一种高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管及其制备方法

摘要

本发明涉及一种高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管及其制备方法。所述的凝胶人造血管含有烯烃类单体M1、生物高分子M2、化学交联剂M3、离子交联剂M4，四者用量的质量百分数比别为：9～15％、1～3％、0-0.2‰、4～10％。本制备方法是在水溶液中以M1和M2为功能单体，M3作为化学交联剂，得到凝胶人造血管坯体后再利用M4作为例子交联剂进行强化处理，制成高强高韧、孔洞可调的凝胶人造血管。该方法制得的凝胶人造血管具有较高的强度、韧性和回复性，在拉压弯扭等外力作用下不易破损，且可快速恢复原形；具有多重交联的网络结构，孔洞尺寸可由交联度调节。本发明适用于生物、医疗、组织工程、吸附等领域。

权利要求

1.一种高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管是由烯烃类单体M1、生物高分子M2、化学交联剂M3、离子交联剂M4溶于水聚合而成；所述的烯烃类单体M1为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、2-(二甲氨基)乙基-甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸2-羟基乙酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸叔丁酯、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸、多缩乙二醇单甲基丙烯酸酯，其无机盐；所述的生物高分子M2为海藻酸钠、壳聚糖、黄原胶、腐殖酸、纤维素、聚乳酸、聚赖氨酸、聚谷氨酸、聚羟基脂肪酸酯、胶原蛋白、丝胶状球蛋白中的一种或任意两种组成的混合物；所述的化学交联剂M3为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、二缩水甘油基乙醚中的任意一种；所述的离子交联剂M4为氯化钙、氯化铜、氯化锌、硫酸氢钙、硫酸铜、硫酸锌中的任意一种。

2.根据权利要求1所述的一种高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管的制备方法，包括如下步骤：

1)A液的配制：25℃下将烯烃类单体M1、生物高分子M2依次加入到去离子水中，配制成质量浓度为10-18％的溶液，搅拌5-30min，静止脱泡15-30min。

2)B液的配制：25℃下将化学交联剂M3和引发剂过硫酸铵或过硫酸钾依次加入到去离子水中，磁力搅拌5-10min，直至形成均一透明的分散体系；

3)预聚液的混配：将步骤2)配制的B液倒入步骤1)制好的A液中，磁力搅拌

10-20min，待呈现均一的粘稠状时，立即加入催化剂四甲基乙二胺或亚硫酸钠，磁力搅拌

5-10min，制得预聚液；

4)凝胶人造血管坯的制备：将步骤3)制得的预聚液注入中空管状模具中，将端口处密封后在温度为40-70℃下进行聚合反应3-8h，得到凝胶人造血管坯；

5)凝胶人造血管坯的强化处理：将步骤4)制得的凝胶人造血管坯取出，浸泡在质量浓度为4-10％的离子交联剂M4的水溶液中，反应时间为15-60min，取出后用去离子水浸泡冲洗1-5min，制得高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管；

6)凝胶人造血管的包装：将步骤5)制得的凝胶人造血管进行无菌真空热封包装。

3.根据权利要求2所述的一种高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管的制备方法，其特征在于：步骤1)中A液各组分质量百分比为：烯烃类单体M1：9-15％、生物高分子M2：1-3％、离子交联剂M4：0-10‰、去离子水：82-90％；步骤2)中B液各组分质量比为：化学交联剂M3：0-0.2‰、引发剂是烯烃类单体M1的1％，去离子水：98-99％；步骤3)中的催化剂是烯烃类单体M1的3‰；步骤5)中各组分质量比配比为：离子交联剂M4：4-10％、去离子水：

90-96％。

4.根据权利要求2所述的一种高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管的制备方法，其特征在于：所述的中空管状模具的内径为0.1-15mm、外径为0.1-17mm。

5.根据权利要求2所述的一种高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管的制备方法，其特征在于：所述的凝胶人造血管的孔洞大小为10nm-500μm。

说明书

一种高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高分子材料、生物医药和组织工程领域，具体涉及一种高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管及其制备方法。

