（纺织工程专业论文）编织型可降解神经再生导管的研制及性能研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

编织型可降解神经再生导管的研制及性能研究 摘要 早在1 9 世纪 神经损伤修复缺乏合适的缝合材料便引发了人们使 用导管修复神经的设想 近1 0 年来由于部分学者相信导管修复最终会 优于通常的神经吻合和神经移植 特别是近年来神经导管形成的神经 再生室为研究神经再生的微环境提供了理想的 窗1 5 1 从而使神经导 管的研究迅速成了目前人们研究的焦点 本文主要论述编织型神经再生导管的研制和性能研究 并通过动 物实验对比所选用的不同编织结构神经导管对损伤神经的修复效果 本课题选用可生物降解材料聚乙丙交酯 p g l a 为原料 它兼具两 种聚合成分的优点 可以通过调节两者聚合的配比来调节它的降解周 期 使与神经再生的周期相吻合 导管的制作是在1 6 锭编织机上采用 2 7 0 0 1 e x 纱线进行带芯编织 芯子为直径2 2 m m 的不锈钢丝 共制作 四种结构神经导管 分别为普通结构神经导管 编织线结构神经导管 加筋结构神经导管和加芯结构神经导管 其中后两种结构神经导管属 于新的尝试 目的是探索具有良好保形性 较好引导神经再生的导管 结构 在导管的物理机械性能研究方面 本课题通过涂层剂的种类 p g l a 丙酮溶液和甲壳胺浆液 涂层剂的厚度 导管的编织结构三个 方面分析它们对导管的厚度 硬挺度 拉伸强力和孔隙率等性能的影 响 测试结果显示 甲壳胺涂层易于在导管表面成膜 对导管的硬挺 度有明显提高 涂层效果较好 加筋结构神经导管在硬挺度和孔隙率 方面优于其它导管 能有效防止导管在实际应用中的塌陷变形 因此 我们选用加筋结构神经导管进行动物实验 本课题动物实验在上海市第一人民医院进行 分别通过加筋结构 涂p g l a 导管 加筋结构涂甲壳胺导管 加筋结构涂甲壳胺并加载缝芯 线导管和自体神经移植四种方案对大鼠进行损伤神经修复实验 在术 后1 2 周对四种方案再生神经的髓鞘厚度 轴突直径 数量密度进行观 察分析 并进行肌电图检测和统计学分析 结构显示 加筋结构涂甲 壳胺并加载缝芯线的导管对大鼠损伤神经的修复效果最好 接近于自 体神经移植 本课题制作的编织型神经再生导管是对神经修复的一种新的尝 试 实验结果初步显示它是切实可行的 随着以后对编织型神经导管 的进一步研究 我们有理由相信它必将给神经修复的研究带来新的突 破和参考价值 关键词 编织生物降解神经再生导管加筋甲壳胺 张俊锋 指导老师 张佩华教授 s t u d ya n df a b r i c a t i o no nb i o d e g r a d a b l e n e r v e r e g e n e r a t i o nc o n d u i t sw i t h b r a i d e ds t r u c t u r e a n d w o r k i n go ni t sp r o p e r t i e s a b s t r a c t e a r l y i n19 c e n t u r y t h e r e c o v e r y o f i n j u r e d n e r v e l a c k i n g a p p r o p r i a t e m a t e r i a l m a d e p e o p l e t o a t t e m p t c o n d u i tt o r e c o v e rt h e i n j u r e d n e r v e r e c e n t l y al o t o fp e o p l ef o c u s i n go nt h es t u d yo fn e r v e c o n d u i t s b e c a u s es o m es c h o l a r sb e l i e v et h a t f r o mt h er e s e a r c hd u r i n g t h er e c e n t10y e a r s n e r v ec o n d u i t sa r em o r es u i t a b l et h a ng e n e r a ln e r v e a n a s t o m o s esa n dn e r v e m i g r a t i o n e s p e c i a l l y t h en e r v e r e g e n e r a t i o n c h a m b e rc a np r o v i d eap e r f e c t w i n d o w t os t u d yt h em i c r oc i r c u m s t a n c e o fn e r v er e g e n e r a t i o n t h isa r t i c l e m a i n l y d is c b s s e st h ef a b r i c a t i o na n dp e r f o r m a n c eo f b r a i d e dc o n d u i t sf o rn e r v er e g e n e r a t i o n