一種制備醫(yī)用補片材料的裝置設計

楊利霞，李晶，樊立濤，楊國峰，王云澤，宋靈杰

河北愛能生物科技股份有限公司研發(fā)二部，河北 石家莊 050092

一種制備醫(yī)用補片材料的裝置設計

楊利霞，李晶，樊立濤，楊國峰，王云澤，宋靈杰

河北愛能生物科技股份有限公司研發(fā)二部，河北 石家莊 050092

為了解決由于缺乏先進制備設備，而導致的天然動物源性醫(yī)用補片材料制備水平相對落后這一問題，本公司根據其制備工藝，設計了一臺專業(yè)化的處理設備。該設備適用于不同種類、不同規(guī)格的動物組織膜片，保證對膜片的處理質量，不僅能適應實驗室研發(fā)小試的要求，更能實現產業(yè)化、規(guī)?；?、批量化制備動物源性補片材料的工藝需求。該設備同時具備結構簡單、成本低和使用方便的特點，對動物源性膜材料的處理能力和處理效果成倍提高，對推動醫(yī)用補片材料的生產制備具有積極作用。

醫(yī)用補片材料；補片制備裝置；材料制備；生物材料；動物源材料

引言

臨床上常需要應用不同的材料來修復腹壁缺損及腹壁疝，化學合成材料[1]如聚丙烯、膨化聚四氟乙烯等，因具有良好的生物學惰性、堅韌度和機械張力，在臨床腹壁缺損修補中應用較為廣泛。但隨后發(fā)現這些化學合成材料有很多副作用，比如會導致腸瘺、粘連、順應性下降、慢性疼痛等多種并發(fā)癥[2]，甚至會伴隨著遺傳毒性，導致不孕等[3]，尤其是對老年人、糖尿病、肥胖、免疫功能缺陷患者來說，風險更大[4]，且此類補片不建議用于青少年患者，因其不能隨生長發(fā)育而增大，后期有再次形成腹壁缺損或腹壁疝的可能[5-6]。因此，臨床上急需這種合成材料的替代材料，有研究者[7]提出理想補片應具有以下特性：① 無致癌性；② 穩(wěn)定的理化性質；③ 抗機械疲勞；④ 可消毒性；⑤ 不引起變態(tài)反應或過敏反應；⑥ 無異物反應或排斥反應；⑦ 可塑形性；⑧ 存儲和使用方便。而至今仍未有完全滿足以上條件的材料問世。

20世紀90年代興起的動物源脫細胞補片材料，主要由富含膠原蛋白的細胞外基質組成，具有接近人體筋膜組織的三維網架結構、生物力學性能，且生物相容性良好和免疫原性較小，有利于細胞黏附生長組織再生，促進血管生成[8-9]，并且能夠逐步被自身筋膜組織置換降解，不會形成大量的瘢痕組織，無永久性異物留存所致的長期慢性炎癥反應和潛在的感染風險，重塑后的組織與原組織有同樣的生理功能和強韌性，同時實現解剖上和功能上的修復。該類材料多取材于人體真皮、豬、牛等[10-12]，來源豐富，容易獲得，不存在任何倫理問題。經過工藝處理后的動物源性補片材料，其理化性能、免疫原性、抗感染能力、生物相容性均接近理想材料，因此，由脫細胞動物源材料制備醫(yī)用組織工程材料，必將是未來研究發(fā)展的方向，必會具有廣闊的應用前景和巨大的經濟、社會效益。

因種間差異性，動物源性材料不能直接應用于臨床，必須經消毒、理化處理、清洗等多道工藝，以去掉細胞成分，降低免疫抗原性，然后交聯(lián)改性提高材料的韌性、穩(wěn)定性和力學性能。我國對動物源性材料的研究尚處于剛起步階段，研究方法相對落后，工藝處理多是借用相關領域的研究設備或研究技術，尚沒有可以貫穿整個工藝流程的、專業(yè)化的制備儀器設備。因此，本公司在潛心開發(fā)動物源材料臨床應用產品的同時，設計出了一臺可適用于多道工藝的、專門制備動物源膜材料產品的處理設備，以順應醫(yī)用補片材料發(fā)展的需要。