背景技术

[0002] 血管是生物体内输送血液的管道，人体内除角膜、毛发、指(趾)甲、牙质及上皮等处外，血管遍布全身。血管可以分为动脉、静脉和毛细血管三种。主动脉和大动脉的管壁较厚，含有丰富的弹性纤维，有可扩张性和弹性。毛细血管的口径最小，数量最多，总的横截面积最大，血流速度最慢，管壁最薄，仅由单层内皮细胞和基膜组成，通透性很好，有利于血液与组织进行物质交换。随着医学技术的发展，需要研究以及移植血管，所以人们发明了人工血管，即一种在功能和特点上与生物血管相近，能够代替生物血管的人工血管。

[0003] 制备人工血管需满足以下要求：1.物理和化学性能稳定；2.网孔度适宜；3.具有一定的强度和柔韧度；4.作搭桥手术时易缝性好；5.血管接通放血时不渗血或渗血少且能即刻停止；6.移入人体后组织反应轻微；7.人体组织能迅速形成新生的内外膜；8.不易形成血栓；9.令人满意的远期通畅率。

[0004] 人工血管血管的制造，国内外的研究，绝大多数是采取医用高分子材料进行编织。织造的方法有针织、编织和机织。织成管状织物后，经后处理加工成为螺旋状的人造血管，可随意弯曲而不致吸瘪。我国在50年代末，60年代初，才开始进行研究，起初是用尼龙(Nylon)织成，后因尼龙降解，在生体内植入后发生破裂而被淘汰。现在多采用涤纶(Dacron)纤维编织人工血管，己大量应用于临床，如治疗主动脉瘤，主动脉狭窄，上下腔静脉切除更换术等，最长可达37cm。目前用高分子材料由机器编织的人工血管，平织者内径最小为8mm，针织者内径为3mm，但针织人工血管目前在国内尚未能正式生产。

[0005] 涤纶人造血管是最早使用的血管材料，且由于通畅率较高，长期以来被成功地用于大血管置换，但无法完全满足小口径人造血管的制造要求。此后，用于制造人造血管的原料发展为聚四氟乙烯、聚氨酯和天然桑蚕丝。60年代出现以高分子聚四氟乙烯为原料经注塑而成的直型人造血管，商品名称为考尔坦克斯(Core-Tex)，已广泛应用于临床。国内外应用最广泛的人造血管材料是膨化聚四氟乙烯，它具有很好的生物相容性与抗凝性，但顺应性较差，移植物的通畅率仅为30％，尤其是直径小于6mm的聚四氟乙烯(ePTFE)人造血管上述缺点更加明显，远期通畅率极差。

[0006] 现用于临床的主要由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、膨体聚四氟乙烯(ePTFE)和聚氨酯(PU)等原料合成高聚物制成的人工血管，聚对苯二甲酸乙二酯主要是以涤纶纤维的形式编织成管状，内皮细胞可以在纤维间的空隙生长；膨体聚四氟乙烯制备的血管壁有多孔网状结构，有利于内皮细胞生长。但涤纶和膨体聚四氟乙烯没有生物活性和抗凝活性，移植后易发生血栓。聚氨酯有良好的生物相容性和血液相容性，可以有效的抗血栓。因此将其合成高聚物可以在一定程度上满足制备人工血管的条件，应用于临床。

[0007] 由上分析，上述人工血管普遍存在血液在其内部流通性不好，生物相容性以及力学性能差等缺点，有必要寻找一种具有良好的生物血管性能的人工血管，在综合性能上要充分满足移植的要求。

[0008] 中国专利CN101284148A公开了一种制备人工血管的方法，配方由聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)和聚砜(PS)中的一种或几种组成，制备成高聚物，将其经过溶胀和溶解配置成膜液，然后过滤脱泡经过干喷湿纺发制备中空纤维膜，再经过后期处理制成血管。然而这种制备方法涉及到有毒溶剂，对生物体有一定毒性，并且制作步骤繁琐，需要一系列的操作，不易制备。

[0009] 中国专利CN1313741A公开了一种利用异种生物体血管并且用表面活性剂洗涤血管后完全除去该血管的细胞成分而成的人工血管。这种方法原料不易得到，而且处理起来不方便，不能大批量生产。