c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h e e f f e c to ni n j u r e dn e r v eo fd i f f e r e n tb r a i d e ds t r u c t u r ec o n d u i t st h r o u g h a n i m a le x p e r i m e n t p g l a o n eb i o d e g r a d a b l e m a t e r i a l i s u s e dt ob r a i dt h e c o n d u i t s w h i c hi n t e g r a t e st h em e r i t so fi t st w oa g g r e g a t ei n g r e d i e n t s i t is e a s y t oa d j us t d e g r a d i n gr a t et o m a t c ht h er e g e n e r a t i o np e r i o do ft h e n e r v eb yc h a n g i n gt h ep r o p o r t i o no ft h et w oi n g r e d i e n t s t h ec o n d u i t sa r e f a b r i c a t e de n l a c i n g2 2m i l l i m e t e rs t a i n l e s ss t e e lo nt h eb r a i d i n gm a c h i n e w i t h16 s p i n d l e su s i n g 2 7 0 0t e x y a r n s f o u rc o n d u i t sw i t hd i f f e r e n t s t r u c t ur e sa r eb r a i d e d c o m m o nb r a i d e ds t r u c t u r e b r a i d e ds t r u c t u r eu s i n g b r a i d e dp l y y a r n b r a i d e ds t r u c t u r e w i t hi n s e r t e d r e i n f o r c i n gy a r n a n d a d d i n gb r i d g e y a r ns t r u c t u r e t h e l a s tt w oc o n d u i t sa r en e wa t t e m p t st o l o o kf o rg o o ds h a p e k e e p i n gs t r u c t u r e b e i n ga b l et ol e a dt h en e r v et o r e g e n e r a t ee f f e c t i v e l y t h r o u g he x p e r i m e n t a n d a n a l y z i n g t h e c h a n g e s o ft h et h i c k n e s s r i g i d i t y t e r l s i l es t r e n g t ha n dt h eo p e n i n gr a t eo ft h ec o n d u i t sc a u s e db y t h ed i f f e r e n tk i n dso fc o a t i n gm a t e r i a l t h et h i c k n e s so ft h e c o a t i n ga n d t h ed i f f e r e n t b r a i d i n gs t r u c t u r e s w ei n v e s t i g a t e t h e p h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h eb r a i d e dc o n d u i t st h er e s u l ts s h o w t h e c h i t os a nis e a s y t of o r mt h ef i l m s t r u c t u r eo nt h es u r f a c eo ft h e c o n d u i t s i n c r e a s i n g t h e c o n d u i t s r i g i d i t yc l e a r l y t h er i g i d i t y a n d o p e n i n gr a t eo ft h eb r a i d e ds t r u c t u r ew i t h i n s e r t e dr e i n f o r c i n gy a r na r e b e t t e rt h a nt h e o t h e r s t h i s w i l l p r e v e n t t h ec