本发明属于生物医用材料，涉及一种三维结构的神经导管及其制备方法。
背景技术：
1、周围神经损伤在交通事故、工伤和穿透伤中较为常见，可导致患者行动不便、感觉障碍，甚至瘫痪，严重影响患者的生活质量。周围神经短小的缺损区通过简单端端吻合术即可自我再生，而对于距离大于直径的3～4倍的缺损区，端对端吻合无助于神经纤维的延长和再生。因此，对于较长的缺损区采用神经移植物进行桥接是必不可少的。
2、与神经束的原始结构一致，神经导管设计上较好的物理形式为管状。可根据不同材料的性能，采用低温沉积、静电纺丝、浸出、3d打印、冷冻干燥、气流纺丝技术等不同的制造工艺来制备神经导管。
3、神经导管主要存在两种宏观形貌：中空管状结构及三维结构(外层：中空管状，内层：填充的多孔结构)。对于较大的神经间隙，中空导管的再生能力通常较差。填充物是一种使受损神经更好恢复功能的选择。填充物的多尺度结构如类似ecm的纳米纤维、取向的微结构，会影响轴突生长和雪旺细胞迁移。例如integra life sciences、axogen和synovis等公司所生产的三维结构的神经导管，由导管和多孔结构内基质构成，为损伤后的周围神经修复提供保护环境，隔离和保护神经，并为跨越神经间隙的轴突生长创建通道，有利于促进神经损伤的修复与再生。
4、理想的神经引导通道应具有生物相容性和适宜的降解性、防止瘢痕形成、低免疫原性等特点。天然生物材料(明胶、胶原、壳聚糖和丝素蛋白等)由于其良好的生物相容性和降解性能，常被用于仿生可降解神经导管的设计，但目前所制备的导管，例如：文献1(schwann cell-matrix coated pcl-mwcnt multifunctional nanofibrous scaffoldsfor neural regeneration[j].rsc adv,2023,13(2):1392-401.)记载导管物质组成单一，降解速度恒定，无法以较为合适的降解速率匹配神经损伤的生长。在神经损伤修复过程，导管除了在整个再生期间保持其形状和强度，更应在近端神经端降解较快，在远端降解较慢，从而引导轴突再生朝向远端神经残端后降解。因此，对于神经引导的设计，应该考虑控制材料的降解速率能够沿导管轴向方向进行调节。
5、综上，研究一种在不同区域降解速率不同的三维结构的神经导管及其制备方法，以解决神经导管的降解速率与神经损伤的生长不匹配的问题，具有十分重要的意义。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种三维结构的神经导管及其制备方法。
2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、一种三维结构的神经导管，包括中空导管以及填充在中空导管内部的水凝胶，沿中空导管的轴向，中空导管依次分为a、b、c三个区域，a区域的降解速率＞b区域的降解速率＞c区域的降解速率；
4、中空导管内部填充满水凝胶；沿中空导管的轴向，水凝胶依次分为a、b、c三个区域，a区域的降解速率＞b区域的降解速率＞c区域的降解速率；
5、沿中空导管的轴向，a区域的长度与a区域的长度、b区域的长度与b区域的长度以及c区域的长度与c区域的长度相差均不超过8％；
6、a区域与a区域的降解速率相差不超过6％，b区域与b区域的降解速率相差不超过8％，c区域与c区域的降解速率相差不超过6％。
7、作为优选的技术方案：
8、如上所述的一种三维结构的神经导管，中空导管的厚度为0.3～0.8mm。
9、如上所述的一种三维结构的神经导管，a区域、b区域和c区域的长度之比为1.6～7.5:0.5～1:1.5～7.6。
10、如上所述的一种三维结构的神经导管，中空导管为管状纳米纤维膜，a区域的材质为明胶，b区域的材质为丝素蛋白/明胶复合材料，c区域的材质为丝素蛋白。