[0010] 高分子水凝胶是一类具有三维网络结构的高聚物。因其具有独特的保水、力学性能和良好的生物相容性而被广泛应用于生物工程、医药保健等领域。

[0011] 凝胶作为一种新型的人造血管材料，其本身为与人体软组织相似的软湿材料，适宜在人体环境中应用。凝胶具有化学结构明确、性能稳定且易于调控、无异物感染、廉价和易于灭菌等优势；通过改变交联机理和配比的调控，能够实现高强度高韧性的力学性能以及优良的可见光透过性能，为凝胶在血管材料的应用提供了力学保障和光学支持，此外，凝胶高分子材料的耐降解性和耐候性使得材料在应用于人体的过程中不易发生降解和排异，材料使用周期较长。

[0012] 本发明考虑了人造血管的制备需要满足无毒性，生物相容性，选择透过性和力学性能良好，以及制造简单及成本低等特点，运用高分子复合水凝胶的特点进行制备凝胶人工血管，可替代临床上使用的PET、ePTFE和PU人工血管，在医学领域拥有广泛的应用前景。

发明内容

[0013] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有好的生物相容性，同时兼具高强高韧及光学透过性的人造血管材料。本发明得到的血管材料的强度高、韧性好，在生物生存温度下能够满足生物日常活动所需的各种拉压弯扭等动作，利于血管内皮细胞的增殖，且可见光光学透过性能和回复性能良好，能够满足输液、抽血等日常医疗要求。本材料对生物体无毒害作用，生物相容性好，且具有耐降解等优点，利于在人体中长期使用。

[0014] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0015] 一种高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管是由烯烃类单体M1、生物高分子M2、化学交联剂M3、离子交联剂M4溶于水聚合而成。

[0016] 所述的烯烃类单体M1为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、2-(二甲氨基)乙基-甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸2-羟基乙酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸、多缩乙二醇单甲基丙烯酸酯，其无机盐，以及其混合物。

[0017] 所述的生物高分子M2为海藻酸钠、壳聚糖、黄原胶、腐殖酸、纤维素、聚乳酸、聚赖氨酸、聚谷氨酸、聚乙烯醇、聚羟基脂肪酸酯、胶原蛋白、丝胶状球蛋白中的一种或任意两种组成的混合物。

[0018] 所述的化学交联剂M3为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、二缩水甘油基乙醚中的任意一种。

[0019] 所述的离子交联剂M4为氯化钙、氯化铜、氯化锌、硫酸氢钙、硫酸铜、硫酸锌中的任意一种。

[0020] 本发明一种高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管的制备方法，包括如下步骤：

[0021] 1)A液的配制：25℃下将烯烃类单体M1、生物高分子M2依次加入到去离子水中，配制成质量浓度为10-18％的溶液，搅拌5-30min，静止脱泡15-30min；

[0022] 2)B液的配制：25℃下将化学交联剂M3和引发剂过硫酸铵或过硫酸钾依次加入到去离子水中，磁力搅拌5-10min，直至形成均一透明的分散体系；

[0023] 3)预聚液的混配：将步骤2)配制的B液倒入步骤1)制好的A液中，磁力搅拌10-20min，待呈现均一的粘稠状时，立即加入催化剂四甲基乙二胺或亚硫酸钠，磁力搅拌
5-10min，制得预聚液；

[0024] 4)凝胶人造血管坯的制备：将步骤3)制得的预聚液注入中空管状模具中，将端口处密封后在温度为40-70℃下进行聚合反应3-8h，得到凝胶人造血管坯；

[0025] 5)凝胶人工血管坯的强化处理：将步骤4)制得的凝胶人造血管坯取出，浸泡在质量浓度为4-10％的离子交联剂M4的水溶液中，反应时间为15-60min，取出后用去离子水浸泡冲洗1-5min，制得高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管；