o n d u i t s c o l l a ps i n g a n d d i s t o r t i n ge f f e c t i v e l yi nt h ep r a c t i c a lus e s s ow es e l e c t c o n d u i t so ft h is s t r u c t u r ef o ra n i m a le x p e r i m e n t t h ea n i m a l e x p e r i m e n t isc a r r i e do u ti nt h ef ir s t h o s p i t a l o f s h a n g h a it h r o u g hr e n o v a t i n gt h ei n j u r e dn e r v eo ft h er a t s f o u rp r o j e c t s a r eus e di nt h i se x p e r i m e n t t h ec o n d u i tsc o a t e dw i t hp g l a t h ec o n d u i t s c o a t e dw i t hc h i t o s a n t h e c o n d u i t sc o a t e dw i t hc h i t os a n a d d i n g b r i d g e y a r n a n ds e l f n e r v e m i g r a t i o n a f t e r1 2 w e e k s w eo b s e r v ea n d a n a l y z et h et h i c k n e s so fm a r r o wt h e c a t h ed i a m e t e ro fa x o n e t h ed e n s i t y o f r e g e n e r a t i o n n e r v ea n dt h e nd o e i e c t r o m y o g r a p h y a n ds t a t i s t i c s a n a l y z i n g f i n d i n g o u tt h a tt h et h i r dc o n d u i t sh a v et h eb e s t r e c o v e r i n g e f f e c t so nt h ei n j u r e dn e r v e c l o s et ot h es e l f n e r v em i g r a t i o n t h eb r a i d e dc o n d u i t si san e wf e as i b l em e t h o dt or e c o v e rt h ei n j u r e d n e r v e p r o v e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s w ea r ec o n v i n c e dt h a ti t w i l l b r i n gn e wb r e a k t h r o u g ha n dr e f e r e n c e dv a l u et ot h ef i e l d so fr e s e a r c h i n g t h en e r v er e c o v e r i n g z h a n gj u n f e n g s u p e r v i s e db y p r o f iz h a n gp e i h u a k e y w o r d s b r a i d b i o d e g r a d a b l e n e r v er e g e n e r a t i o nc o n d u i t i n s e r t e d r e i n f o r c i n gy a r n c h i t o s a n 附件一 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 我恪守学术道德 崇尚严谨学风 所呈交的学位论文 是本人在导师的 指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已明确注明和引用的内容外 本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容 论文为本人亲自撰写 我对 所写的内容负责 并完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 o b j 年 概1 久裤 l 瑚 且j 附件二 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅或借阅 本人授权东华大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文 保密口 在 年解密后适用本版权书 本学位论文属于 不保密口 学位论文作者签名 杯1 灸降 1 日期 奶年i 嵋j y 日 指导教师签名 f 垮 日期 寥年朗f