11、如上所述的一种三维结构的神经导管，28天的体外降解试验结果为：a区域降解为初始质量的40～47％，b区域降解为初始质量的51～60％，c区域降解为初始质量的83～89％。
12、本发明还提供一种三维结构的神经导管的制备方法，包括如下步骤：
13、(1)将质量比2～8:8～2的明胶与丝素蛋白溶于甲酸中配成纺丝液；
14、(2)将纺丝液置于供液装置中，供液装置两端分别接有电源的正负极，接通电源后，在直流电源正极电压为10～30kv、负极电压为-30～-10kv的电场下处理10～25min，使纺丝液在供液装置中进行重新分配，靠近电源正极的区域为丝素蛋白溶液，靠近电源负极的区域为明胶溶液，中间区域为丝素蛋白和明胶的混合溶液；
15、(3)将步骤(2)重新分配后的纺丝液进行无针静电纺丝，纺丝结束后采用戊二醛的无水乙醇溶液进行交联处理15～30min，交联结束后用水浸泡30～50min，经冻干后制得中空导管；采用无针静电纺具有高效性，其效率要远高于实验室所用的单针静电纺，但为保证每批质量，纺丝过程每隔1.5～2h继续采用温控和电场诱导10～25min，保证每批纺丝液的组分一致；
16、中空导管的制备通过无针静电纺技术实现，考虑到可纺性(溶剂挥发和电场等影响)，因此直接溶于分析纯的甲酸中，以甲酸为溶剂的体系，通过温度控制和电场诱导来实现组分的迁移。温度保证了两物质的流动性。在电场处理的过程中，酸性的环境保证了两物质等电位点具有差异性，为纺丝前的预处理提供了条件(即电场诱导过程)，从而能够实现双组分向正负两端的迁移。同时纯的甲酸保证了溶剂挥发，最终易形成多组分的纳米纤维；
17、(4)将第一前驱液与第二前驱液混合后，保持温度为40～50℃，转移至中空圆柱中，中空圆柱的两端分别接有电源的正负极，接通电源后，在直流电源正极电压为50～150v、负极电压为-50～-150v的电场下处理60～120min，之后冷却至20～25℃形成水凝胶；中空圆柱与中空导管长度相等，且中空圆柱的内径不小于中空导管的外径；第一前驱液是将明胶溶于乙酸的水溶液中得到的，第二前驱液是将丝素蛋白溶于乙酸的水溶液中得到的；第一前驱液中的明胶与第二前驱液中的丝素蛋白的质量比为2～8:8～2；
18、以水凝胶为基础的多孔结构的制备也同样基于等电位点理论，但多孔结构与纳米纤维本身就存在差异性，因此选用不同的工艺制备。内层多孔结构的制备需要保证多孔结构尺寸可调且双组分易发生诱导溶剂体系选择乙酸的水溶液，具有更好的流动性，易诱导双分组分子的迁移；
19、基于溶剂体系的不同，无针静电纺本身具备高效的特点，因此，纺丝液的电场诱导通过高电压和较短的电场诱导时间来实现不同组分的分配，而水凝胶是通过较低的电压和更长的电场处理时间来充分诱导，实现不同组分的迁移，从而最终保证内外层两者组分接近一致；
20、(5)将步骤(4)的水凝胶转移至步骤(3)的中空导管中(具体转移过程为：上述水凝胶在中空圆柱中进行诱导，诱导完成后，中空导管连同中空圆柱轴向垂直置于聚四氟乙烯模具上，而后将中空导管沿着中空圆柱的管壁，自上而下的插入并取出(即中空圆柱的内径不小于中空导管的外径，中空导管沿着中空圆柱的管壁插入后，脱除中空圆柱即可)，得到填充水凝胶的导管；
21、(6)将步骤(5)中填充水凝胶的导管冻干使内部形成多孔结构后置于聚四氟乙烯模具上(模具为厚度较薄的长方体，长和宽为10cm×8cm，厚度为3mm)，用注射器吸取戊二醛的无水乙醇溶液，注射于填充水凝胶的导管内部的多孔结构中，直至多孔结构被完全浸没，进行交联处理15～30min，交联结束后用水浸泡30～50min，去除多余的交联剂，经冻干后脱模制得三维结构的神经导管；
