[发明专利]基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统及方法，能实现具有分层结构血管支架的制备，应用于机械制造和生物制造技术领域。

背景技术

近年来，心血管疾病逐渐成为威胁健康的重要因素，由于缺少合适的自体血管，每年有大量病人需要人工血管移植。构建具有功能性的组织血管支架具有广阔的应用前景。

人体内的血管内径从5微米到25毫米不等，尺寸较大的血管壁有明显的三层结构：内膜，中膜和外膜。内膜是附着在基底膜上的单层内皮细胞；中膜由大量的平滑肌细胞或弹性组织构成；外膜主要由包含成纤维细胞和血管周围神经的细胞外基质胶原组成。

目前，在组织工程血管支架成形工艺方面，常常使用的工艺方法主要可以分为两类：一类是基于血管模型预建立方法；另一类是基于组织结构内血管网络生成的方法。血管模型预建立方法又可以分为利用模具浇注和结合电纺丝技术成形的方法；而基于组织结构内血管网络生成的方法主要是通过3D细胞培养技术，利用内皮细胞等自发地在生物支架内形成细微的通道。这些传统方法虽然获得了较成功的血管支架或具有血管网络的支架，但是目前制备血管支架的工艺方法很难实现支架的三层结构。而对于组织工程在临床的应用来说，制备具有三层结构的血管支架具有十分重要的意义。

静电纺丝技术利用静电力来制备纳米纤维，能够制备连续的纳米纤维，操作简单，适用范围广，生产效率高。在静电纺丝过程中，通过在喷丝针头处施加高压静电，高压针头与金属收集装置之间会产生高压电场，聚合物溶液在高压静电力的作用下被逐渐拉伸成圆锥状，即泰勒锥，当电场力增大到一定程度时，聚合物溶液就会在电斥力的作用下克服自身的表面张力和粘弹力，从喷丝针头处喷射出来并形成细流。射流在电场的作用下向收集装置方向运动时，都会出现加速现象，从而导致射流的拉伸。在初始阶段，由于溶液表面张力和自身的粘弹力远远大于电场力的作用，所以，射流在你不断延长的同时能保持直线运动。经过一段距离的直线运动后，射流将产生力学松弛现象。发生力学松弛时的射流长度与外加电场的大小成正比。一旦发生力学松弛，带电量不同的射流部分，其表面的电荷相互作用将导致射流的不稳定，使射流发生分裂或非直线的螺旋运动。随着溶剂挥发，射流运动形成的纳米纤维便沉积在金属收集器上。

静电直写技术在2006年被提出，该技术通过将喷头与金属收集器的间距缩短为500μm至3mm，使纳米纤维的收集处于静电纺丝的稳定喷射阶段，实现了纳米纤维的可控沉积，可以得到排列有序且连续的纳米纤维。该方法操作简单、易于操作，为组织工程血管支架的制备提供了有效地途径。

发明内容

本发明的目的是针对已有血管支架制备工艺存在的缺陷，提供一种基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统及方法，该系统首先在三轴运动平台的驱动下，通过静电纺丝工艺成形血管支架的最内层；再减小喷头与金属收集器间的距离，通过静电直写的工艺成形血管支架的中间层；最后再在三轴运动平台的驱动下，通过静电纺丝工艺成形血管支架的最外层。最终形成具有足够机械强度的三层血管支架。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于静电直写与静电纺丝技术的分层血管支架成形系统，包括供料系统、纺丝收集系统、三轴运动平台、电源和计算机控制系统，所述供料系统安置在三轴运动平台的Z轴滑块上；所述纺丝收集系统固定安装在三轴移动平台的XY轴平台上，使供料系统的注射器针头轴线与纺丝收集系统的芯轴的轴线垂直相交；所述电源正极连接注射器针头的金属部分，负极连接芯轴的金属部分；所述计算机控制系统与三轴运动平台电连接，控制三轴运动平台的三维移动。

所述的供料系统包括微量泵控制器、微量泵执行机构、注射器活塞筒体和注射器针头；所述微量泵执行机构固定在三轴运动平台的Z轴滑块上，Z轴滑块带动微量泵执行机构沿Z轴方向运动，所述注射器活塞筒体固定安装在微量泵执行机构上，注射器针头固定在注射器活塞筒体的底端，微量泵执行机构在微量泵控制器的连接驱动下，推动注射器活塞筒体进行纺丝材料的挤出。

所述的纺丝收集系统由步进电机、芯轴、纺丝收集机架、联轴器、第一轴承端盖、深沟球轴承、套筒和第二轴承端盖组成；所述纺丝收集机架与三轴运动平台的XY轴平面固定连接，使纺丝收集系统随三轴运动平台的XY轴平面进行运动，所述步进电机安装在纺丝收集机架的一端，步进电机的伸出轴通过联轴器与芯轴连接，所述芯轴两端通过深沟球轴承和套筒安装在纺丝收集机架上，第一轴承端盖和第二轴承端盖安装在纺丝收集机架上。