三維多孔生物可降解聚合物人工食管支架的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

王曙東

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，江蘇 鹽城 224005；2.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215002；3.江蘇金麥穗新能源科技股份有限公司，江蘇 鹽城 224000)

食管癌是常見的消化道惡性腫瘤，是世界六大致死癌變之一。食管癌的分布存在著地區(qū)、種族和病理類型的差異，全球超過一半的食管癌病例發(fā)生在中國，其中90%的病例呈現(xiàn)病理學(xué)上的食管鱗狀細(xì)胞癌[1]。因食管癌的早期診斷和臨床治療方法有限，病人的五年存活率只有約10%[2]。當(dāng)前治療食管癌的手術(shù)方法是切除病變食管，常利用病人的自體胃、結(jié)腸或小腸來重建消化道，但術(shù)后易造成創(chuàng)傷大、反流性食管炎、吻合口狹窄及功能紊亂等問題。采用人工材料原位重建食管，可減輕手術(shù)創(chuàng)傷，簡化手術(shù)操作，提高患者術(shù)后生活質(zhì)量，對食管疾病的外科治療具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值[3]。

1952年Berman在動(dòng)物體內(nèi)利用聚乙烯塑料管替代截取后的動(dòng)物食管，成功地觀察到了塑料管外上皮內(nèi)襯鞘及其他組織的愈合重建，開辟了人工食管研究的先河[4]。迄今為止，國內(nèi)外科學(xué)家和臨床醫(yī)生利用多種人工材料制備人工食管的研究取得了較大進(jìn)展[5-6]。隨著組織工程學(xué)的發(fā)展，研究人員試圖用組織工程的方法構(gòu)建人工食管。生物可降解材料應(yīng)運(yùn)而生，并因其具有可綠色制備、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn)。其中，聚乳酸(PLA)已被廣泛應(yīng)用于多種生物支架材料[7-8]。聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)是由乳酸和乙交酯共聚而得的聚酯類高聚物，可通過控制乳酸與乙交酯的比例，調(diào)節(jié)聚合物的降解速率[9-10]，并被制備成各類生物醫(yī)用材料[11-12]。作為管狀支架材料，PLA與PLGA被較多地制備成血管支架[13-14]，但應(yīng)用于食管支架的報(bào)道較少[15]。

本文以PLA和PLGA為原材料、圓柱形聚四氟乙烯為模板、氯化鈉為致孔劑，制備三維多孔生物可降解聚合物人工食管支架，對食管支架的形貌、微觀結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能進(jìn)行表征，研究有機(jī)醇處理對食管支架結(jié)構(gòu)與性能的影響，為將三維多孔可降解聚合物管狀支架應(yīng)用于食管組織工程支架材料提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

聚乳酸(PLA，相對分子質(zhì)量1 000 000)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA，相對分子質(zhì)量600 000)，山東岱罡生物科技有限公司；氯化鈉、二氯甲烷、無水乙醇，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；純水為實(shí)驗(yàn)室自制。

S-4800型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；Autopore IV 9500型壓汞儀，美國麥克默瑞提克公司；Nicolet5700型傅里葉紅外光譜儀，美國賽默飛公司；X′Pert-Pro MRD型X射線衍射儀，荷蘭飛利浦公司；Diamond型熱分析儀，美國PE公司；3365型強(qiáng)伸度測試儀，美國英斯特朗公司。

1.2 三維多孔食管支架的制備

分別取PLA、PLGA溶于二氯甲烷中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的溶液，待完全溶解后加入經(jīng)研磨過篩具有一定尺寸范圍(10～50 μm)的氯化鈉，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟪暡撆?，澆注于聚四氟乙烯模具?管內(nèi)徑10 mm)。然后依次澆注后靜置、脫模后靜置、真空干燥各48 h。最后將制備的管狀支架浸入去離子水中攪動(dòng)48 h，期間每4～6 h換1次水，取出后空氣干燥 48 h 后再真空干燥48 h。將制備得到的PLA、PLGA管狀支架分別置于無水乙醇中處理1 h，空氣干燥 48 h 后，得到三維多孔可生物降解聚合物人工食管支架，文中稱為三維多孔食管支架(聚乳酸食管支架命名為1#，經(jīng)乙醇處理后命名為2#；聚乳酸-羥基乙酸共聚物食管支架命名為3#，經(jīng)乙醇處理后命名為4#)。所有制備的樣品均經(jīng)恒溫恒濕(溫度23 ℃、濕度70%)平衡48 h后備用。