[0026] 6)凝胶人造血管的包装：将步骤5)制得的凝胶人造血管进行无菌真空热封包装。

[0027] 本发明步骤1)中A液各组分质量百分比为：烯烃类单体M1：9-15％、生物高分子M2：1-3％、去离子水：82-90％。

[0028] 本发明步骤2)中B液各组分质量比为：化学交联剂M3：0-0.2‰、引发剂是烯烃类单体M1的1％，去离子水：98-99％。

[0029] 本发明步骤3)中的催化剂是烯烃类单体M1的3‰。

[0030] 本发明步骤5)中各组分质量比为：离子交联剂M4：4-10％、去离子水：90-96％。

[0031] 所述的中空管状模具的内径为0.1-15mm、外径为0.1-17mm。

[0032] 所述的步骤5)不是制备凝胶人造血管的必要条件，但可增加凝胶人造血管的断裂应力和拉伸强度。

[0033] 所述的凝胶人造血管的孔洞大小为10nm-500μm。

[0034] 所述的凝胶人造血管的韧性、孔洞尺寸、内皮细胞相容性和通畅率通过调节单体浓度、投料比、交联度、反应温度、模具大小和加料顺序调节。

[0035] 与现有人造血管材料和制备方法相比，本发明有以下优点：

[0036] 1、具有较高的强度、韧性和回复性，拉压弯扭等外力作用下不易破损，且可快速恢复原形。

[0037] 2、具有优良的生物相容性，所得材料无毒无害，适用于人体内部组织材料的代替。

[0038] 3、具有多重交联的网络结构，孔洞尺寸可由交联度调节，且具有高的使用周期和寿命。

[0039] 4、本发明制备方法简单、原料易得、操作简便、成本低、反应周期短、反应条件温和，易于工业化和批量生产应用。

[0040] 5、所制备的凝胶血管的内径尺寸及壁厚能根据模具尺寸调节，以满足弹性动脉、肌肉动脉、小动脉等不同类别血管的性能要求。具体实施方案

[0041] 本发明可用其他的不违背本发明的精神和主要特征的具体形式来概述。因此，下述具体实施方案仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

[0042] 实施例1

[0043] 1)A液的配制：25℃下将1g丙烯酰胺、0.1g海藻酸钠，依次加入到去离子水中，配制成质量浓度为10％的溶液，搅拌15min，静止脱泡15min；

[0044] 2)B液的配制：25℃下将0.001gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺和0.1g过硫酸铵依次加入到去离子水中，磁力搅拌5min，直至形成均一透明的分散体系；

[0045] 3)预聚液的混配：将步骤2)配制的B液倒入步骤1)制好的A液中，磁力搅拌10min，待呈现均一的粘稠状时，立即加入0.002g四甲基乙二胺，磁力搅拌7min，制得预聚液；

[0046] 4)凝胶人造血管坯的制备：将步骤3)制得的预聚液注入内径为0.2mm外径为0.3mm的中空管状模具中，将端口处密封后在温度为40℃下进行聚合反应6h，得到凝胶人造血管坯；

[0047] 5)凝胶人造血管坯的强化处理：将步骤4)制得的中空血管坯取出，浸泡在质量浓度为4％的氯化锌的水溶液中，反应时间为30min，取出后用去离子水浸泡冲洗3min，制得高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管；

[0048] 6)凝胶人造血管的包装：将步骤5)制得的凝胶人造血管进行无菌真空热封包装。

[0049] 实施例2

[0050] 1)A液的配制：25℃下将1.2g N-羟甲基丙烯酰胺、0.15g海藻酸钠依次加入到去离子水中，配制成质量浓度为12％的溶液，搅拌20min，静止脱泡30min；

[0051] 2)B液的配制：25℃下将0.0015gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺和0.012g过硫酸钾依次加入到去离子水中，磁力搅拌10min，直至形成均一透明的分散体系；

[0052] 3)预聚液的混配：将步骤2)配制的B液倒入步骤1)制好的A液中，磁力搅拌15min，待呈现均一的粘稠状时，立即加入0.0036g四甲基乙二胺，磁力搅拌8min，制得预聚液；

[0053] 4)凝胶人造血管坯的制备：将步骤3)制得的预聚液注入内径为0.5mm外径为0.65mm的中空管状模具中，将端口处密封后在温度为50℃下进行聚合反应5h，得到凝胶人造血管坯；

