電紡絲法PLGA可降解輸尿管支架的制備及體外降解研究

王曉慶，張龍，侯宇川，陳岐輝，姜鳳鳴，張海峰，王春喜

（吉林大學(xué)白求恩第一醫(yī)院泌尿外科，長春 130021）

隨著可降解材料在臨床的應(yīng)用，可降解輸尿管支架的研究設(shè)計(jì)受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。本課題組從2000年開始進(jìn)行生物降解材料輸尿管支架的研究，已研制出己內(nèi)酯丙交酯乙交酯三元共聚物、丙交酯乙交酯共聚物、己內(nèi)酯環(huán)氧乙烷共聚物等系列高分子材料輸尿管支架，經(jīng)體內(nèi)、體外試驗(yàn)證明材料降解時(shí)間4～8周，組織相容性良好。研究取得了階段性成果，但仍存在形態(tài)記憶性不良、質(zhì)地較硬、易折斷等弊端，且降解過程中易出現(xiàn)全程多處斷裂，造成一過性輸尿管梗阻［1，2］。本研究采用電紡絲工藝來進(jìn)行可降解輸尿管支架管的加工制作，并評(píng)價(jià)其物理特性及體外降解特性。

1 材料與方法

1.1 材料合成

PLGA（80∶20）的制備：80%L-乳酸水溶液經(jīng)脫水、預(yù)聚合、裂解、重結(jié)晶制成L-丙交酯，采用本體聚合工藝，以辛酸亞錫為催化劑，與乙交酯（聚羥基乙酸）開環(huán)共聚制成PLGA（80∶20），單體L-丙交酯和乙交酯的摩爾比為80/20。同法合成PLGA（70∶30）及 PLGA（50∶50），分子量約為 60 000。

1.2 紡絲液的制備及輸尿管支架管的制備

PLGA紡絲液的制備：用三氯甲烷將PLGA溶解并配成5%的溶液，加入活性物質(zhì)，充分?jǐn)嚢? h，備用。將上述紡絲液注入5 mL玻璃注射器內(nèi)，將注射器固定在紡絲裝置上，電源陽極輸出端與鐵注射器針頭相連。自制接受裝置，將直徑約1.0 mm的鋼絲一端連于可調(diào)速電機(jī)，另一端與陰極輸出端相接，保持鋼絲與地面平行，兩電極間的距離為15 cm。打開靜電發(fā)射器電源，調(diào)節(jié)電壓至30KV，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)至60 r/min，得到納米輸尿管支架管。

1.3 體外降解實(shí)驗(yàn)

體外降解試驗(yàn)中降解液來自健康志愿者尿液。體外降解試驗(yàn)方法：將輸尿管支架管截成長約2 cm小段，每種材料36個(gè)，真空干燥，稱重；分別浸于尿液中并置于恒溫震蕩器內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度至37℃，尿液每日更換一次，按浸泡時(shí)間分別于 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14 周時(shí)取出 3 個(gè)平行樣品，觀察大體形態(tài)后測量殘重率及分子量檢測。殘重率=100%×殘重/初重，重量損失情況，每組取試樣的算術(shù)平均值。

2 結(jié)果

2.1 支架管的表征

2.1.1 支架管大體形態(tài)觀察：肉眼觀察支架管呈白色，長度10～20 cm，內(nèi)徑約1.0 mm，外徑約2.5 mm，質(zhì)地柔軟，具有一定的韌性和記憶性，彎曲后不會(huì)折斷（圖 1a）。

2.1.2 電鏡掃描：電鏡掃描見纖維均勻分布，直徑約在40～1 000 nm之間，網(wǎng)孔直徑約在40～200 μm之間，結(jié)構(gòu)均勻，各種比例的支架的直徑及孔徑的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）（圖 1b、c、d）。

2.2 體外降解性能

2.2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)變化：測試材料原始試件呈純白色，質(zhì)地柔韌；降解初期材料逐漸略吸水膨大，質(zhì)地變硬，真空干燥后觀察材料形狀無明顯變化；降解中期材料表面有部分小塊溶蝕剝離，質(zhì)地略軟，此時(shí)材料尚保留原有形態(tài)，體積膨大；后期材料已完全失去原始形態(tài)，崩解為小塊。上述為材料總體大體形態(tài)變化，因各種比例的降解速度不同，各時(shí)相歷時(shí)長短亦不相同，但總體形態(tài)變化趨勢過程同上述。