22、静电纺丝技术可用以制备纳米级纤维，纳米级纤维其独特的优势在于能够较好的模拟天然神经外基质微环境，具有较高的比表面积能为细胞提供更多的黏附位点，有利于材料与神经细胞之间的信息传导。传统的静电纺丝技术在制备纳米纤维上效率低，不利于工业化生产。无针静电纺丝技术能够高效制备纳米纤维，提高了纳米纤维产量，加快产业化推广速度；无针头静电纺丝技术已经应用于宏量化生产加工中，并且成功纺织出纳米纤维分布均匀纤维膜，例如中国专利cn 110230107 a通过无针静电纺丝技术制备得到聚乙烯醇(pva)纳米纤维膜，使得产量显著提高。
23、水凝胶是一种常见的生物医用材料，近年来被广泛应用于药物递送、创面愈合、组织工程以及细胞培养等生物医用领域；水凝胶拥有类似于细胞外基质的三维网络结构，使其物理和结构特性在调节细胞的迁移、分化、扩散和增殖等功能中发挥关键作用；同时水凝胶可以在保持完整结构的同时具有较强的溶胀性能，为保持湿润环境和营养物质的传输上提供了理想的条件；
24、研究表明具有50μm尺寸的拓扑结构(即三维结构的神经导管中的水凝胶经过冻干后多孔结构的尺寸)能够促进了轴突的生长和雪旺细胞的迁移。以其为出发点，本发明选用-80℃的预冷冻条件(-80℃的预冻温度决定了多孔结构尺寸的大小)，通过改变明胶和丝素蛋白的浓度，其微米级多孔结构的尺寸可控(即尺寸控制为50±10μm的拓扑结构)。
25、作为优选的技术方案：
26、如上所述的一种三维结构的神经导管的制备方法，步骤(1)中纺丝液的质量浓度为30～45％。
27、如上所述的一种三维结构的神经导管的制备方法，步骤(3)中无针静电纺丝的工艺参数如下：
28、支撑轴的直径为20mm，分布于支撑轴上的螺旋叶片主体段的直径为80mm，厚度为2mm，螺旋叶片的螺距为40mm，二级刮取构件为缠绕螺旋叶片边缘的螺旋丝圈，螺旋丝圈线直径为0.2～2mm，螺旋丝圈的螺距为5mm；
29、纺丝环境湿度为32～45％，正高压为30～90kv，负高压为-5～-20kv，纺丝头旋转速度为5～20r/min；接受设备为柱状接受辊，为了将静电纺所形成的中空导管从柱状接受辊上顺利完整的脱模，柱状接受辊表面经质量分数8％的聚乙烯醇缩丁醛酯(pvb)溶液进行涂层，纺丝过程结束后将柱状接受辊取下，浸泡于无水乙醇中除去pvb涂层，然后进行脱模以及交联等操作；柱状接受辊的直径为2～5mm，转速为80～200r/min，接受距离为10～22cm；柱状接受辊每隔5～15min进行周期性平移，平移距离为5～20mm。
30、如上所述的一种三维结构的神经导管的制备方法，步骤(4)中第一前驱液的质量浓度为5～10％，第二前驱液的质量浓度为5～10％。
31、如上所述的一种三维结构的神经导管的制备方法，步骤(6)中戊二醛的无水乙醇溶液的质量浓度为0.5～2％。
32、发明原理：
33、神经损伤的修复与再生在近端与远端的速率具有差异性，为匹配其生长速率，神经导管在设计时需要满足近端神经端降解较快，在远端降解较慢。以此为出发点本发明构建了一种在不同区域降解速率不同的三维结构的神经导管。
34、为构建神经导管外层(即中空导管)，通过温度和电场诱导时间的控制对纺丝液进行预处理，利用无针静电纺丝技术制得。无针静电纺技术所制备的神经导管外层具有纳米级尺度且同时保证近端远端降解速率的差异，在近端降解速率快，远端降解速度慢，且两者之间的交界处的复合结构起到过渡作用，降解速率适中。
35、为构建双组分的神经导管内层(水凝胶)，利用酸性环境下等电位点不同的两种天然物质，通过电场的吸引和排斥力，诱导两种物质的迁移，在两端形成独立双组分结构的同时，中间形成两者少量的混合溶液。其中，水凝胶的成型过程通过温度和电场诱导时间来控制，避免双组分受温度和电场作用时间的影响而提前凝胶，从而阻碍了双组分分子的迁移。在适宜温度下保证两种物质处于流动相，利用电场诱导，两种物质发生迁移，迁移完成后，利用电场作用下丝素蛋白分子由无规卷曲状态变为β-折叠构象，转变为具有三维网络结构的凝胶，后待电场诱导完成后，通过降温使得迁移后的明胶形成凝胶，最终形成双组分的凝胶结构。