1 設計思路

本設計主要是針對實驗室現有制備條件的不足而改進完成的。動物源性的醫(yī)用補片制備一般過程是經過消毒、脫細胞處理、交聯(lián)改性、反復清洗等多道工藝，以去掉細胞成分，降低免疫抗原性，同時提高生物相容性，這也為設計一種可適用于不同材料的設備提供了一種可能性。但其中也存在一些問題，如制備醫(yī)用補片的原材料多種多樣，如豬皮、豬小腸、豬膀胱、豬/牛心包膜、羊膜等，形狀各異，大小不同，目前沒有一種可以同時適用于不同材料的制備裝置；為解決這一問題，必須設計一種長短、寬窄可調的夾具，能夠鋪平固定不同種類不同尺寸的原材料，以利于后續(xù)步驟的處理。

因搖床可以提供相對均一穩(wěn)定的反應條件，目前實驗室中小批量的制備可借助搖床完成，一般是將動物組織樣片分別放入與之配套的玻璃三角瓶中，再逐個加入反應液，然后將三角瓶通過彈簧夾具固定在搖床上，反應一定時間后，依次傾倒掉各個三角瓶中的反應液，根據工藝需求依次換入新的反應液，如此重復多次直到反應結束。整個工藝流程可控性差，存在多處弊端：首先，每個三角瓶中只能放置一片樣本，不僅限制了樣本尺寸，處理過程中樣片也容易折疊、卷曲等；其次，各三角瓶自成一體，反應體系不均一，因此要增加醫(yī)用補片的制備能力，最好的方法就是擴大處理材料的反應容器，充分利用縱向空間增加反應器的容量，同時保證在每一處理步驟中材料都能夠充分、均勻接觸反應液，保證處理材料的質量；最后，三角瓶的插拔、換液增加了處理時間和繁瑣程度，增加了人為污染因素。因此，理想的解決辦法就是改變加液、換液方式，實現統(tǒng)一加放液，縮短步驟之間的人工操作時間，提高制備效率，最大限度減少人為誤差因素。

本實驗室使用加寬改造后的搖床，一次只能制備200～300塊樣片，這僅能滿足實驗室研發(fā)過程中的小樣制備，且過程繁瑣，其制備能力絕對不能滿足上市產品的規(guī)?；a需求，這正是阻礙著醫(yī)用補片規(guī)?；a業(yè)化發(fā)展的瓶頸問題，解決這一問題也是本設計的根本出發(fā)點，綜合考量制備原料特點和工藝流程的特殊性，針對其中的問題反復嘗試、調整不同解決方案，最終設計出本裝置，實現可適用于不同尺寸樣本，反應體系均勻一致，可統(tǒng)一加換液，利于規(guī)?；a業(yè)化生產的目的。這將會對推動醫(yī)用補片材料的制備生產發(fā)揮積極的作用。

2 基本結構

本設計整體為四方形箱體，見圖1。頂部設有加液管和排空管，加液管上設置有加液閥；箱底設有錐形底板，錐形底板的最低處設置有放液管，放液管上設置有放液閥，箱體的錐形底板和箱體頂部之間形成工作區(qū)，可根據工藝的要求，加放不同的反應液體；箱體前端為可開閉的立板，下部通過旋轉軸與箱體底部相鉸連，立板底部側方通過耳軸可固定在箱體底部側下方的耳板上，上部與箱體可通過螺栓螺母鎖緊固定，立板與所述箱體之間設置有密封條，防止漏液，立板中間為玻璃可視窗，可隨時觀察材料的反應情況。

圖1 反應箱體

箱體內部設置多層載物支架，見圖2。支架上設置有多層插槽，與之對應的是可拆卸n型板框夾具，見圖3。該夾具是有兩個相互插接的n型框組成，在n型框兩端各設置有兩個壓片，每個壓片可以360°旋轉，根據處理材料的長短寬窄，推進或者拉遠n型框的插入程度，固定動物組織材料。