2.2.2 材料失重率：各種比例材料降解過程中重量損失均呈平穩(wěn)過程。PLGA（50∶50）觀察至第5周時(shí)材料重量損失45%左右，至第6周材料降解為細(xì)小顆粒，無法行重量測定。PLGA（80∶20）至7周時(shí)觀察見材料開始崩解，至8周后已無法進(jìn)行進(jìn)一步檢測；PLGA（70∶30）降解速度相對(duì)較慢，至8周觀察結(jié)束時(shí)材料重量損失40%左右，第10周完全崩解（圖 2）。

2.2.3 分子量變化:材料的體內(nèi)降解過程中分子量變化趨勢與重量損失大體相同，降解早期分子量下降迅速，后期減慢并趨于平穩(wěn)（圖3）。

3 討論

自1978年雙豬尾管或稱雙J管問世以來，大大提高了上尿路手術(shù)的成功率，降低了手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生率。但留置后仍存在需經(jīng)膀胱鏡取出、膀胱輸尿管返流、回縮、移位后需要二次手術(shù)及產(chǎn)生膀胱刺激癥狀等弊端，個(gè)別病例甚至因嚴(yán)重血需提前撤除雙J管［3，4］。為克服上述缺點(diǎn)，許多研究者將目光轉(zhuǎn)向可降解輸尿管支架管的研制領(lǐng)域?？山到廨斈蚬苤Ъ芄苄铦M足以下條件：（1）有良好的生物降解性能；（2）降解后材料碎片不造成輸尿管梗阻；（3）具有良好的組織相容性；（4）具有良好的可塑性和適宜的力學(xué)性能。本課題組已研制出多種高分子材料輸尿管支架，研究取得了階段性成果，但仍存在一些亟待解決的問題：（1）質(zhì)地較硬，記憶性較差，易折斷，導(dǎo)致研制的支架管缺乏內(nèi)固定性能；（2）在降解過程中出現(xiàn)支架管全程多處斷裂，造成一過性輸尿管梗阻。Lingeman等［5］研制的可“溶解”輸尿管支架臨床試驗(yàn)結(jié)果也不理想，一方面支架管自身固定效果不佳，容易早期脫落，造成腎積水乃至尿液外滲，另一方面支架管碎解后部分碎片殘留在腎盂內(nèi)不能降解排出，需要后續(xù)體外沖擊波治療。Boris等［6，7］研制了系列Uriprene可降解輸尿管支架，其降解時(shí)間控制不理想，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)觀察到支架管降解過程中出現(xiàn)碎裂并造成一過性梗阻現(xiàn)象，另有部分支架管表面結(jié)石形成。為解決上述問題，本研究采以不同比例的聚乳酸-羥基乙酸共聚物為研究對(duì)象，采用電紡絲工藝進(jìn)行輸尿管支架管的加工制作，進(jìn)而改善支架管的相關(guān)性能。

電紡絲技術(shù)聚合物熔體或溶液在高壓靜電作用下，利用電場力克服聚合物溶液表面張力形成一股帶電的噴射流，溶劑揮發(fā)，納米級(jí)纖維無序地排列在收集板上，形成類似無紡布纖維膜。PLGA是組織工程領(lǐng)域常用的聚合物材料，是第一批被美國FDA批準(zhǔn)的用于臨床的生物可降解材料，它具有良好的生物相容性和生物可降解性，且無嚴(yán)重毒性作用，被廣泛應(yīng)用于組織工程研究中［8，9］。PLGA的玻璃化溫度約40°C～60°C，故37°C時(shí)易表現(xiàn)為質(zhì)地相對(duì)較硬、脆，易折斷。所以以往使用熔融狀態(tài)下擠管生產(chǎn)的輸尿管支架管易折斷，折斷后堵塞輸尿管，造成梗阻。本研究使用電紡絲工藝制作的支架管質(zhì)地柔軟，具備一定的韌性和抗?fàn)坷芰Φ奶攸c(diǎn)，且具備足夠的支撐作用，不易被機(jī)械力所折斷，完全滿足降解輸尿管支架管所需要的可塑性和力學(xué)性能。電紡絲技術(shù)得到的輸尿管支架管管壁呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維直徑約在200～1 500 nm之間，網(wǎng)孔直徑約在40～200 μm之間，尿液中的各種分子可自由通過管壁。因此，理論上即使支架管在降解過程中斷裂、管腔堵塞，尿液仍可通過管壁進(jìn)入膀胱內(nèi)，不會(huì)造成梗阻，但需經(jīng)下一步動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