r 日 致谢 在本课题从开始到完成的过程中 我得到了老师和专家们多方的支 持 在此对他们表示衷心的感谢 首先我要感谢我的指导老师张佩华教授 她在百忙之中在本课题研 究方向和研究方法等方面给予我悉心的指导 还给我提供了大量的相 关资料和信息 使得我能顺利完成课题的研究 还要感谢王文祖老师 是他教我如何使用和调试编织机器 是他帮我联系工厂替我改装机器 使我能顺利完成不同结构神经导管的制作 还要感谢第一人民医院的沈尊理主任和沈华医生 他们帮助我完成 动物实验 并提供了大量的图片资料和分析数据 而且沈华医生还帮 我讲解如何从动物实验数据和图片方面分析本课题制作的神经导管对 神经修复效果的好坏 非常感谢他们给予我的帮助和支持 我还有感谢实验室的老师在实验过程中给予我的大量帮助 编织型神经再生导管的研制及性能研究 第一章概论 第一节周围神经的修复 神经系统是人体中最重要的器官 它具有以下特点 1 具有再生 能力 断裂后能以1 毫米 天的速度从近端向远端生长 2 没有穿透 能力 神经的再生一旦遇到障碍就会中止 3 没有弹性 断裂的神经 是不能人为地拉伸后连接的 4 只有相同种类的神经束进行吻合修复 后神经的功能才能得到恢复 神经一旦受到损伤 器官的正常功能 运 动功能和感觉功能 也会随之受到影响 周围神经的损伤一般可分为断 端间无缺损的损伤和断端间有缺损的损伤两类 对于断端间无缺损的 损伤目前主要是通过外膜吻合 束膜吻合 c o 激光焊接 粘合剂粘接 等手术方法直接进行吻合修复的 但是人们还不能正确地区分运动神 经和感觉神经束 因此这样的修复方法不可能准确地实现同类神经束 断端的对合 结果常常造成神经束之间的重叠 扭曲 偏位 嵌顿和 滑脱以及吻合口部结蒂组织增生等阻碍近端轴突再生和恢复等不良后 果 对于断端间有缺损的损伤 由于断端神经胶质的增生和外围神经 结蒂组织的增生会形成瘢痕组织 从而阻碍再生神经纤维的向前生长 使再生纤维达不到原位而失去功能 因此为防止过多的结蒂组织在两 断端闻生长 必须移植他物填充或进行桥接诱导修复 自t 8 9 1 年h u t e s 首次提出了外膜综合修复周围神经损伤以来 各 种各样神经修复方法已经相继问世 例如用脱钙骨制成骨性管道 用 冷冻干燥动脉 尼龙纤维架桥外裹静脉等 都产生了一定的疗效 特 别是用硅胶管修复神经损伤己取得了很好的效果 证明了用人工实现 神经修复的可能 1 周围神经缺损的修复 目前临床上常有的方法是自体神经移植 随着显微外科技术的应用和改进 神经功能可以获得一定程度的恢复 但功能完全恢复者十分罕见 另外 可供移植的神经来源有限 自体 神经必然伴随着供区的功能受损 异体神经又有较强的排斥反应 随 着医学 生物学 工程学等综合而成的组织工程学迅速发展 人们开 始考虑使用导管和神经替代物来促进周围神经再生来代替自体神经移 编织型神经再生导管的研制及性能研究 植 以达到神经快速生长 功能完全恢复的理想目标 第二节组织工程 组织工程是一门多学科交叉的边缘学科 是将生命科学和工程学 的方法 原理和技术相结合 开发能修复 维持或改善受损组织或器 官功能的生物替代物 然后植入人体 修复组织或器官的缺陷 老化 受损伤或病态 功能 或作为一种体外装置 暂时替代器官的功能 达 到提高生存质量 延长生命活动的目的 它结合了细胞生物学 工程 学 材料学和临床医学等领域 其基本技术原理如下 首先是体外进 行细胞 种子细胞 培养 然后把培养好的细胞复合在细胞夕 基质替代 物上 支架 然后把这种细胞支架复合物植入体内缺损部位 在体内 细胞继续扩增 生物材料则逐渐被降解吸收 结果形成具有形态和功 能的组织器官 从而达到修复结构重建功能的目的 很显然这种组织 工程能够克服目前临床上常有的治疗方法的不足而具有独特的优点 其优点为 1 人工组织材料形状可以按组织器官缺损情况任意塑形达 到完善修复 2 减轻对供体器官的伤害 使用少量供体细胞进行体外 扩增可形成无限量的供体 3 避免了免疫排斥反应 4 降低了治疗 费用 5 动物实验研究表明组织工程材料具有替代组织的形态和功能 能够替代被修复的组织和器官 如腱 骨 软骨 该学科具有显著的 科学性 社会性和潜在的商业性 成为边缘科学的前沿 是当前人们 竞相研究的热点 3 4 1 组织工程 t i s s u ee n g i n e e r i n g 一词最早是由美国国家科学基金会 19 8 7 年正式提出和确定的 它是应用细胞生物学和工程学的原理 研 究开发修复 改善损伤组织结构和功能的生物替代物的一门科学 其 基本原理和方法是首先在体外培养正常组织细胞 种子细胞 随后把 培养好的细胞复合在细胞外基质替代物 支架 上 然后把这种细胞支 架复合物植入体内缺损部位 在体内 生物材料逐渐被机体降解吸收 细胞在此过程中不断增生 形成新的在形态和功能方面与相应器官 组织相一致的组织 从而达到修复刨伤和功能重建的目的 组织工程的概念一经提出 就受到各国学者的广泛关注 美国在 编织型神经再生导管的研制及性能研究 1 9 8 8 年就以基金和资助的形式建立了一系列实验室 目前 美国已有 相当数量的研究机构 包括n a s a d o e n i h 等 许多相关大学 包 括m i t h m s g i t u c s d u m a s 等 以及许多公司 如s a n d o z o r g a n o g e n e s