圖2 多層載物支架

圖3 n型板框夾具

3 應用舉例

以加工10 cm×10 cm的動物組織膜片為例，通過調整n型板框至適合動物膜片大小，將所要處理的動物膜片平鋪于夾具之上，旋轉壓片固定，最后將板框式可調夾具（圖3）推入多層載物支架（圖2）中，再將載物支架放入箱體（圖1）固定好，合上最外側立板，通過螺栓卡扣固定密封好，關閉放液閥，打開箱頂的加液閥，按照反應順序加入反應液。根據工藝要求，到規(guī)定時間按后，打開放液閥，放凈反應液，關閉放液閥，再次加入新的反應液，實現換液；再次換液時，重復上述操作，直至洗脫反應終止，放凈反應液，打開最外側立板，取出載物支架，抽出板框式可調夾具，取下動物組織樣片，進行裁切、包裝滅菌。

4 性能優(yōu)點

以往對動物膜處理一般借助于搖床，因其可以提供相對均一、穩(wěn)定的反應條件，但市場上現有的搖床多是為細胞或菌類培養(yǎng)而設計，體積較小，配套的容器多為三角錐形瓶或試管，尚未有用于處理動物源材料的專門設備，本裝置正是為制備動物膜材料而設計，優(yōu)勢明顯：① 適用范圍廣，原材料可以是豬小腸黏膜下層、豬/牛真皮、牛心包等不同種類、規(guī)格，每個n型板框可通過推進或者拉遠調整長短以適應各種尺寸的材料，做到一板多用；② 每個n型板框只能插入一個多層載物支架的插槽內，插板之間有一定的空間間隔，且n型夾板中間鏤空，使材料正反兩面都能與液體充分接觸，反應更加充分，避免因反應不均一導致的材料起泡、凹陷、褶皺、厚薄不均等，最終材料更加勻質、平整；③ 該裝置前有玻璃視窗，可隨時觀察箱內材料反應情況，如有異常：如反應液不足，材料固定不牢脫落等，可及時處理；④ 箱體設置有加、放液管，如果與大型配液裝置相連，就可以實現反應液的批量配置與更換，節(jié)省了人力、時間成本，更節(jié)約試劑，減少批間差異；⑤ 箱底設計為錐形，不僅對整個箱體起到了支撐固定作用，在最底部安裝排液管，也有利于廢液的完全排空，防止影響下一步反應；⑥ 該裝置可以根據實際需要等比例放大或者縮小，既可以適用于實驗室的研發(fā)小試，也可以放大尺寸用于規(guī)模化產品的生產制備。此外，也能實現縱向增加插槽的數量，增加箱體容量，明顯提高同等空間或者單位面積的處理能力和處理效率。

5 總結

人類文明的發(fā)展與材料科學技術進步密切相關，醫(yī)用材料科技進步在提高患者生命質量和健康水平、降低醫(yī)療成本方面發(fā)揮了重要作用。我國對生物醫(yī)用材料和制品有巨大的需求[13-14]，每年約有100萬腹壁疝修復手術，80%以上需要用到補片，合成補片材料在臨床應用中的高復發(fā)率和并發(fā)癥越來越受到醫(yī)生和患者的重視，而這種天然的動物源性醫(yī)用組織修復材料以其多方面的優(yōu)勢正逐步被臨床認可和接受[15]，據統(tǒng)計，市場上生物材料的年增長率已高達30%以上[16]。這就要求與之相匹配的生產制備能力，本反應箱設計正是充分考慮了液體處理固體物料的特點，縱向增加可處理材料的密度，提高單位面積的容量和有效處理能力，獨特的n型板框設計不僅適用于不同種類、不同規(guī)格的動物組織膜片，更保證了對膜片的處理質量，同時具備結構簡單、成本低和使用方便的特點，使對動物源性膜材料的處理能力和處理效果成倍提高。

[1] Klinge U,Klosterhalfen B.Modified classification of surgical meshes for hernia repair based on the analyses of 1000 explanted meshes[J].Hernia,2012,16(3):251-258.