PLGA的降解機(jī)制是水解機(jī)制，即在水的存在下其酯鍵發(fā)生水解作用，產(chǎn)生乳酸和羥基乙酸單體，這2種物質(zhì)是生理?xiàng)l件下體內(nèi)多種代謝途徑的副產(chǎn)物，參與到體內(nèi)的三羧酸循環(huán)，最終以二氧化碳和有機(jī)酸的形式排出體外［10］。降解過程中PLGA由不溶于水的固體變成水溶性物質(zhì)，分子量會(huì)迅速降低，失去原有的力學(xué)強(qiáng)度，整體結(jié)構(gòu)被破壞，體積變小。當(dāng)分子量小到可溶于水的極限時(shí)，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和失重。PLGA聚合物的降解率與各種單體的比例有關(guān)，多個(gè)研究表明50∶50比例的PLGA降解最快，其他無論哪種單體比例降解速度均低于50∶50［11，12］。本研究主要通過材料的失重率及分子量的變化來評(píng)價(jià)其降解速率。通過對(duì)殘重率的觀察我們可以看到各種比例的PLGA材料的降解的殘重率曲線近乎成線性，其中50∶50比例的PLGA降解最快，約至第6周材料崩解，而70∶30比例的PLGA降解最慢，在10周左右崩解，80∶20降解速率介于2者之間，降解時(shí)間約需8周。趙莉等［12］認(rèn)為PGA和PLA均為結(jié)晶狀聚合物，當(dāng)2種單體無規(guī)共聚后破壞了原均聚物的分子規(guī)整性，結(jié)晶度大大降低乃至完全失去結(jié)晶性。50∶50比例的PLGA聚合物達(dá)到最大限度的無規(guī)結(jié)構(gòu)，水分子滲透快，因此降解速度要比其他比例的PLGA聚合物快得多。本研究中，PLGA（50∶50）及 PLGA（80∶20）的降解時(shí)間均可滿足了輸尿管支架管對(duì)降解時(shí)間的要求，是較為理想的材料。由于本研究體內(nèi)降解部分正在進(jìn)行之中，各種材料在體內(nèi)降解是否與體外降解情況一致需進(jìn)一步證實(shí)。

［1］侯宇川，王春喜，陳學(xué)思.新型生物降解材料輸尿管支架的生物相容性研究［J］.中華實(shí)驗(yàn)外科雜志，2006，23（5）：571-572.

［2］王春喜，侯宇川，陳學(xué)思.漏斗形生物降解材料輸尿管支架的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究［J］.中華泌尿外科雜志，2006，27（11），738-741.

［3］Meeks JJ，Helfand BT，Thaxton CS，et al.Retrieval of migrated ureteral stents by coaxial cannulation with a flexible ureteroscope and paired helical basket［J］.J Endourol，2008，22（5）：927-929.

［4］Vega Vega A，García Alonso D，García Alonso CJ.Characterization of urinary tract symptoms and quality of life in patients with double-pigtailed ureteral stents［J］.Actas Urol Esp，2007，31（7）：738-742.

［5］Lingeman JE，Preminger GM，Berger Y，et al.Use of a temporary ureteral drainage stent after uncomplicated ureteroscopy：results from a phase II clinical trial［J］.J Urol.2003，169（5）：1682-1688.

［6］Boris AH，Ryan FP，Ladan F，et al.Investigation of a novel degradable ureteral stent in a porcine model［J］.J Urol，2008，180（3）：1161-1166.

［7］Ben HC，Dirk L，Ryan FP，et al.Next generation biodegradable ureteral stent in a Yucatan pig model［J］.J Urol，2010，183（2）：765-771.

［8］Klose D，Laprais M，Leroux V，et al.Fenofibrate-loaded PLGA microparticles：effects on ischemic stroke［J］.Eur J Pharm Sci，2009，37（1）：43-52.

［9］Iverson N，Plourde N，Chnari E，et al.Convergence of nanotechnology and cardiovascular medicine：progress and emerging prospects［J］.BioDrugs，2008，22（1）：1-10.

［10］Jain RA.The manufacturing techniques of various drug loaded biodegradable poly（lactide-co-glycolide）（PLGA）devices［J］.Biomaterials，2000，21（23）：2475-2490.

［11］Athanasiou K A，Niederauer G G，Agrawal C M.Sterilization，toxicity，biocompatibility and clinical applications of polylactic acid/polyglycolic acid copolymers［J］.Biomaterials，1996，17（2）：93-102.

［12］趙莉，何晨光，高永娟，等.PLGA的不同組成對(duì)支架材料性能的影響研究［J］.中國生物工程雜志，2008，28（5）：22-28.