三层层电纺丝技术模拟天然动脉结构：基于聚己内酯、弹性蛋白和胶原蛋白的初步研究

以下实验的总体目标是观察不同层材料特性的变化如何影响移植物的整体力学性能。通过制备天然和合成聚合物溶液以提供最佳的电纺参数来实现这一目标。第二步，应将溶液按特定比例混合，从而实现材料特性的预期改变。

接下来将溶液电纺到圆柱形芯模上，以制备具有不同力学性能的多层结构。获得的结果显示，基于顺应性、爆破强度、缝合保持力、单轴拉伸测试以及数学分析，材料的力学性能发生了变化。大家好，我叫Michael McClure。

今天我将向您介绍三层结构的电纺海绵状血管移植物。与单层血管移植物等其他技术相比，本技术的主要优势在于我们能够精确调控各层材料的特性，从而影响整体的电纺材料性能。在进行电纺之前，采用乙酸为基础的方法从六个月大的牛皮质中提取胶原蛋白。随后通过一系列溶解、沉淀和透析步骤对提取的胶原蛋白进行纯化。为进行电纺丝工艺，需收集至少500毫克冻干胶原蛋白。

接下来，使用一个20毫升的闪烁瓶，通过称取150毫克单体颗粒并溶解于50毫升1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇中，配制浓度为100毫克/毫升的聚己内酯溶液。采用相同方法，配制7毫升浓度为200毫克/毫升的弹性蛋白溶液和7毫克/毫升的胶原蛋白溶液。然后使用五个闪烁瓶，在每个瓶中分别按以下体积比混合共计5毫升的PCL-弹性蛋白-胶原蛋白溶液：98:2:0（PCL:弹性蛋白:胶原蛋白），代表动脉内膜；45:45:10、55:35:10和65:25:10（PCL:弹性蛋白:胶原蛋白），代表动脉中膜；以及70:0:30（PCL:弹性蛋白:胶原蛋白），代表动脉外膜。

现在使用一个3毫升、18号钝头针头，将3毫升溶液装入注射泵中。针对每种PCL-弹性蛋白-胶原溶液的特定材料特性，设定分配速率为每小时4毫升，总体积为3毫升。

这些溶液将通过静电纺丝技术纺至矩形芯模上，以构建由聚己内酯-弹性蛋白-胶原聚合物溶液组成的多层血管移植物。静电纺丝速率将根据过渡层和各层的纺丝需求进行调整：内膜层采用每小时四毫升的流速，纺丝体积为0.5毫升；随后进入过渡阶段，同时使用内膜和中膜注射器，各以0.2毫升体积、每小时两毫升的纺 丝速率进行静电纺丝。接下来，关闭内膜注射器，以每小时四毫升的流速对中膜层继续静电纺丝0.6毫升。

随后，在介质和Adventis注射器之间以每小时2毫升的速度各注入0.2毫升聚合物溶液进行过渡。最后，关闭介质注射器，继续以每小时4毫升的速度对Adventis进行0.4毫升的电纺丝。电纺丝完成后，对每个样品使用50毫摩尔的EDC，并在进一步测试前留出18小时进行交联。

为了测试电纺材料的单轴拉伸参数，首先将电纺膜置于培养皿中，用15毫升的1倍PBS溶液水合24小时。然后使用标距长度为7.5毫米、最窄处宽度为2.5毫米的狗骨形冲模，从电纺膜上冲出六个样品。该形状可确保材料在最窄处发生断裂。

接下来，使用 MTS Bionics 200 测试系统，配备 100 N 负荷传感器和 10 毫米/分钟的拉伸速率，对电极 BUN 样品进行测试。使用测试工作软件计算每种独立材料产品的峰值应力、模量和断裂时的应变。为测试多层移植物的缝线保留性能，收集六个直径为 2 毫米、长度为 3 毫米的管状电海绵试样，并将试样置于培养皿中，用 1 倍 PBS 在 37 摄氏度的培养箱中浸泡 24 小时。

然后使用50 N的负荷传感器和150毫米/分钟的拉伸速率。使用MTX仿生200系统测试缝线保持力时，放置五零规格的市售PDs，两根紫色单丝线。

使用游标卡尺测量，在样品末端2毫米处缝合，并持续拉伸直至缝线穿过移植物，利用TestWorks软件记录峰值载荷，单位为克力（gram's force）。版本四：为测试电纺移植物的爆破强度，另取六根直径为2毫米、长度为2至3厘米的电纺管状样品，在37摄氏度条件下于磷酸盐缓冲液（PBS）中水化24小时。水化后，将管状物套在连接于测试装置的直径为1.5毫米的乳头状接头上，用2-0丝线在移植物与接头末端打外科结固定。随后向爆破测试系统中注入空气，以每秒5毫米汞柱（mmHg）的速率增加压力，直至管状物破裂。

以毫米汞柱（mmHg）为单位记录管道破裂时的压力，收集爆破强度数据。最后，通过获取六段直径为2毫米、长度为3厘米的管状移植物（分别取自六种不同的静电纺丝移植物）来评估动态顺应性。将样品在PBS中水化24小时。

在37摄氏度条件下，将移植物套在定制的直径为1.5毫米的乳头状突起上，使用2-0丝线缝合，并打外科结固定。将移植物置于由Tissue Growth Technologies公司开发的智能组织工程力学刺激生物反应器中。

将500毫升37摄氏度的PBS加入生物反应器中。设置生物反应器对移植物内部施加1赫兹的周期性压力变化，并测试三种不同的压力水平：舒张压/收缩压分别为90/50、120/80和150/110毫米汞柱。当电纺丝程序正确执行时，最终产物应为一个柔软且无缝的管状结构，如图所示，各层之间无脱氨的初始迹象。

此处展示了一个分层的管状结构用于对比。该图像提供了关于含有特定PCL-弹性蛋白-胶原混合物的内膜、中膜和外膜各层在UNI轴向拉伸试验中的峰值应力（周向）以及断裂应变的测试数值。趋势显示，随着PCL含量的增加，峰值应力和周向模量均有所提高，而断裂应变则下降。缝线保留力结果在此一并展示，其中E-P-T-F-E表现出最高的缝线保留力，而65:25:10组分最接近以虚线表示的自体静脉标准；此外，还对非活性猪股动脉以及E-P-T-F-E进行了对比测试。

如图所示，爆破压力表明，55比35比10以及65比25比10的材料具有最高的爆破压力，这与美国国家标准协会（American National Standards Institute）对所有拟上市血管移植物所要求的1 600毫米汞柱相当。最后，通过内部雷达在三种不同平均动脉压下进行的顺应性测试表明，仅在中层增加PCL含量即可导致在所有三种生理压力条件下顺应性逐渐降低。本研究最关键的环节是立法流程。

当采用三比一的输入输出时，喷嘴处可能会出现压力损失。若发生这种情况，与当前正在进行电纺的聚合物相关的鼓胀也可能减小。这可能导致纤维焊接、湿润以及三层之间的脱层。

因此，在电纺三侧血管移植物时，稳定的电势至关重要。