i s a d v a n c e d t iss u c 等 都参与了组织工程的研究 组织工 程学科之所以受到如此关注 是因为它具有显著的科学性 社会性和 潜在的商业性 它是继细胞生物学和分子生物学之后 生命科学发展 史上的又一个里程碑 有科学家预测 在未来的3 0 年 医学将走出 器官移植的范畴进入制造器官的时代 同时组织工程学作为多门学科 交叉的边缘学科 会带动和促进相关技术领域的交叉 渗透和发展 并由此演化出新的高技术产业 显然 组织工程将是2 l 世纪具有巨大 潜能的高技术产业 由于各国政府 学术界和产业界的高度重视 组织工程医疗产品 已经取得了巨大的进展 其结构 功能越来越接近天然组织器官 将 能为组织缺损或器官衰竭的病人提供更好的治疗 目前组织工程研究 已经涉及到软骨 皮肤 胰腺 肝脏 肾脏 膀胱 输尿管 骨髓 神经 骨骼肌 心脏瓣膜 血管 肠 乳房等组织 其中皮肤和软骨 产品正进入临床研究 有望获得突破 而其他产品仍然处于体外试验 或者动物试验阶段 组织工程是以研制恢复 维持或改进组织功能的生物学替代物为 目的的 这就指出 它不仅仅是要研究生命体的结构和功能关系 更 重要的是制造出可以临床使用的生物学制品 一般来讲 组织工程有 三个要素 支架材料 相当于细胞外基质 e c m 种子细胞 培养 增 殖形成组织或器官的细胞 生长因子 有助于种子细胞的增殖 在组 织工程研究中 需要对这三个要素及其相互作用的安全性进行评价 一 种子细胞 种子细胞是组织工程中用于重建新生组织的原动力 细胞主要来 源于自体 同种异体 异体组织细胞等 现在的主要阅题是细胞体外 培养的扩增速度 与支架复合后生理性状的保持 分裂增殖的继续 以及植入人体后在新环境下如何保持正常健康生长 编织型神经再生导管的研制及性能研究 二 生长因子 生长因子通过调节细胞增殖 分化过程并改变细胞产物的合成而 作用于组织形成的过程 就临床工作而言 对于生长因子寄予的希望 很大 但目前对其使用仍存在一些问题 例如 尚未建立完善的生长 因子缓释系统 以及生长因子生产成本过高等 三 支架 模拟细胞外基质 材料学是组织工程领域的一个重要问题 它的发展也决定了组织 工程的发展 组织工程通常的程序是从体内分离细胞 经增殖达到一 定数量后 种植在高分子支架上形成特定的形态 功能结构 这种支 架的作用除了在新生组织完全形成之前提供足够的机械强度外 还包 括提供三维空间 使不同类型的细胞可以保持正确的接触方式 以及 提供特殊的生长和分化信号使细胞能正确生长 从而形成具有特定功 能的新生组织 聚合物支架在三个尺度范围可以控制组织的生长发育 过程 i 大尺度范围 r a m c m 级 决定组织总的形状和大小 2 支架 孔隙的形态结构和大小 u m 级 调节细胞的迁移和生长 3 用于构建 支架的材料的表面化学性质 n m 级 调节与其相接触的细胞的粘附 繁 殖1 目前组织工程所应用的材料很多 主要有以下几类 a 天然基 质 早期人们采用胶原制作人工皮肤和血管的模型 但是胶原存在着 力学性质差 不稳定 在体内降解过快等缺点 限制了它的应用 现 在主要研究采用脱细胞技术制造天然基质 优点是可以作为组织填充 物而长期存在 b 人工基质 目前研究最多的主要是聚乳酸 p l a 聚羟基乙酸 p g a 两者的共聚物聚乙丙交酯 p g l a 聚乳酸一己内 酯的共聚物 p l c 聚原酸酯 聚酸酐等 c 天然高分子和合成高分 子的复合物 如胶原一p g a 的复合物等 作为一种植入物 在临床应用中对其有特殊的要求 由于细胞必 须依赖于细胞外基质的存在才能发挥其功能 因此在组织工程中 细 胞外基质替代物的选择是 个重要方面 基质材料不仅影响细胞生物 学行为和培养效率 而且决定着移植后能否与机体很好的适应 结合 和修复的效果 是限制组织工程在临床应用的一个瓶颈 编织型神经再生导管的研制及性能研究 作为一种体内理想移植物 应满足以下几点 1 组织相容性好 无排斥反应 2 生物可降解性 降解可调性及降解无毒性 作为一种好的基 质材料应能在体内适时的降解并逐渐由新生组织替代形成 新的有功能的器官而最终完成其使命 如果不能降解则会影 响新生器官的质量和功能 再者 某些降解产物可在局部形 成过酸或缺氧等对细胞的毒性作用 3 易于塑形 由于临床工作中个体差异及病损不同的原因 植 入物要求高度仑性化 要能方便地塑形成各种形状 结构以 及方便地进行裁剪 故不能脆性过大 过硬 同时也要重视 不同修复组织而具备不同的强度 使之在植入部位能承担相 应的外力而不致变形 4 易于消毒 能在使用现干亍常规的高压 熏蒸 浸泡等简单的 消毒情况下 结构及性状不发生改变 5 易于保存 在作为植入物的基础上 作为细胞外基质的这种材料还应该具有 特殊的物理和化学特征 以满足种子细胞的生长 繁殖需要 材料的表面修饰 应有利于细胞的贴附 细胞在其表面生长繁 殖 分泌基质提供良好的环境 就目前来说 可以调整基质表 面化学及微结构的修饰 整合上一些特异的细胞表面受体识别 物质 再者 也可以提高材料表面的亲水性来提高细胞的贴附 和分化 材料的物理结构 材料应能提供最大限度的空间和面积以利于 容纳最大限度的细胞贴附 这就需要材料有高度的多孔率 应 达9 0 同时又能保证材料的强度 除了要让细胞贴附外 植 入体内后的血管长入也己被证明与材料的孔径 多孔率高度相 关 