同種異體與動(dòng)物源性補(bǔ)片的力學(xué)性能比較

李崇崇 劉麗 王碩 韓倩倩 王春仁 李靜莉

0 引言

補(bǔ)片作為人體組織的替代產(chǎn)品，在燒傷、口腔、普外、泌外、婦產(chǎn)科等諸多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用[1]。目前，根據(jù)所使用材料的不同，補(bǔ)片大致可分為人工合成補(bǔ)片、復(fù)合補(bǔ)片和生物補(bǔ)片3種[2-4]。其中，人工合成補(bǔ)片又分為不可吸收和可吸收兩種類型，目前臨床上常用的是人工合成不可吸收補(bǔ)片，例如Marlex聚丙烯、Gore-Tex聚四氟乙烯等，但是該類補(bǔ)片常常會(huì)給患者帶來異物感并引發(fā)慢性感染；而人工合成可吸收補(bǔ)片，例如聚交酯、聚羥基乙酸等，一般會(huì)在3個(gè)月左右被降解，支撐修復(fù)時(shí)長不足，增加了患者復(fù)發(fā)的概率[3]。復(fù)合補(bǔ)片是用兩種或多種材料制備或者在原有補(bǔ)片上加涂層獲得的補(bǔ)片，雖然在一定程度上解決了單一材料的問題，但是仍然會(huì)有皮下積液、黏連等問題[5-6]。由此，防黏連、抗菌的生物活性補(bǔ)片成為當(dāng)前補(bǔ)片研究和發(fā)展的重點(diǎn)[7]。

生物類補(bǔ)片通過脫細(xì)胞技術(shù)，脫除了引起排斥反應(yīng)的抗原細(xì)胞成分，僅保留細(xì)胞外基質(zhì)和三維空間框架結(jié)構(gòu)，在臨床上可誘導(dǎo)自體細(xì)胞在此框架內(nèi)生長，從而達(dá)到組織重建和修復(fù)的目的[1]。生物補(bǔ)片按照其物種來源分為同種異體脫細(xì)胞基質(zhì)材料生物補(bǔ)片和動(dòng)物源性的異種脫細(xì)胞基質(zhì)材料生物補(bǔ)片[8]。同種異體來源的生物補(bǔ)片由于臨床應(yīng)用時(shí)間較長、生物相容性好、無毒、無刺激，因此是組織缺損患者組織修復(fù)與再生的“金標(biāo)準(zhǔn)”[9-11]。但由于異體皮膚來源有限，成品價(jià)格較高，以及受到倫理問題影響等，限制了其在臨床實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用[12]。制備動(dòng)物來源的異種脫細(xì)胞補(bǔ)片為問題的解決提供了更多的選擇。

近年來，豬源和牛源性補(bǔ)片由于取材廣泛，價(jià)格低廉，制備簡單等優(yōu)點(diǎn)，成為業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)[12]。但兩者相較于異體來源性材料補(bǔ)片性能的比較報(bào)道較少，尤其是力學(xué)性能方面，由于基礎(chǔ)研究力度不足，研究方法不完善，尚未有過深入的探討。而良好的力學(xué)性能不僅能夠增加患者使用的舒適度，提高其生活質(zhì)量，而且有利于保證補(bǔ)片的穩(wěn)定性，減少術(shù)后復(fù)發(fā)率[13-15]。本文從拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、縫合強(qiáng)度3個(gè)方面，對(duì)異體來源、豬源、牛源性補(bǔ)片的力學(xué)性能進(jìn)行了比較，為補(bǔ)片行業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新和臨床使用提供了參考。

1 材料、儀器與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料

豬源性補(bǔ)片采用已通過嚴(yán)格檢疫控制并按衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行屠宰取樣的健康豬膜組織(心包膜、腦硬膜、胸膜)，經(jīng)特定生化技術(shù)完全去除其免疫抗原性、提高其穩(wěn)定性后制成。

牛源性補(bǔ)片同樣采用健康的、有嚴(yán)格檢疫控制并按衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行屠宰取樣的牛心包膜組織，經(jīng)過脫細(xì)胞和病毒滅活處理制成。

同種異體補(bǔ)片采用脫細(xì)胞異體真皮基質(zhì)，樣品通過脫細(xì)胞處理后進(jìn)行病毒滅活處理制成。

每種補(bǔ)片選用5個(gè)樣品，進(jìn)行裁剪后分別完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

1.2 儀器設(shè)備

使用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣本的長度、寬度和厚度，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)H5KS(Tinius Olsen，美國)測(cè)量樣品的力學(xué)性能。

1.3 檢測(cè)指標(biāo)及測(cè)試方法

1.3.1 拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率

實(shí)驗(yàn)前將試樣裁剪成50 mm×10 mm的樣條，測(cè)量樣條厚度D(單位為mm)。然后將樣條的兩端分別固定在萬能材料試驗(yàn)機(jī)的夾具上，夾具間距為20 mm(即為測(cè)試樣條初始長度L0)。小心確保樣條沒有被拉伸、扭曲或被夾具損壞，應(yīng)盡量保持自然狀態(tài)。啟動(dòng)機(jī)器，以100 mm/min的速率勻速拉伸樣條，直至樣條斷裂。記錄此過程中的最大拉力Fm(單位:N)，以及斷裂時(shí)的樣條長度Lb(單位:mm)。拉伸強(qiáng)度Ts按式(1)計(jì)算，單位為MPa；斷裂伸長率E按式(2)計(jì)算，以%表示。

