PDO膽管覆膜支架的制備及其壓縮性能

劉延輝,陳　媛，張佩華

(東華大學 a. 紡織面料技術教育部重點實驗室；b. 紡織學院，上海 201620)

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PDO膽管覆膜支架的制備及其壓縮性能

劉延輝a, b,陳媛a, b，張佩華a, b

(東華大學 a. 紡織面料技術教育部重點實驗室；b. 紡織學院，上海 201620)

摘要：采用3種不同直徑的聚對二氧環(huán)己酮(PDO)單絲為原料，利用手工編織方法制備12種不同編織密度的膽管支架，通過靜電紡覆膜方法分別對PDO膽管支架和臨床用MTN-DA型鎳鈦合金膽管支架進行覆膜，獲得PDO膽管覆膜支架以及MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架，并通過試驗探討了其壓縮性能.試驗結果表明：PDO膽管覆膜支架的壓縮力隨著單絲直徑和編織頭數(shù)的增大而增大；彈性回復率隨支架編織頭數(shù)的增大而增大，PDO單絲直徑顯著影響PDO膽管覆膜支架的彈性回復率；單絲直徑為0.29mm的12頭PDO膽管覆膜支架，單絲直徑為0.36mm的8、10和12頭的PDO膽管覆膜支架的最大壓縮力均大于MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架.

關鍵詞：膽管支架； 靜電紡； 聚對二氧環(huán)己酮(PDO)； MTN-DA型鎳鈦合金膽管支架； 壓縮性能

良性膽管狹窄是膽管外科中比較常見的病變和并發(fā)癥，膽管手術后瘢痕狹窄、反復膽管炎導致的炎性狹窄是膽管良性纖維性狹窄的常見臨床疾病，具有較高的發(fā)病率[1].

目前良性膽管狹窄的治療方式包括：外科手術、經(jīng)皮膽管穿刺引流和經(jīng)內鏡治療. 經(jīng)內鏡治療方式以其治療的有效性高和創(chuàng)傷小的特點被廣大患者接受，也使膽管支架治療膽管狹窄更加容易實施.膽管支架的設計經(jīng)歷了裸支架、半覆膜金屬和全覆膜支架的發(fā)展歷程. 文獻[2]首次成功采用經(jīng)皮經(jīng)肝膽道引流術減黃，開始了引流管、內涵管和金屬支架的臨床應用. 文獻[3]報道了將金屬內支架引入膽道狹窄治療中. 文獻[4]最先發(fā)明了主動膨脹的自膨式金屬支架，隨后各國學者爭相研究覆膜支架的臨床應用. 文獻[5]在一項79例膽管狹窄患者的研究中，進行了支架表面部分覆膜的半覆膜自膨式金屬支架放置，在支架植入術后隨訪4個月，治療狹窄的成功率達到了90%.文獻[6]報道了用半覆膜自膨式金屬支架對原位肝移植術后吻合口狹窄的治療. 文獻[7]在一項22例患者的研究中，證實了肝移植術后吻合口狹窄病例放置與取出半覆膜自膨式金屬支架的價值. 由于半覆膜自膨式金屬支架在治療過程中容易產(chǎn)生組織增生的缺點，膽管支架表面全部覆膜的全覆膜式金屬支架設計應運而生. 文獻[8]證實了全覆膜式金屬支架在治療原位肝移植術后吻合口狹窄中避免組織增生的效果，且在后期隨訪的6～12月，支架通暢率為87.5%～95.5%.文獻[9]報道了有固定側翼的全覆膜金屬支架在引流效果和并發(fā)癥方面的治療情況，支架留置的中位時間為3.3月，成功率達到83%，但由于固定側翼的存在，在支架取出后會出現(xiàn)膽管損傷.