[0054] 5)凝胶人造血管坯的强化处理：将步骤4)制得的中空血管坯取出，浸泡在质量浓度为7％的硫酸铜的水溶液中，反应时间为20min，取出后用去离子水浸泡冲洗5min，制得高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管；

[0055] 6)凝胶人造血管的包装：将步骤5)制得的凝胶人造血管进行无菌真空热封包装。

[0056] 实施例3

[0057] 1)A液的配制：25℃下将1.5g甲基丙烯酰胺、0.1g海藻酸钠依次加入到去离子水中，配制成质量浓度为14％的溶液，搅拌30min，静止脱泡30min；

[0058] 2)B液的配制：25℃下将0.0015g二(甲基)丙烯酸乙二醇酯和0.015g过硫酸钾依次加入到去离子水中，磁力搅拌5min，直至形成均一透明的分散体系；

[0059] 3)预聚液的混配：将步骤2)配制的B液倒入步骤1)制好的A液中，磁力搅拌10min，待呈现均一的粘稠状时，立即加入0.0045g甲基乙二胺，磁力搅拌5min，制得预聚液；

[0060] 4)凝胶人造血管坯的制备：将步骤3)制得的预聚液注入内径为1mm外径为1.2mm的中空管状模具中，将端口处密封后在温度为50℃下进行聚合反应5h，得到凝胶人造血管坯；

[0061] 5)凝胶人造血管坯的强化处理：将步骤4)制得的中空血管坯取出，浸泡在质量浓度为7％的硫酸氢钙的水溶液中，反应时间为30min，取出后用去离子水浸泡冲洗4min，制得高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管；

[0062] 6)凝胶人造血管的包装：将步骤5)制得的凝胶人造血管进行无菌真空热封包装。

[0063] 实施例4

[0064] 1)A液的配制：25℃下将1.4g丙烯酰胺、0.2g丝胶状球蛋白依次加入到去离子水中，配制成质量浓度为14％的溶液，搅拌25min，静止脱泡15min；

[0065] 2)B液的配制：25℃下将0.0020gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺和0.014g过硫酸铵依次加入到去离子水中，磁力搅拌10min，直至形成均一透明的分散体系；

[0066] 3)预聚液的混配：将步骤2)配制的B液倒入步骤1)制好的A液中，磁力搅拌20min，待呈现均一的粘稠状时，立即加入催化剂0.0042g四甲基乙二胺，磁力搅拌7min，制得预聚液；

[0067] 4)凝胶人造血管坯的制备：将步骤3)制得的预聚液注入内径为6mm外径为7mm的中空管状模具中，将端口处密封后在温度为60℃下进行聚合反应4h，得到凝胶人造血管坯；

[0068] 5)凝胶人造血管坯的强化处理：将步骤4)制得的中空血管坯取出，浸泡在质量浓度为5％的氯化钙水溶液中，反应时间为20min，取出后用去离子水浸泡冲洗3min，制得高韧性和孔洞可调的凝胶人造血管；

[0069] 6)凝胶人造血管的包装：将步骤5)制得的凝胶人造血管进行无菌真空热封包装。

[0070] 实施例5

[0071] 1)A液的配制：25℃下将1.6g N-异丙基丙烯酰胺、0.2g纤维素依次加入到去离子水中，配制成质量浓度为16％的溶液，搅拌25min，静止脱泡30min；

[0072] 2)B液的配制：25℃下将0.0015gN，N’-亚甲基双丙烯酰胺和0.016g过硫酸钾依次加入到去离子水中，磁力搅拌8min，直至形成均一透明的分散体系；

[0073] 3)预聚液的混配：将步骤2)配制的B液倒入步骤1)制好的A液中，磁力搅拌20min，待呈现均一的粘稠状时，立即加入0.0048g亚硫酸钠，磁力搅拌10min，制得预聚液；

[0074] 4)凝胶人造血管坯的制备：将步骤3)制得的预聚液注入内径为3mm外径为3.5mm的中空管状模具中，将端口处密封后在温度为55℃下进行聚合反应6h，得到凝胶人造血管坯；