一种具有稳定信号传导功能的膜材料、心肌补片及其制备方法与流程

1.本发明属于组织工程学技术领域，涉及一种心肌组织工程材料，具体涉及一种具有稳定信号传导功能的膜材料、心肌补片及其制备方法。


背景技术：

2.心肌梗死(myocardial infarction，mi)是全球居首位的致残性和致死性疾病，是冠状动脉阻塞的结果，是目前心血管疾病主要的致命原因之一。心肌梗死严重危害人们的身体健康和生命安全，在治疗心血管疾病研究领域中，心肌组织缺乏自我修复能力是当前面临的挑战之一。目前治疗心肌梗死的方法有药物治疗、介入治疗、溶栓治疗、冠状动脉搭桥手术、中医治疗等。这些传统的治疗方法均难以修复受损的心肌组织，无法使坏死和纤维化的心肌恢复正常，因此提高传统治疗方法的疗效并寻找新的治疗策略势在必行。
3.组织工程学是一门细胞生物学和材料学相结合，在体外或体内构建组织或器官的新兴学科。心肌组织工程(cardiac tissue engineering)的兴起与快速发展，使其逐渐成为修复mi的研究重点，其目标是构建组织工程化心肌组织，以修复或替换受损心肌。心肌组织工程是修复受损心肌组织的重要潜在途径，组织工程材料可用于干细胞(骨髓间充质干细胞、胚胎干细胞等)、生长因子(vegf、il-7等)的递送以及模拟细胞外基质。该领域的主要研究包括支架材料、干细胞及生长因子等递送修复心肌，目前已取得显著进展。
4.由于心肌细胞对缺血敏感并且具有收缩性，这就要考虑材料的导电性、弹性、可拉伸性、力学稳定性以及湿态稳定性等。心肌组织工程材料是能为细胞或组织生长提供适宜环境、具有特殊功能、用于机体组织修复和再生的材料，主要分为天然材料和人工合成材料。天然材料包括胶原蛋白、壳聚糖、海藻酸钠和透明质酸等。人工合成材料主要有聚酯、聚乳酸(pla)以及聚乳酸－羟基乙酸共聚物(plga)等，其主要的优点是化学特性稳定、可控性强、机械和形状设计精确等，缺点是降解产物可能会引起机体炎症反应、降解缓慢等。随着技术的飞快发展，材料逐渐实现从毫米级、微米级到纳米级的跨越(即纳米材料)，达到优化材料的目的。心肌补片既要有导电性、高弹性，还需要良好的生物相容性和生物降解性，能够为心室提供适当的机械支撑。心肌补片不但要具有优良的性能，而且还要考虑到其在体内外发挥作用的各种因素，需要有一定的机械强力，能够为心室提供支撑，防止心室的进一步扩张，目前存在的问题可能有异体组织排斥反应。其次，当前利用心肌补片治疗心肌梗死的主要问题有导电性能差，易造成电机械信号中断。为了增加心肌补片的导电性，可以将某些金属粒子、石墨烯、碳纳米管等通过静电纺丝技术加入到心肌补片中去。另一个重要的问题是弹性变形不理想，无法提供持续的心肌收缩舒张功能。相比较而言，弹性的生物材料导电性更强，弹性的补片可以为心脏提供合适的机械支持。据报道，心肌梗死后完全的病理重塑大约需要6周，因此心脏补片需要具备良好的生物相容性和生物降解性，应该相对缓慢降解并且可以提供长时间的机械支持。心肌补片因其理论上具备的诸多优势现已成为心肌修复与再生的希望所在。但就临床应用而言，目前的材料尚有许多现实困难有待克服。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种具有稳定信号传导功能的膜材料、心肌补片及其制备方法；本发明的膜材料无论在干态还是湿态下均具有良好且稳定的电信号传导功能，此外还兼具有高弹性，尤其作为心肌补片应用时，可以达到优异的修复效果。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种具有稳定信号传导功能的膜材料，包括以下组分：聚氨酯(pu)、硝酸银(agno3)、氧化石墨烯(go)、甲基泼尼松龙(mp)；所述膜材料是以所述组分按照特定比例混合作为溶质，加入n,n-二甲基甲酰胺(dmf)和四氢呋喃(thf)组成的溶剂中，得到纺丝液，并通过静电纺丝得到的纳米纤维膜。
8.进一步的，所述纺丝液中pu、agno3、go、mp的质量比为500:50:3:50。
9.进一步的，所述的dmf和thf的质量比为1:1。
