎曲性能測試

在本研究中，利用自主設計的維綸紗線模具，結合冷凍干燥法，成功制備了PCL/CS與PCL多通道神經導管，通過一系列表征手段，得到了如下結論：

分析水溶性維綸紗線的基本性能，發現其具有良好的力學性能以及快速溶于水的能力，可將其作為通道基材，設計一種新型多通道神經導管模具，該模具的優點在于：在2 mm直徑內可形成16個通道，通道數較多，且通道結構完整、無損傷。

基于維綸紗線模具可成功制備PCL/CS及PCL多通道神經導管，從神經導管的形貌及紅外測試結果可知，水溶性維綸可在后續水洗過程中被去除，形成多通道結構的同時不影響導管性質。

導管的形態及其他理化性能結果表明，相較于PCL多通道神經導管，PCL/CS多通道神經導管具有更優良的通道形態、親水性以及力學性能，有望應用在周圍神經缺損修復領域。