1.3 結(jié)構(gòu)與性能測試

對三維多孔食管支架進(jìn)行噴金處理后，采用掃描電子顯微鏡觀察支架的表面和橫截面形貌。利用壓汞儀測試食管支架的孔隙率。借助傅里葉紅外光譜儀測試三維多孔食管支架的紅外光譜(FT-IR)，掃描范圍為4 000～400 cm-1。采用X射線衍射儀測試三維多孔食管支架的衍射圖譜(XRD)，掃描范圍為5°～45°。采用熱分析儀測試三維管狀支架的熱失重(TG和TGA)曲線和差熱分析(DSC)曲線，測試環(huán)境為氮?dú)夥諊?，氮?dú)饬髁繛?20 mL/min，溫度范圍為0～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min。采用強(qiáng)伸度測試儀測定三維多孔食管支架的拉伸性能，試樣夾持長度為20 mm，拉伸速率為20 mm/min，預(yù)加張力為0.2 cN，得到三維多孔食管支架的斷裂強(qiáng)度、絕對伸長、彈性模量等數(shù)據(jù)，每組樣品測試3組數(shù)據(jù)。按照文獻(xiàn)[16]介紹的方法，用5-0 Prolene聚丙烯手術(shù)縫線，距待測食管支架一端邊緣2 mm 處一圈等距離縫合2點(diǎn)，測試時(shí)將其中一點(diǎn)處的縫線和支架另一端固定在強(qiáng)伸測試儀，以5 mm/min 的速度拉伸，直至縫線撕裂食管支架，記錄此時(shí)拉力值，并測量另一點(diǎn)及管狀支架另一端2點(diǎn)處縫線撕裂管狀支架時(shí)的拉力值，取以上4點(diǎn)拉力的平均值，即為食管支架的縫合強(qiáng)力。

2 結(jié)果與討論

2.1 三維多孔食管支架的形貌結(jié)構(gòu)

圖1示出三維多孔生物可降解聚合物人工食管支架的實(shí)物照片?？煽闯?，PLA和PLGA食管支架從外觀形貌上較為相似，均為白色管狀結(jié)構(gòu)，且具有一定的長度和壁厚。表1示出三維多孔食管支架試樣的結(jié)構(gòu)尺寸?？芍?，2種食管支架的長度約為10 cm，管內(nèi)徑約為10 mm，管壁厚范圍為1.7～2.2 mm，孔隙率范圍為58.3%～69.3%?？傮w說來，PLA食管支架的壁厚和孔隙率要大于PLGA，乙醇處理對食管支架的外觀形貌有一定影響，食管支架的長度、管徑和孔隙率均有一定程度的降低。這是因?yàn)榻?jīng)乙醇處理后，食管支架有一定的收縮緣故，致使其結(jié)構(gòu)變得緊密。

圖1 三維多孔食管支架的形貌結(jié)構(gòu)照片

表1 三維多孔食管支架的結(jié)構(gòu)尺寸

圖2示出三維多孔生物可降解聚合物人工食管支架的SEM照片?？煽闯?，PLA和PLGA食管支架微觀形貌上也較為相似，均為三維多孔結(jié)構(gòu)，有利于后續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)，PLA的孔隙率要高于PLGA，且PLA孔隙結(jié)構(gòu)較PLGA更為均勻。從食管支架的截面電鏡照片可見，支架未出現(xiàn)分層、結(jié)構(gòu)不連續(xù)等現(xiàn)象，表明制備的三維多孔食管支架具有較好的均勻性和整體性。經(jīng)乙醇處理后，三維多孔食管支架的多孔結(jié)構(gòu)較處理前變得致密，孔徑也較處理前變小，管壁厚度也有一定程度地降低，這與食管支架的宏觀形貌結(jié)果是一致的。

圖2 三維多孔生物可降解聚合物人工食管支架的SEM照片

2.2 三維多孔食管支架的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖3 三維多孔食管支架的紅外光譜