塑料支架和金屬支架需在內鏡下反復取出調整或永久停留成身體異物，使成本和風險增加.生物可降解高分子膽管支架憑借其良好的生物相容性和可控的降解性能，以及與傳統(tǒng)支架相當?shù)牧W性能等特點，成為國內外專家研究的熱點.生物可降解高分子材料聚對二氧環(huán)己酮(PDO)具有良好的生物相容性和安全性且降解速率可控等特點[10]，已被美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)認證可用于人體[11]. 文獻[12]評估了PDO材質生物可降解膽管支架應用良好的安全性和可行性.聚己內酯(PCL)具有良好生物相容性和降解性能，被廣泛應用于靜電紡[13]. 本文利用PDO單絲制備膽管支架，采用PCL通過靜電紡覆膜方法對PDO膽管支架和目前臨床上使用的MTN-DA型鎳鈦合金膽管支架覆膜，對比分析兩種膽管覆膜支架的壓縮性能，為PDO膽管覆膜支架的開發(fā)提供依據(jù).

1試驗部分

1.1膽管支架用材料

(1) 膽管支架用PDO單絲.采用上海天清生物材料有限公司提供的3種PDO單絲，其基本性能參數(shù)如表1所示.

表1　PDO單絲基本性能

(2) 靜電紡覆膜用材料.采用靜電紡覆膜方法對PDO膽管支架和MTN-DA型鎳鈦合金膽管支架覆膜.靜電紡材料為具有生物可降解、良好的生物相容性和力學性能的PCL(Mn=80 000, 東華大學材料科學與工程學院提供)，密度為1.14g/cm3，靜電紡用有機溶劑為二甲基甲酰胺(DMF)和二氯甲烷(DCM)的混合溶液(江蘇永華化學科技有限公司提供).

1.2膽管支架的制備

(1) PDO膽管支架的制備.采用手工編織方法制備膽管支架.首先采用一定長度的PDO單絲，利用自制圓柱型銅管模具編織網(wǎng)狀結構支架，支架編織成型后，在75℃的DHG-9035A型電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)環(huán)境中熱定型15min，得到可降解PDO膽管支架(如圖1所示).

圖1　PDO膽管支架軸向形態(tài)圖Fig.1　Fundamental structure feature of PDO biliary stents

(2)商業(yè)用MTN-DA型鎳鈦合金膽管支架.采用臨床常用的MTN-DA型鎳鈦合金膽管支架(南京微創(chuàng)醫(yī)學科技有限公司生產(chǎn))作為對比試樣，如圖2所示.本文研究的不同膽管支架的結構參數(shù)如表2所示.

圖2　MTN-DA型鎳鈦合金膽管支架軸向形態(tài)圖Fig.2　Fundamental structure feature of MTN-DA NiTi metal biliary stents

材質類型試樣編號編織頭數(shù)/頭外徑/mm質量/g內徑/mmPDO膽管支架A168.770.088A288.830.118A3108.900.138A4128.920.168B169.100.138B289.150.168B3109.170.218B4129.210.248C169.430.218C289.520.288C3109.560.348C4129.670.418MTN-DA型鎳鈦合金膽管支架88.720.278

(3) 膽管覆膜支架的制備.采用如圖3所示原理的靜電紡試驗裝置分別對PDO膽管支架和MTN-DA型鎳鈦合金膽管支架進行靜電紡覆膜. 高壓電源的正極與針頭相連，針頭型號為23 G，負極與旋轉接收裝置相連.通過對靜電紡覆膜工藝參數(shù)的探索，選擇PCL溶液的質量濃度為0.18g/mL，DMF的體積分數(shù)為43%，電壓為15kV，針頭與旋轉接收裝置之間的接收距離為20cm，接收時間為2h，接收裝置電機轉速為1 000 r/min.通過上述參數(shù)制備的覆膜膽管支架如圖4所示.

圖3　靜電紡試驗裝置Fig.3　Experimental facility of electrospinning

(a) MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架

(b) PDO膽管覆膜支架

1.3膽管覆膜支架的壓縮性能測試

本文選用YG061型徑向壓縮儀，采用定距離徑向壓縮法測試膽管覆膜支架的壓縮性能.將膽管覆膜支架試樣放置到測試平臺上，選取直徑為20mm 的圓柱壓腳，壓縮速度設定為20mm/min，壓縮最大距離設定為支架外管徑的50%.壓腳以恒定速度向下壓縮，壓縮到最大距離時，讀數(shù)即為徑向壓縮力的數(shù)值[14].在最大壓縮距離位置時，壓腳停置5s后，以原速回復，直至初始距離.測試指標為壓縮力.