现已知细胞于最近的毛细血管闻间距为几百微米就可能会 死亡 因此 适当地使其达到平衡 使血管能以最快的速度长 入 以此保证材料深部的细胞不至于死亡也是非常关键的 编织型神经再生导管的研制及性能研究 以上是就材料的各个不同的侧面来评价材料在某个方面应该达到 的最理想程度 而临床实际应用应将各个方面结合起来考虑 不能因 为过于追求某个方面的合理性而忽略了整体的性能 第三节神经再生导管 近年来由于部分学者相信导管修复最终会优于通常的神经吻合和 神经移植 特别是近年来神经导管形成的神经再生室为研究神经再生 的微环境提供了理想的 窗口 从而使神经导管的研究迅速成了目 前人们研究的焦点 1 3 1 神经再生导管的定义及发展历史 所谓神经导管就是用生物或非生物的材料预制成导管 再将神经 的远近断端放入导管内 两断端神经外膜与管壁固定 随后神经轴突 即可沿着管腔从近端长入远端 神经导管可以防止纤维瘢痕组织的侵 入 避免神经瘤的形成 并利用远端神经的趋化因子使轴突准确对合 同时神经导管中生物环境可以人为控制和改变使之适宜于神经再生 其实早在1 9 世纪就有人开始设想使用再生导管来修复神经 当时 f o r s s m a n 发现再生轴突总是朝向远侧神经断端生长而不向其他组织生 长 他将这种远侧神经断端对再生轴突的明显吸引作用称为神经趋化 性 由于当时神经生物学的限制 这一学说没有被重视 当时人们认 为两神经断端之间存在间隙不利于神经再生轴突的生长 应将损伤神 经远近两端对合加以引导 利于两断端的雪旺细胞直接接触 再生轴 突才能较顺利的长入远端神经内膜管内 也就是认为只有对断端神经 采用直接缝合 利用神经移植才能治疗周围神经缺损 直到2 0 世纪 l u n d b o r g 等通过硅橡胶管实验才证实周围神经确实存在神经趋化性 神经趋化性在神经再生中具有很重要的作用 利用这一点 人们普遍 采用神经再生导管来引导神经再生 因而近几十年来各种各样的神经 导管层出不穷 促进神经再生的效果也越来越好 另外由于神经导 管形成的神经再生室为研究神经再生的微环境提供了理想的 窗口 从而使神经导管的研究迅速成了目前人们研究的焦点 编织型神经再生导管的研制及性能研究 1 3 2 对神经再生导管的要求 周围神经再生的成功依赖于一个适宜的微环境 使用各种材料制成 的导管修复神经缺损就是模拟一个有利于神经轴突生长的微环境 理 想的导管应符合以下条件 1 具有良好的生物相容性和细胞 材料相 互作用 生物相容性是医学应用中对合成材料最基本的要求 即材制 不会与周围组织反应而起副作用 但是材料应该与周围组织发生较强 的作用 并在组织再生过程中起积极作用 细胞 材料相互作用的短期 研究可用细胞与材料表面的粘附性来评价 长期研究可在体外进行 观察细胞在导管内的运动 生长和分化功能 2 具有适合于连接损伤 神经两断端的大小和长度 3 导管内含有各种神经再生所需要素和能 产生趋向引导及提供轴突生长基质的物质 4 具有良好的血运 5 保护再生轴突 避免瘢痕组织侵扰 6 应保证神经修复所需三维空间 即神经导管既具有适宜的强度 硬度和弹性 使之可以保证神经再生 的通道 又具有理性的结构 7 有一定的孔隙率和孔径大小 大的表 面积有利于细胞的附着和生长 而大的孔体积有利于传递足够多的细 胞供组织修复 较好的通透性还有利于代谢产物的交换和神经营养物 质的输送 导管表面的最小孔径往往由细胞来决定 因此随细胞不同 而变化 3 1 3 3 神经再生导管的分类 根据材料的不同 神经导管可分为三大类 1 生物型材料 主要 包括静脉 动脉 骨骼肌 脐带血管等 2 生物不可降解合成材料 使用最多的是硅胶管 3 生物可降解合成材料 主要有几丁质 聚乳 酸等 此外根据神经导管对周围环境的通透性可分为半通透性和非通 透性材料 1 生物型材料的导管含有基底膜 其结构类似于神经基底膜 内有 促进轴突生长的成分 所以能引导神经良好再生 静脉导管是神经导 管的代表 其管壁薄 利于营养物质弥散 也利于神经趋化物质发挥 作用 而且自体静脉具有来源广 取材易 对供区无明显影响 组 织相容性好的特点 因而常常采用 但是静脉管壁易塌陷而阻碍利 经 7 编织型神经再生导管的研制及性能研究 的再生 另外 由于静脉是半通透性材料 有人认为这会导致远端分 泌的神经营养趋化因子经静脉管弥散到近端时浓度较低 使用人工合成材料制备导管具有加工方便 可准确控制规格 性 质重复性好的优点 是目前人们研究的方向 在生物不可降解合成材 料中 使用硅导管作为神经导管的研究最多 它具有生物惰性和一定 的机械强度 植入人体内异物反应很小 同时作为高分子合成材料 硅胶管又具有良好的管壁弹性 不会出现管壁塌陷 管壁透明 便于 通过管壁观察再生的神经 便于操作 便于消毒 具有良好的塑形性 可制成任何所需的形状 有人用硅胶管桥接神经 并将一小动脉通过 硅胶管的纵向缺口植入桥接管 神经再生较好 但是硅胶管是非通 透性管 不能与外界进行物质交换 另外 虽然它能短时间内显示出 神经感觉 运动良好的恢复效果 但它有不能被人体吸收 长期滞留 在人体内会压迫神经 影响神经功能 需二次手术取出导管的弊端 生物可降解合成材料近年来研究越来越多 新材料不断涌现 代 表着未来发展的方向 用可生物降解材料制备的导管可在体内自行分 解 无需二次手术取出 能避免使用不可降解导管时可能出现的压迫 神经等问题 常用的可降解型导管有聚乙醇酸管 p