[2] Robinson TN,Clarke JH,Schoen J,et al.Major meshrelated complications following hernia repair: events reported to the Food and Drug Administration[J].Surg Endosc,2005,19(12):1556-1560.

[3] 湖星辰,唐建雄.疝修補材料對男性生殖功能的影響[J].外科理論與踐,2016,21(2):172-173.

[4] 張珍,李雪芹.不同生物補片材料與盆底重建：應用與作用[J].中國組織工程研究,2015,19(3):472-475.

[5] Shen YM,Chen J,Tian ML,et al.Lichtenstein repair of indirect inguinal hernias with acellular tissue matrix grafts inadolescent patients: a prospective, randomized, controlled trial[J].Surg Today,2014,44(3):429-435.

[6] 申英末,陳杰,楊碩,等.脫細胞基質材料生物補片在青少年（6～18歲）患者腹股溝疝修補術中應用的研究[J].中華疝和腹壁外科雜志電子版,2011,5(1):53-56.

[7] 方斌,楊福全.腹壁疝修補材料學研究進展[J].中國實用外科雜志,2015,35(11):1247-1250.

[8] Gillern S,Bleier JI.Parastomal Hernia Repair and Reinforcement: The Role of Biologic and Synthetic Materials[J].Clin Colon Rectal Surg,2014,27(4):162-171.

[9] Hodde J,Hiles M.Constructive soft tissue remodelling with a biologic extracellular matrix graft:overview and review of the clinical literature[J].Acta Chir Belg,2007,107(6):641-647.

[10] 周致圓,湯睿,龔鼎銓,等.人脫細胞真皮在腹壁缺損修復中的應用[J].外科理論與實踐,2008,13(6):568-571.

[11] Stoikes N,Voeller GR.New developments in hernia repair: a 2013 update[J].Surg Technol Int,2013,(23):107-110.

[12] 姜巖,張劍,王強.三種豬源性細胞外基質體內降解規(guī)律的實驗研究[J].現代生物醫(yī)學進展,2014,14(23):4430-4433.

[13] 趙斌.負載有自體BMSCs的PLGA-CollagenⅠ復合補片修復腹股溝疝的研究[D].廈門:廈門大學,2016.

[14] 楊凱.小腸粘膜下層材料的制備及相關實驗研究[D].濟南:中國輻射防護研究院,2014.

[15] 陸美嬌.動物源性修復材料的病毒滅活與免疫原的觀察[D].煙臺:煙臺大學,2015.

[16] 梁新杰,楊俊英.生物醫(yī)用材料的研究現狀與發(fā)展趨勢[J].新材料產業(yè),2016,(2):2-5.

本文編輯 袁雋玲

Design of a New Instrument for Preparation of Medical Patch Material

Y A N G L i-x i a, L I J i n g, F A N L i-t a o, Y A N G G u o-f e n g, WA N G Y u n-z e, S O N G L i n g-j i e

Department of Research and Development, Aineng Biotech, Shijiazhuang Hebei 050092, China

Natural patch material from animal is gradually recognized and accepted by clinical because of its great strengths in many aspects. However, the level and ability of making this kind of patch is still relatively backward for lack of advanced equipment. In order to solve this problem, a new specialized instrument was designed in this study. The instrument could not only meet requirements of the experiments in the laboratory, but also could adapt to the medical patch material industrial production process of industrialization, large-scale and mass production. There are a lot of advantages of the new specialized instrument, such as simple structure, low cost and convenient using process. The processing ability and treatment effect of animal-derived membrane materials were improved exponentially. It has a positive effect on promoting the production of medical patch material.

medical patch material; patch preparation device; materials preparation; biological material; animal-derived material

R331

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.07.008

1674-1633(2017)07-0028-03

2016-09-18

2016-09-30

國家國際科技合作專項項目，脫細胞組織工程支架的聯(lián)合研發(fā)（2015DFR30150）。

宋靈杰，高級工程師，主要研究方向為臨床醫(yī)用生物材料研發(fā)制備。

通訊作者郵箱：38660516@qq.com