彈性回復率是表征試樣在壓縮完成后，壓縮變形恢復能力的指標，其計算式為

(1)

2結果與分析

2.1兩種膽管覆膜支架的壓縮回復曲線分析

通過對PDO膽管覆膜支架和MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架進行壓縮測試，得到壓縮回復曲線如圖5所示. 由圖5可知，在試樣壓縮過程的初始階段，壓縮力隨著壓縮距離的增大呈正相關線性變化.這主要是因為壓腳接觸到試樣開始壓縮后，由PDO覆膜膽管支架中的PDO單絲和MTN-DA型鎳鈦合金單絲在受力.隨著壓縮距離的進一步加大，壓縮力的上升速率開始變小.當壓縮到設定距離時，壓腳停置5s，由于壓力松弛現(xiàn)象，壓縮力有所下降.在壓縮回復階段，在剛開始回復時，回復速率較大，主要是由于單絲彎曲回復所致.隨著壓縮距離的減小，壓縮力也隨之減小，但壓縮力變?yōu)榱銜r，支架沒有回復原狀，表現(xiàn)為一定的塑性變形現(xiàn)象.比較PDO膽管覆膜支架和MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架的壓縮回復曲線可以看出，兩者在壓縮回復過程的變化趨勢基本相同，壓縮回復完成后，都表現(xiàn)出一定程度的塑性變形；壓縮距離為PDO膽管覆膜支架直徑50%時，PDO膽管覆膜支架的最大壓縮力大于MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架的最大壓縮力，這主要是由于PDO單絲直徑比MTN-DA型鎳鈦合金單絲大.

圖5　PDO膽管覆膜支架與MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架壓縮回復曲線圖Fig.5　Compression-recovery curve of fully covered PDO biliary stent and MTN-DA NiTi metal biliary stent

2.2編織頭數(shù)對PDO膽管覆膜支架壓縮力的影響

對3種單絲直徑且不同編織頭數(shù)的PDO膽管覆膜支架和MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架分別進行壓縮測試，編織頭數(shù)對覆膜支架壓縮力的影響規(guī)律如圖6所示. 從圖6可以看出，同種直徑不同編織頭數(shù)的PDO膽管覆膜支架的最大壓縮力均隨編織頭數(shù)的增大而增大. 針對PDO膽管覆膜支架與MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架的最大壓縮力進行比較可知，單絲直徑為0.23mm時，4種編織頭數(shù)的PDO膽管覆膜支架的最大壓縮力值均相對較小(圖6(a))；單絲直徑為0.29 mm時，12頭PDO膽管覆膜支架的最大壓縮力值要較大一些，其他編織頭數(shù)的PDO膽管覆膜支架均小于MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架(圖6(b))；由圖6(c) 看出，單絲直徑為0.36mm的PDO覆膜支架中，只有6頭膽管覆膜支架的最大壓縮力小于MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架最大壓縮力值，其他3種編織頭數(shù)的覆膜支架的最大壓縮力均大于MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架最大壓縮力值.

(a) 0.23 mm PDO膽管覆膜支架

(b) 0.29 mm PDO膽管覆膜支架

(c) 0.36 mm PDO膽管覆膜支架

Fig.6Comparison of compression force curves of fully covered PDO biliary stent and MTN-DA NiTi metal biliary stent