10.进一步的，所述的膜材料可以作为心肌补片应用于心脏组织工程领域，尤其是当所述膜材料中纳米纤维的直径为0.35-1.1μm，所述膜材料的厚度为0.17-0.20mm时，可以达到很好的修复效果。
11.进一步的，所述纺丝液中溶剂与溶质的质量比为15.6:1。
12.进一步的，所述的纺丝液采用如下方法获得：在dmf和thf的混合液中加入agno3、go和mp，超声完全分散后，再加入pu，加热搅拌使pu完全溶解，得到均匀稳定的纺丝液。更进一步的，所述的加热搅拌温度为60℃搅拌至少3h，所述超声时间至少60min。
13.进一步的，所述的静电纺丝的参数如下：温度40.0℃，湿度23.1％，喷丝距离11cm，供液速度2ml/h，滑台速度15mm/s,滚筒转速300rad/min，电压15kv。
14.本发明加入agno3之后，使得制备的纳米纤维膜导电性良好，电信号平稳波动。再进一步加入go，导电性会进一步增加。使用pu材料，可以增强心肌补片的弹性和力学性能。可以发现制备的心肌补片导电性良好且稳定。在拉伸10％和20％之后，电信号波动会增加，但还是比较均匀稳定。纯pu和加入agno3和go的纳米纤维膜的接触角大于90
°
，纳米纤维膜都是疏水的，而进一步加入mp之后的纳米纤维膜的接触角都小于90
°
，可以得知膜由疏水变得亲水。制备的心肌补片在pbs溶液和dmem培养基中浸泡之后都能够保持稳定，并且不会脱落，可见其粘附性和稳定性都很好。为了得到更进一步的结论，将本发明的心肌补片在pbs溶液中浸泡1天、3天、5天、7天后，测试所得的电信号依旧良好，可见其在湿态环境下，也不会发生失效。将心肌补片贴附在牛心上，可以发现心肌补片会牢牢贴在牛心上，不会发生脱落和破裂，注入和吸出空气，心肌补片可以配合心脏跳动时的舒张收缩活动。再将心肌补片贴在手指、肘窝、手背上，可以发现不同部位对电信号的感应程度不同。将其模仿人类皮肤操控智能手机，也可以很好地用作指纹的解锁。由此可见，本发明中心肌补片材料的应用比较广泛。
15.本发明的有益效果在于：
16.本发明方法工艺简单，本发明探究一种新型的心肌补片，该补片集成了导电性、高弹性、粘附性、湿态稳定性等性能于一体。制备的心肌补片具有良好的导电性，可以有机整合梗死部位与健康心肌组织之间的电信号,改善心肌电传导，调整心律失常。心肌补片具有高弹性，配合心脏的舒张收缩而舒张收缩。在湿态环境下，心肌补片的电信号依旧良好，不
会发生失效。这是一种新的针对治疗心功能受损的治疗方法的探究，将在抑制心肌梗死面积、重建受损心肌细胞、恢复心功能等方面发挥着重要作用。对心肌补片进行发明研究，不仅能为心肌补片的设计和制作提供指导和优化，而且对其临床应用有着重要的参考价值。本发明制备的具有多方面性能的新型心肌补片，为纺织在医学方向上的发展做出了贡献。
附图说明
17.图1是实施例1制备的纳米纤维膜的扫描电镜照片(3500倍)；
18.图2是实施例2制备的纳米纤维膜的扫描电镜照片(3500倍)；
19.图3是实施例2制备的纳米纤维膜的电信号图片(平铺)；
20.图4是实施例3制备的纳米纤维膜的扫描电镜照片(3500倍)；
21.图5是实施例3制备的纳米纤维膜的电信号图片(平铺)；
22.图6是实施例4制备的纳米纤维膜的扫描电镜照片(3500倍)；
23.图7是实施例4制备的纳米纤维膜的电信号图片(平铺)；
24.图8是实施例4制备的纳米纤维膜浸泡在pbs溶液中；
25.图9是实施例4制备的纳米纤维膜浸泡在dmem培养基中；
26.图10是实施例4制备的纳米纤维膜贴附在牛心上的示意图；
27.图11是将实施例4制备的心肌补片贴附的牛心浸泡在pbs溶液中；
28.图12是将实施例4制备的心肌补片贴附的牛心浸泡在dmem培养基中。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例及附图对本发明技术方案做进一步的说明。
30.实施例1：
31.取一个干净的玻璃搅拌瓶，在里面放一颗磁石，用电子天平称取0.5g pu置于dmf/thf(1/1)＝4.8395g中。在数显控温加热搅拌器中60℃搅拌3小时，使得pu完全溶解，最终得到均匀稳定的纺丝液。静电纺丝参数为：温度为40.0℃，湿度为23.1％，喷丝距离为11cm，供液速度为2ml/h，滑台速度为15mm/s,滚筒转速为300rad/min，电压为15kv。将制备的纳米纤维膜在烘箱中，60℃条件下，烘干10min。得到具有弹性的纳米纤维心肌补片，但几乎没有导电性。