g a 聚乳酸管 p l a 聚乙丙交酯管 p g l a 胶原管等 此类导管有以下优点 1 具有良好的生物相容性 2 选择适当材料和制作工艺可使导管缓慢降 解 管的外形保持一定的时间 直至缺损神经近端长入远端 3 管壁 利于吸附和释放神经营养因子 如管壁利于碱性纤维细胞生长因子的 弥散和释放 利于髓鞘生长和轴突生长 它要求导管在体内无异物和 炎症反应 并随神经再生的完成而逐渐消失 材料具有一定的机械强 度 管的内径要比神经外径略大 以便套接或避免管壁降解性膨胀压 迫神经 1 3 4 神经再生导管的研究现状 空导管的研制取得了一定的进展 国内近年来也有较多使用神经 导管修复神经缺损的研究报道 使用的导管材料有硅胶管 静脉 几 丁质管 聚乙醇酸管 p g a 聚乳酸管 p l a 聚乙丙交酯管 p g l a 8 编织型神经再生导管的研审4 及性能研究 胶原管等 空导管虽然生物相容性好 但在实际应用中存在着以下缺 点 1 使用一段时间后会产生溶胀 使管腔变小 妨碍神经再生 2 导管会在使用过程中逐渐塌陷 3 降解过程中释放出酸性物质 阻碍神经再生 至今国际上对于神经诱导修复的研究还都处于实验室研究阶段 主要都以大鼠的坐骨神经为对象 开展用不同生物降解高分子神经诱 导管进行的神经修复 例如 p e r e g o 用可降解的乳酸与己内酯的共聚 物制成的诱导管进行的神经修复 s c h a k e n r e a d 等研究了神经诱导管的 尺寸 直径 壁厚 对大鼠坐骨神经修复的影响等 为了能给受损神经提供营养 近年来多孔 高渗透性的神经导管 研究受到了重视 然而对大鼠坐骨神经缺损的修复长度一般还只有 6 r a m 最多也没有超过1 0 m m 许多研究表明 对于神经再生 其中 基质桥的形成和神经营养因子 神经生长因子等的促进作用是至关重 要的 要使断伤神经长过更长的间距 并且再生神经的形貌接近正常 神经 单靠改进导管本身的设计远不能满足要求 因为神经的再生需 要营养物质 而当断伤超过一定间距时 营养物质供应缺乏 导致远 端和近端不能重新连接 目前研究的解决方法有 1 填充神经生长因 子 a 导管中加载导线 引导神经再生 b 导线上加载神经营养因 子 促进神经再生 c 导管中填充神经生长因子促进神经再生 2 加入血旺细胞 雪旺细胞是轴突延伸的基础 而且可以源源不断地分 泌各种神经趋化和神经营养因子 前者更适于产业化 因为不需进行 细胞培养 所需时间短 同时人们的研究也有 些新的发现 例如研究发现利用高强度的 磁场可以形成线性排列的胶原凝胶 并且证实能够有效地促进神经再 生 国外也有人研究发现 神经导管壁由两层不同材料组成 内层 是具有渗透性的生物薄膜 外层为多孔的可吸收材料支持层 此导管 能起对神经再生良好的支持 趋化作用 有利于营养物质的交换 保 持类似神经外膜的性能 9 编织型神经再生导管的研制及性能研究 总的说来 由于神经导管材料的降解性能和力学性能尚不能与神 经的修复速度相匹配 神经导管的结构还影响着营养物质的供给 神 经导管材料的生物相容性也不能满足要求等问题 使至今用神经导管 进行缺损神经的修复还未能在临床上得到应用 1 3 5 神经再生导管的发展趋势和未来 可生物降解材料支架和神经导管内整合生长因子是组织工程化人 工神经中一个重要课题 一些生长因子 如神经胶质生长因子 既可 诱导雪旺细胞分裂增殖 又可支持和促进神经再生 如能使这些生长 因子在神经导管内逐步释放 可望对种植的雪旺细胞增殖和神经再生 发挥重要作用 但是 目前还缺乏有效的手段检测种植的神经营养因 子的释放过程 对生物材料与神经营养因子的整合技术尚待研究 尽管目前p g a p l a v i c r y l 等生物纤维在体内具有良好的生物相 容性 不引起明显的局部炎症反应 但是 如何通过材料表面化学修 饰的方法 可促进种植的雪旺细胞在生物材料表面生长 繁殖 并中 和生物材料在降解过程中释放的酸性代谢物 使之对雪旺细胞的不良 影响降低到最低限度需要进一步的研究 此外 雪旺细胞在生物纤维 上的长期存活和功能表达尚待研究 神经导管内的血管的长入 可为种植的雪旺细胞和再生神经提供 充足的营养 从而加快神经再生 延长神经的再生距离 管内植入血 管或加入血管内皮细胞生长因子 可望促进神经导管的血管化 对于 神经导管的最佳孔隙率 神经导管的厚度 口径 神经导管的降解速 度与神经再生同步 生物材料的标准化等问题尚需作进一步的研究 7 第四节本课题的研究内容 本课题主要针对目前再生导管在应用中出现的缺陷 尝试从再生 导管的编织 后整理等方面进一步进行研制 对神经再生导管的某些 性能进行相应的测试 并进行动物实验 尝试研制能满足实际应用需 要的神经再生导管 1 再生导管的编织 采用的原料 a 粗 细纱线b 编织线 1 0 塑堡型塑丝墨竺呈篁塑堑型墨竺 塞 导管的结构 a 普通编织结构的导管b 通过加筋进行加固的导 管c 添加缝线芯的导管d 编织线编织的导管 通过原料 结构不同的再生导管的性能对比 寻求能满足不塌陷等 要求的最佳型再生导管 2 再生导管的后整理 涂层 a 涂层剂 般采用甲壳素涂层 b 涂层厚度 通过多利 不同涂层量导管性能的对比 寻求较好的涂层用量 定型 a 温度b 时间c 张力 3 性能测试 物理机械性能 厚度 密度 拉伸强度 应力应变 硬挺度 孔 隙率 体外降解性能 在无菌室环境下进行降解实验 