2.3PDO單絲直徑對PDO膽管覆膜支架壓縮力的影響

通過壓縮測試得出PDO單絲直徑對膽管覆膜支架壓縮力的影響如圖7所示. 由圖7看出，4種編織頭數(shù)的PDO膽管覆膜支架的壓縮性能隨著單絲直徑的變化趨勢是相同的，即隨著PDO單絲直徑的增大，支架的最大壓縮力也增大，PDO膽管覆膜支架在壓縮距離最大時壓縮力也是最大的. 但與MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架的最大壓縮力進行比較，同種編織頭數(shù)不同單絲直徑的PDO膽管覆膜支架的最大壓縮力表現(xiàn)出不同的特點，在6頭PDO膽管覆膜支架中(如圖7(a)所示)，其最大壓縮力均小于MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架的最大壓縮力. 在8頭和10頭PDO膽管覆膜支架中(如圖7(b)和7(c)所示)，僅單絲直徑0.36mm的PDO膽管覆膜支架的最大壓縮力大于MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架.在12頭PDO膽管覆膜支架中(如圖7(d)所示)，單絲直徑0.29和0.36mm的PDO膽管覆膜支架最大壓縮力大于MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架，單絲直徑0.23mm的PDO膽管覆膜支架小于MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架.

(a) 6頭PDO膽管覆膜支架

(b) 8頭PDO膽管覆膜支架

(c) 10頭PDO膽管覆膜支架

(d) 12頭PDO膽管覆膜支架

2.4彈性回復率

通過壓縮測試，得出PDO單絲直徑和支架編織頭數(shù)對膽管覆膜支架彈性回復率的影響如圖8所示. 從圖8可以看出，PDO膽管覆膜支架的彈性回復率隨著支架編織頭數(shù)的增大而增大. PDO膽管覆膜支架單絲直徑對彈性回復率的影響沒有一定規(guī)律，但不同單絲直徑的支架擁有不同的彈性回復率.對于同樣編織頭數(shù)的PDO膽管覆膜支架，由于支架外層的靜電紡薄膜會承擔一定的載荷，使單絲承載的載荷減少，在壓縮過程中主要是單絲之間的摩擦阻力起主要作用，所以體現(xiàn)支架編織密度的編織頭數(shù)對支架彈性回復率影響比較有規(guī)律.與MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架彈性回復率相比較，10和12頭的0.23mm PDO膽管覆膜支架的彈性回復率較大一些，0.29和0.36mm的PDO膽管覆膜支架中10和12頭PDO膽管覆膜支架與MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架彈性回復率比較接近.

圖8　單絲直徑與編織頭數(shù)對試樣彈性回復率的影響Fig.8　Effect of diameter and braid-pin number on elastic recovery of the samples

3結語

本文通過對PDO膽管覆膜支架和MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架制備,并對其進行徑向壓縮測試，得到以下結論.

(1) PDO膽管覆膜支架和MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架的壓縮回復曲線趨勢相似，說明在壓縮過程中承擔壓縮載荷時，它們有相似的變形機理.

(2) PDO單絲直徑和支架編織頭數(shù)對PDO膽管覆膜支架壓縮力的影響是一樣的，支架最大壓縮力隨著單絲直徑和編織頭數(shù)的增大而增大.與MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架的最大壓縮力進行比較可知，單絲直徑為0.29mm的12頭PDO膽管覆膜支架，以及單絲直徑為0.36mm的8、10和12頭的PDO膽管覆膜支架的最大壓縮力大于MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架的最大壓縮力.

(3) PDO膽管覆膜支架的彈性回復率隨著支架編織頭數(shù)的增大而增大，支架單絲直徑對彈性回復率的影響沒有一定規(guī)律，但有顯著影響.與MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架彈性回復率相比較，10和12頭的0.23mmPDO膽管覆膜支架的彈性回復率較大一些，0.29和0.36mm的PDO膽管覆膜支架中10和12頭膽管覆膜支架與MTN-DA型鎳鈦合金膽管覆膜支架彈性回復率比較接近.

參考文獻

[1] 黃子明,張洪義.良性膽管狹窄的病因及治療的進展[J].中國現(xiàn)代普通外科進展,2011,11(4): 547-550.

[2] MOLNAR W, STOCKUM A E. Relief of obstructive jaundice through percutaneous transhepatic catheter: A new therapeutic method [J]. Am J Roentgenol, 1974, 122(2): 356-367.

[3] 王小林.膽道支架的進展與開發(fā)[J].介入放射學雜志，1998,7(3)：129-130.

[4] SAITO H, SAKURAI Y, TAKAMURA A, et al. Biliary endoprosthesis using Gore-Tex covered expandable metallic stents: Preliminary clinical evaluation[J]. Nippon Acta Radiologica, 1994, 54(2) : 180-182.