32.所制备的心肌补片的平均直径为0.35μm，平均厚度为0.12mm，透气性为737.48mm/s，由于水滴停留在纳米纤维表面，从接触角为101.71
°
，可以知道，该心肌补片是疏水性的。心肌补片的拉伸应力和应变分别为365959pa和216％。
33.实施例2：
34.取一个干净的玻璃搅拌瓶，在里面放一颗磁石，用电子天平称取0.5g聚氨酯(pu)和0.05g硝酸银(agno3)置于dmf/thf(1/1)＝4.7250g中。在数显控温加热搅拌器中60℃搅拌3小时，使得pu和agno3完全溶解，最终得到均匀稳定的纺丝液。静电纺丝参数为：温度为40.0℃，湿度为23.1％，喷丝距离为11cm，供液速度为2ml/h，滑台速度为15mm/s,滚筒转速为300rad/min，电压为15kv。将制备的纳米纤维膜在烘箱中，60℃条件下，烘干10min。
35.所制备的心肌补片的平均直径为1.1μm，平均厚度为0.11mm，透气性为1145.58mm/s，由于水滴停留在纳米纤维表面，从接触角为105.3
°
，可以知道，该心肌补片是疏水性的。
心肌补片的拉伸应力和应变分别为542954pa和140％。
36.实施例3：
37.取一个干净的玻璃搅拌瓶，在里面放一颗磁石，用电子天平称取0.05g硝酸银(agno3)置于dmf/thf(1/1)＝4.7235g中。再称取0.003g的氧化石墨烯(go)，放入超声波清洗器中，超声60min，使得go完全分散在溶液中。然后再加入0.5g的pu，纺丝溶液总质量为10g。在数显控温加热搅拌器中60℃搅拌3小时，使得pu完全溶解，最终得到均匀稳定的纺丝液。静电纺丝参数为：温度为40.0℃，湿度为23.1％，喷丝距离为11cm，供液速度为2ml/h，滑台速度为15mm/s,滚筒转速为300rad/min，电压为15kv。
38.所制备的心肌补片的平均直径为0.83μm，平均厚度为0.14mm，透气性为1424.75mm/s，由于水滴停留在纳米纤维表面，从接触角为98.3
°
，可以知道，该心肌补片是疏水性的。心肌补片的拉伸应力和应变分别为741539pa和124％。
39.实施例4：
40.取一个干净的玻璃搅拌瓶，在里面放一颗磁石，用电子天平称取0.05g硝酸银(agno3)、0.003g氧化石墨烯(go)和0.05g甲基泼尼松龙(mp)置于dmf/thf(1/1)＝4.6985g中，放入超声波清洗器中，超声60min，使得go和mp完全分散在溶液中。然后再加入0.5g的pu，纺丝溶液总质量为10g。在数显控温加热搅拌器中60℃搅拌3小时，使得pu完全溶解，最终得到均匀稳定的纺丝液。静电纺丝参数为：温度为40.0℃，湿度为23.1％，喷丝距离为11cm，供液速度为2ml/h，滑台速度为15mm/s,滚筒转速为300rad/min，电压为15kv。
41.所制备的心肌补片的平均直径为0.71μm，平均厚度为0.19mm，透气性为1358.13mm/s，由于水滴进入在纳米纤维内部，从接触角为58.9
°
，可以知道，该心肌补片是亲水性的。
42.用dm3068数字万用表测试电信号，纳米纤维膜平铺时电压以0.0076mv为节点上下波动，拉伸10％时电压以0.0029mv为节点上下波动，拉伸20％时电压以0.0086mv为节点上下波动，说明电信号在拉伸时依然能保持均匀稳定。用les-g1拉力试验机进行拉伸测试，纳米纤维膜的应力是462139pa，应变是149％。将心肌补片浸泡在pbs溶液和dmem培养基中，都能够保持稳定。
43.采用主要成分为α-氰基丙烯酸正丁酯(化学式为c8h
11
o2)的医用胶将纳米纤维膜贴附到牛心上进行测试，可以观察到心肌补片牢牢地贴附在牛心上，注入和吸出空气，不会发生脱落和破裂，且心肌补片可以配合心脏跳动时的舒张收缩活动。将贴有心肌补片的牛心浸泡在pbs溶液和dmem培养基中，依然能够保持稳定，并且不会脱落或破裂。