Ts=Fm/(WD)

(1)

E=100(Lb-L0)/L0

(2)

式中：Ts為拉伸強(qiáng)度，MPa；Fm為拉伸過程中的最大力，N；W為試樣寬度，10 mm；D為測(cè)量樣條厚度，mm；E為斷裂伸長率，以%表示；Lb為斷裂時(shí)夾具間樣條長度，mm；L0為初始夾具間樣條長度，20 mm。

1.3.2 縫合強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)前將試樣裁剪成20 mm×20 mm的樣塊，然后使用4-0醫(yī)用尼龍縫線，從距樣塊上邊緣的2 mm處穿過。將縫線固定在萬能材料試驗(yàn)機(jī)的上夾頭上，試驗(yàn)機(jī)下夾頭夾持樣品的下邊緣，如圖1所示。以50 mm/min的速率拉伸縫線，記錄將縫線從樣本中拉出，或?qū)е聵颖緭p壞的最大力值，即為縫合強(qiáng)度SS(單位為N)。

圖1 縫合強(qiáng)度測(cè)試示意圖Figure 1 Schematic diagram of suture strength test

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，判定不同補(bǔ)片類型之間的同一檢測(cè)指標(biāo)差異是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

3種補(bǔ)片的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、縫合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 同種異體、豬源、牛源性補(bǔ)片力學(xué)性能測(cè)試Table 1 Mechanical properties of allogeneic,pig and bovine patches

在拉伸強(qiáng)度方面，豬源性補(bǔ)片與同種異體補(bǔ)片的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，牛源性補(bǔ)片拉伸強(qiáng)度明顯高于另外兩種補(bǔ)片(P<0.01)；斷裂伸長率方面，同種異體補(bǔ)片、豬源性補(bǔ)片、牛源性補(bǔ)片相互之間差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)；縫合強(qiáng)度方面，豬源補(bǔ)片與同種異體補(bǔ)片縫合強(qiáng)度的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，而牛源性補(bǔ)片的縫合強(qiáng)度明顯低于另外兩種補(bǔ)片(P<0.01)。

3 討論

植入人體的補(bǔ)片由于肌肉收縮、運(yùn)動(dòng)等原因不斷受到牽拉，因此，理想的人工補(bǔ)片必須具有與人體自然組織相近甚至更好的拉伸性能，即拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。而補(bǔ)片的縫合強(qiáng)度則是保障補(bǔ)片穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，較好的縫合強(qiáng)度能保證補(bǔ)片和人體組織縫合處牢固不破裂，減少疾病的復(fù)發(fā)。

表1結(jié)果顯示，豬源性補(bǔ)片與同種異體補(bǔ)片的拉伸強(qiáng)度和縫合強(qiáng)度非常接近(分別為9.31 MPavs9.37 MPa,P>0.05; 24.48 Nvs22.18 N,P>0.05)。在動(dòng)物中，豬與人類的基因相似度非常高，用豬源性材料制作的補(bǔ)片來替代同種異體補(bǔ)片被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的選擇，本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了豬源性補(bǔ)片具有良好的力學(xué)性能，相關(guān)的臨床試驗(yàn)也證實(shí)了豬源性補(bǔ)片的良好效果[12,16-17]。

牛源性生物補(bǔ)片(主要是牛心包補(bǔ)片)已廣泛應(yīng)用于心胸外科、腦外科、口腔科、骨科及泌尿外科等諸多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[8-10]。本文實(shí)驗(yàn)牛源性補(bǔ)片的拉伸強(qiáng)度明顯高于另兩種補(bǔ)片。在相關(guān)研究中，也證實(shí)了牛源性(牛心包)補(bǔ)片具有較高的拉伸強(qiáng)度[18]。

補(bǔ)片在人體中會(huì)不斷受到牽拉，良好伸長率能夠減少異物感，提高患者使用的舒適度。在斷裂伸長率方面，同種異體補(bǔ)片要明顯優(yōu)于另外兩種動(dòng)物源性補(bǔ)片(68.49%vs40.22%vs31.61%)。

4 結(jié)論

生物補(bǔ)片由于具有良好的生物相容性，發(fā)生侵蝕、粘連、感染的概率較低，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[16]。而良好的力學(xué)性能不僅是保證補(bǔ)片臨床有效性的重要前提，具有與人體組織相近的力學(xué)性能還能提高患者術(shù)后的舒適度和生活質(zhì)量。但是對(duì)于不同來源生物補(bǔ)片力學(xué)性能的研究，行業(yè)內(nèi)尚缺乏深入的探討。

本文針對(duì)拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率以及縫合強(qiáng)度幾個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)，對(duì)同種異體、豬源、牛源性補(bǔ)片進(jìn)行了測(cè)試及比較。相較于同種異體性補(bǔ)片，本文中所用豬源性補(bǔ)片在拉伸強(qiáng)度和縫合強(qiáng)度兩個(gè)方面與同種異體補(bǔ)片較為接近，但是在斷裂伸長率方面，同種異體補(bǔ)片要明顯優(yōu)于動(dòng)物源性補(bǔ)片。

雖然由于樣本量有限，本文結(jié)果有一定的局限性，但結(jié)果仍然給課題組繼續(xù)尋找合適的動(dòng)物源性補(bǔ)片增強(qiáng)了信心，為動(dòng)物源性補(bǔ)片的研究以及臨床的選擇使用提供了一定的參考意義。今后，將針對(duì)更多的性能以及結(jié)合實(shí)際的臨床使用效果，進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究。