36、静电纺丝技术用以制备纳米纤维的工艺较为成熟，但传统的静电纺丝技术生产效率低，无法进行宏量化的生产。为使得本发明能够在工业化量产上具备潜力，采用无针静电纺丝技术，极大的提高的纳米纤维的生产效率。
37、本发明通过无针静电纺丝技术与水凝胶的制备相结合，得到整体内外降解速率相一致的三维结构(即各区域降解速率，内外保持一致)，在匹配神经损伤生长速率的基础上，通过微/纳米级的结构以及拓扑结构，能有效地引导轴突的生长。
38、有益效果：
39、(1)本发明的一种三维结构的神经导管的制备方法，具有三组分结构的中空导管利用无针静电纺技术得到，生产效率高且工艺简单，为生物医用材料的工业化生产提供现实可能；且将两种现有技术(无针静电纺技术与水凝胶的制备)与等电位点理论相结合，利用电场诱导实现不同组分的重新分配，从而实现了三维结构的神经导管内外层降解速率的高度一致；
40、(2)本发明的一种三维结构的神经导管，其整体由两种降解周期不同的天然材料构成；在近端(即a/a区域)降解较快，在远端(即c/c区域)降解较慢，在两者的交接处为两者的复合结构，降解速率介于两者之间，从而呈现梯度速率降解；引导轴突再生朝向远端神经残端后降解，适应于神经损伤再生与修复的过程，预防神经瘤的产生；
41、(3)本发明的一种三维结构的神经导管，中空导管由三种不同的纳米纤维膜构成，赋予导管纳米级的尺度特征，为细胞提供更多的黏附位点，促进神经损伤的修复与再生；中空导管内部为经诱导形成的水凝胶冻干而形成的多孔结构，赋予导管微米级的多孔取向结构，为损伤后的周围神经修复提供保护性环境，隔离和保护神经，并为跨越神经间隙的轴突生长创建通道；
42、(4)本发明的一种三维结构的神经导管制备方法，有效地解决了现有技术中三维结构神经导管组成单一，降解周期与神经再生不匹配的问题，为神经导管的三维结构设计与构筑提供了一种新的思路与方法。
1.一种三维结构的神经导管，包括中空导管以及填充在中空导管内部的水凝胶，其特征在于：沿中空导管的轴向，中空导管依次分为a、b、c三个区域，a区域的降解速率＞b区域的降解速率＞c区域的降解速率；
2.根据权利要求1所述的一种三维结构的神经导管，其特征在于，中空导管的厚度为0.3～0.8mm。
3.根据权利要求2所述的一种三维结构的神经导管，其特征在于，a区域、b区域和c区域的长度之比为1.6～7.5:0.5～1:1.5～7.6。
4.根据权利要求3所述的一种三维结构的神经导管，其特征在于，中空导管为管状纳米纤维膜，a区域的材质为明胶，b区域的材质为丝素蛋白/明胶复合材料，c区域的材质为丝素蛋白。
5.根据权利要求4所述的一种三维结构的神经导管，其特征在于，28天的体外降解试验结果为：a区域降解为初始质量的40～47％，b区域降解为初始质量的51～60％，c区域降解为初始质量的83～89％。
6.如权利要求4或5所述的一种三维结构的神经导管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种三维结构的神经导管的制备方法，其特征在于，步骤(1)中纺丝液的质量浓度为30～45％。
8.根据权利要求6所述的一种三维结构的神经导管的制备方法，其特征在于，步骤(3)中无针静电纺丝的工艺参数如下：
9.根据权利要求6所述的一种三维结构的神经导管的制备方法，其特征在于，步骤(4)中第一前驱液的质量浓度为5～10％，第二前驱液的质量浓度为5～10％。
10.根据权利要求6所述的一种三维结构的神经导管的制备方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(6)中戊二醛的无水乙醇溶液的质量浓度为0.5～2％。