考察神经导管的 降解特性以及环境条件对降解过程的影响 动物实验 和第一人民医院合作进行动物实验 考察编织型神经 再生导管对动物神经的修复效果 第五节本课题的研究意义 神经系统是人体中最重要的器官 对于周围神经长距离 2 一l o o m 损伤的病人 勉强进行缝合手术会出现张力 妨碍神经再生 临床上 常选择自体移植 但是可供移植的神经来源毕竟很有限 还会造成供 体的部分功能丧失 还存在可修复的长度受限 可能形成神经瘤等问 题 同时自体移植给病人带来很大痛苦 因此 周围神经长距离损 伤 断裂迫切需要一种可用外科手术方法植入的神经再生导管 从而 使得受损伤神经可沿导管再生 恢复 达到神经正确吻合的临床效果 组织工程的飞速发展也带动了很多学科的发展 如材料科学 工程 科学 由于纺织方法易于加工与人体心血管 神经管相似的管道 因 此组织工程的发展也扩大了纺织的应用范围 但是这种合作还远远不 够 追溯人们研究神经再生导管的历史也有将近一个世纪的时间 然 而到目前为止导管的制备还使用比较简陋的方法 加工质量及质量的 重复性上还存在一定的差距 在众多的神经导管的制作方法中 很少 编织型神经再生导管的研制及性能研究 有人采用编织或针织的方法 针织的圆机可以编织内径几个毫米到几 米的圆筒织物 而且线圈结构很均匀 密度也很容易调节 编织机也 是如此 但是编织的织物比针织结构的织物表面更光滑 更均匀 密 度的调节范围很广 而且编织物的编织范围非常广 可以编织内径小 于l m m 的织物 织物横危的弹性也比针织物好 在我国每年有二十万人由于各种原因导致周围神经受损 但是目前 仍没有很好的办法来弥补或替代自体神经移植 本课题的目的是想寻 求一种用编织机制作的可降解性人造神经导管 得以实现 1 良好的 塑型性 2 操作简便 3 在神经再生过程中能维持形状不塌陷 再 生完成后能降解 4 管壁有一定的通透性 以利于神经营养因子的输 送和代谢产物的交换 促进神经的生长 经过大量的调查表明 目前国内外尚没有同类产品问世 美国f d a 认证批准可用p g a 制成一种神经导管进入临床试验和应用 并已做了 13 5 例临床应用 其基本原理是导管内充胶 导管内的胶降解速度比较 快 并能起到引导神经生长的作用 日本 欧洲的一些国家正在加强 这方面的研究 因此 研究神经再生导管具有十分重要的意义 因为 我国有那么多的病人 如果能自行研制成功 不但能解决病人的痛苦 还能节约一大部分进口的费用 同时在一定程度上标志这一领域的重 大发展 第二章编织型神经再生导管的制作 目前国际上制作神经再生导管的方法多种多样 编织型神经导管 是目前比较新颖的制作方法 正处于技术完善阶段 第一节制作神经再生导管的原料 作为组织工程用的生物材料 一般必须具有以下性能 1 生物可降解性 材料应适时地在体内降解和被机体吸收 作为 组织工程支架应该提供暂时的力学支撑 希望材料初期强度高 逐渐 降解 相应地将力学载荷转移至新组织 材料的降解速度和代谢吸收 速度应与神经再生修复的速度相匹配 且保持组织取代物强度恒定 从而保证在神经修复前保持应有的形状和强度 而在神经修复后能被 1 2 编织型神经再生导管的研制及性能研究 及时地代谢吸收 以避免神经产生异物反应和再需要二次手术将其取 出 对生物降解材料的降解速率应实施控制 这有利于体外和体内降 解特性与影响因素的研究 不同材料的调控方法见下表 表1生物降解材料降解特性调控 设计依据内容 降解特性水解或 和酶促降解位点 机理和动力 学 降解速率高分子材料的大分子链结构 分子量 影响因素端基 多分散性 聚集态结构 结晶 度 相行为 组织工程支架类型 大 小 形状和孔隙率特性 降解环境 p h 离子浓度 介质缓冲特性 温度 应 力等 体内环境与脂质或其它生物分子是聚合物增塑的 降解的关系柔性增大效应 酶加速效应 细胞活 性 巨噬细胞吞噬及其诱发自由基和 p h 变化 2 良好的生物相容性和细胞亲和性 材料生物相容性的传统概念 是指材料为惰性的 不会引起宿主强烈的免疫排斥 炎症和毒性反应 随着对材料一生物体相互作用机理研究的深入 这一概念已发展到材 料是具有生物活性的 可诱导宿主的有利反应 比如可诱导宿主组织 的再生等 3 一定的力学性能和可消毒性 材料要有一定的强度和弹性 以 保证编织的顺利进行以及新生组织良好再生之前导管能承受体内压力 等外力 生物可降解材料的加工性也是一个应考虑的因素 因为某些 器官和组织的形状对材料的生物活性或功能有一定的影响 材料可构 成三维空间结构为细胞提供营养 气体交换和生长代谢的场所 可根 据组织 器官缺损的情况进行塑型 此外 材料的表面化学特性和表面微结构应有利于细胞的粘附和 编织型神经再生导管的研制及性能研究 生长 2 1 1 几种常用的可生物降解材料 随着组织工程的发展 对组织工程材料的要求也越来越高 而生 物可降解材料是组织工程材料中目前研究较多的一类材料 它是一类 生物相容性好 植入人体后能发生降解 变成小分子物质被吸收或通 过新陈代谢排出体外的材料 它们的降解方式主要有两种 一类是通 过非酶性的单纯水解降解 另一类是通过酶 细胞的降解作用发生降 解的环境降解材料 可生物降解材料有天然材料与合成材料两种 天 然材料在自然界中一定能被微生物的酶降解 参与自然界的生物循环 但是随着近几十年化学工业的飞速发展 新型功能性合成材料不断出 现 并迅速在医学上获得有效应用