[5] KAHALEH M, BEHM B, CLARKE B W, et al. Temporary placement of covered self-expandable metal stents in benign biliary strictures: A new paradigm? (with video) [J]. Gastrointest Endosc, 2008, 67(3): 446-454.

[6] HAAPAMAKI C, UDD M, HALTTUNEN J, et al. Endoscopic treatment of anastomotic biliary complications after liver transplantantion using removable, covered, self-expandable metallic stents [J]. Scand J Gastroenterol, 2012, 47(1): 116-121.

[7] CHAPUT U, SCATTON O, BICHARD P, et al. Temporary placement of partially covered self-expandable metal stents for anastomatic biliary strictures after liver transplantation: A prospective, multicenter study [J]. Gastrointest Endosc, 2010, 72(6): 1167-1174.

[8] TRAINA M, TARANTINO I, BARRESI L, et al. Efficacy and safety of fully covered self-expandable metallic stents in biliary complications after liver transplantation: A preliminary study [J]. Liver Transpl, 2009, 15(11): 1493-1498.

[9] MAHAJAN A, HO H, SAUER B, et al. Temporary placement of fully covered self-expandable metal stents in benign biliary strictures: Midterm evaluation (with video) [J]. Gastrointest Endosc, 2009, 70(2): 303-309.

[10] ZHAI W Q, ZHEN H Y, XING H C, et al.The in vitro degradation study of two degradable intravascular stents materials[C]// Proceedings of 2011 International Forum Biomedical Textile Materials. Shanghai, China, 2011: 466-469.

[11] DOCOBD F, SACRISTAN P C, FLOR C B, et al. Randomized clinical study of polydioxanone and nylon sutures for laparotomy closure in high-risk patients [J]. Cir Esp, 2006, 79(5): 305-309.

[12] GIOVANNI M, CATERINA M, FABIO M，et al. Biodegradable biliary stent implantation in the treatment of benign bilioplastic-refractory biliary strictures: Preliminary experience[J]. European Radiology, 2013, 23(12): 3304-3310.

[13] 趙丙姣,李遠遠,劉月華. 聚己內酯靜電紡絲支架與人牙周膜干細胞的生物相容性[J]. 臨床空腔醫(yī)學雜志, 2014,30(5): 269-272.

[14] 許慧珺,王聰兒,張佩華. PDO血管內支架的制備及其徑向壓縮性能[J]. 東華大學學報(自然科學版),2014,40(4): 418-423.

文章編號：1671-0444(2016)03-0374-06

收稿日期：2015-05-05

作者簡介：劉延輝(1984—)，男，山東莘縣人，博士研究生，研究方向為人體生物可降解膽管覆膜支架的研制. E-mail: chainliuyanhui1@163.com 張佩華(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail: phzh@dhu.edu.cn

中圖分類號：R 318.08; R 318.11

文獻標志碼：A

Fabrication and Compression Performance of Fully Covered PDO Biliary Stents

LIUYan-huia, b,CHENYuana, b,ZHANGPei-huaa, b

(a. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education;b. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:Twelve kinds of polydioxanone (PDO) biliary stent with different braiding density were fabricated with three different diameters of PDO monofilament by hand-braid. Fully covered PDO biliary stents and MTN-DA NiTi metal biliary stent were produced by electrospinning and their compression performance was investigated. The experimental results show that the compression force of the fully covered PDO biliary stents increases with the growth of both the diameter of the PDO monofilament and braid-pin number of the biliary stents. The elastic recovery increases with the growth of braid-pin number, but is affected dramatically by the diameter of PDO monofilament. The compression force of 12 braid-pins fully covered PDO biliary stents which is fabricated by 0.29 mm PDO monofilament and 8, 10, 12 braid-pins fully covered PDO biliary stents which are fabricated by 0.36 mm PDO monofilament are higher than that of fully covered MTN-DA NiTi metal biliary stent.

Key words:biliary stent; electrospinning; polydioxanone(PDO); MTN-DA NiTi metal biliary stent; compression performance