三維多孔食管支架的X射線衍射圖譜如圖4所示?？梢钥闯?，未經(jīng)乙醇處理的PLA和PLGA食管支架均在13.2°附近出現(xiàn)比較寬的散射峰，沒有出現(xiàn)明顯的結(jié)晶衍射峰，表明PLA和PLGA食管支架均以無定形結(jié)構(gòu)為主。經(jīng)乙醇處理后的PLA食管支架在16.9°附近出現(xiàn)明顯的結(jié)晶衍射峰，這與課題組之前研究有機(jī)醇處理對PLA微觀結(jié)構(gòu)影響的結(jié)果一致[19]。而經(jīng)乙醇處理后的PLGA食管支架13.2°的散射峰較處理前也變得尖銳，表明乙醇處理在一定程度上提升了PLA和PLGA食管支架的結(jié)晶度。

圖4 三維多孔食管支架的X射線衍射光譜

由圖5(a)三維多孔食管支架的TG曲線可知，乙醇處理前后的PLA和PLGA食管支架均只有 1個(gè)吸熱分解階段，在300～400 ℃之間分解結(jié)束后質(zhì)量不再有損失。由圖5(b)可見，PLA食管支架的熱分解溫度要高于PLGA食管支架，這是由于PLA的分子量高于PLGA的緣故，乙醇處理對PLA和PLGA的熱分解溫度沒有明顯影響。由圖5(c)可見，乙醇處理后的PLA和PLGA較處理前分別在322.7和307.8 ℃出現(xiàn)1個(gè)新的吸熱分解峰，表明乙醇處理后，PLA和PLGA食管支架出現(xiàn)了一定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，這與XRD的分析結(jié)果是一致的。

圖5 三維多孔食管支架的熱性能

2.3 三維多孔食管支架的力學(xué)性能

PLA和PLGA食管支架的拉伸強(qiáng)度和縫合強(qiáng)力如表2所示?？梢钥吹?，PLA食管支架的斷裂強(qiáng)度、彈性模量和縫合強(qiáng)力分別高于PLGA食管支架，這是由于PLA相對分子質(zhì)量高于PLGA，且從食管支架材料的TG、TGA和DSC曲線分析可知，PLA食管支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要好于PLGA，致使PLA食管支架的斷裂強(qiáng)度和縫合強(qiáng)力均要優(yōu)于PLGA，但是PLA食管支架的斷裂伸長率要小于PLGA食管支架。經(jīng)乙醇處理后的PLA和PLGA的斷裂強(qiáng)度、彈性模量和縫合強(qiáng)力均較處理前有一定程度的增加，斷裂伸長率有一定程度的降低。這是由于經(jīng)乙醇處理后，從宏觀結(jié)構(gòu)上，2種食管支架的結(jié)構(gòu)均變得致密，從微觀結(jié)構(gòu)上分析，乙醇處理后的食管支架較處理前出現(xiàn)一定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其強(qiáng)度增加，伸長變小，且2種食管支架的縫合強(qiáng)力均超過了食管支架移植時(shí)支架所能承受的縫合強(qiáng)力(0.8～1.5 N)[20]，可進(jìn)行組織工程支架移植。

表2 三維多孔食管支架的力學(xué)性能

3 結(jié) 論

本文以生物可降解的PLA和PLGA為材料，制備三維多孔聚合物人工食管支架，并對食管支架的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能進(jìn)行表征與測試，得出如下結(jié)論。

1)以圓柱形聚四氟乙烯為模板，可成功地制備PLA和PLGA人工食管支架，長度約為10 cm，管內(nèi)徑約為10 mm，管壁厚約為2.0 mm，具有三維多孔結(jié)構(gòu)，支架的孔隙率范圍為58.3%～69.3%。乙醇處理后，人工食管支架的長度、管徑和孔隙率均有一定程度的降低。

2)PLA和PLGA三維多孔食管支架的微觀結(jié)構(gòu)為無定型結(jié)構(gòu)，乙醇處理對2種食管支架的微觀結(jié)構(gòu)無顯著影響，但是在一定程度上提升了食管支架的結(jié)晶度。

3)PLA和PLGA三維多孔食管支架具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，PLA食管支架的斷裂強(qiáng)度、彈性模量和縫合強(qiáng)力高于PLGA食管支架。乙醇處理后，2種食管支架的拉伸強(qiáng)度和縫合強(qiáng)力均有一定程度提升。2種食管支架的縫合強(qiáng)力均超過了食管支架移植時(shí)支架所能承受的縫合強(qiáng)力。