PDO胆管覆膜支架的制备及其压缩性能

刘延辉,陈　媛，张佩华

(东华大学 a. 纺织面料技术教育部重点实验室；b. 纺织学院，上海 201620)



PDO胆管覆膜支架的制备及其压缩性能

刘延辉a, b,陈媛a, b，张佩华a, b

(东华大学 a. 纺织面料技术教育部重点实验室；b. 纺织学院，上海 201620)

摘要：采用3种不同直径的聚对二氧环己酮(PDO)单丝为原料，利用手工编织方法制备12种不同编织密度的胆管支架，通过静电纺覆膜方法分别对PDO胆管支架和临床用MTN-DA型镍钛合金胆管支架进行覆膜，获得PDO胆管覆膜支架以及MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架，并通过试验探讨了其压缩性能.试验结果表明：PDO胆管覆膜支架的压缩力随着单丝直径和编织头数的增大而增大；弹性回复率随支架编织头数的增大而增大，PDO单丝直径显著影响PDO胆管覆膜支架的弹性回复率；单丝直径为0.29mm的12头PDO胆管覆膜支架，单丝直径为0.36mm的8、10和12头的PDO胆管覆膜支架的最大压缩力均大于MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架.

关键词：胆管支架； 静电纺； 聚对二氧环己酮(PDO)； MTN-DA型镍钛合金胆管支架； 压缩性能

良性胆管狭窄是胆管外科中比较常见的病变和并发症，胆管手术后瘢痕狭窄、反复胆管炎导致的炎性狭窄是胆管良性纤维性狭窄的常见临床疾病，具有较高的发病率[1].

目前良性胆管狭窄的治疗方式包括：外科手术、经皮胆管穿刺引流和经内镜治疗. 经内镜治疗方式以其治疗的有效性高和创伤小的特点被广大患者接受，也使胆管支架治疗胆管狭窄更加容易实施.胆管支架的设计经历了裸支架、半覆膜金属和全覆膜支架的发展历程. 文献[2]首次成功采用经皮经肝胆道引流术减黄，开始了引流管、内涵管和金属支架的临床应用. 文献[3]报道了将金属内支架引入胆道狭窄治疗中. 文献[4]最先发明了主动膨胀的自膨式金属支架，随后各国学者争相研究覆膜支架的临床应用. 文献[5]在一项79例胆管狭窄患者的研究中，进行了支架表面部分覆膜的半覆膜自膨式金属支架放置，在支架植入术后随访4个月，治疗狭窄的成功率达到了90%.文献[6]报道了用半覆膜自膨式金属支架对原位肝移植术后吻合口狭窄的治疗. 文献[7]在一项22例患者的研究中，证实了肝移植术后吻合口狭窄病例放置与取出半覆膜自膨式金属支架的价值. 由于半覆膜自膨式金属支架在治疗过程中容易产生组织增生的缺点，胆管支架表面全部覆膜的全覆膜式金属支架设计应运而生. 文献[8]证实了全覆膜式金属支架在治疗原位肝移植术后吻合口狭窄中避免组织增生的效果，且在后期随访的6～12月，支架通畅率为87.5%～95.5%.文献[9]报道了有固定侧翼的全覆膜金属支架在引流效果和并发症方面的治疗情况，支架留置的中位时间为3.3月，成功率达到83%，但由于固定侧翼的存在，在支架取出后会出现胆管损伤.

塑料支架和金属支架需在内镜下反复取出调整或永久停留成身体异物，使成本和风险增加.生物可降解高分子胆管支架凭借其良好的生物相容性和可控的降解性能，以及与传统支架相当的力学性能等特点，成为国内外专家研究的热点.生物可降解高分子材料聚对二氧环己酮(PDO)具有良好的生物相容性和安全性且降解速率可控等特点[10]，已被美国食品药品监督管理局(FDA)认证可用于人体[11]. 文献[12]评估了PDO材质生物可降解胆管支架应用良好的安全性和可行性.聚己内酯(PCL)具有良好生物相容性和降解性能，被广泛应用于静电纺[13]. 本文利用PDO单丝制备胆管支架，采用PCL通过静电纺覆膜方法对PDO胆管支架和目前临床上使用的MTN-DA型镍钛合金胆管支架覆膜，对比分析两种胆管覆膜支架的压缩性能，为PDO胆管覆膜支架的开发提供依据.

1试验部分

1.1胆管支架用材料

(1) 胆管支架用PDO单丝.采用上海天清生物材料有限公司提供的3种PDO单丝，其基本性能参数如表1所示.

表1　PDO单丝基本性能

(2) 静电纺覆膜用材料.采用静电纺覆膜方法对PDO胆管支架和MTN-DA型镍钛合金胆管支架覆膜.静电纺材料为具有生物可降解、良好的生物相容性和力学性能的PCL(Mn=80 000, 东华大学材料科学与工程学院提供)，密度为1.14g/cm3，静电纺用有机溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)和二氯甲烷(DCM)的混合溶液(江苏永华化学科技有限公司提供).

1.2胆管支架的制备

(1) PDO胆管支架的制备.采用手工编织方法制备胆管支架.首先采用一定长度的PDO单丝，利用自制圆柱型铜管模具编织网状结构支架，支架编织成型后，在75℃的DHG-9035A型电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)环境中热定型15min，得到可降解PDO胆管支架(如图1所示).

图1　PDO胆管支架轴向形态图Fig.1　Fundamental structure feature of PDO biliary stents

(2)商业用MTN-DA型镍钛合金胆管支架.采用临床常用的MTN-DA型镍钛合金胆管支架(南京微创医学科技有限公司生产)作为对比试样，如图2所示.本文研究的不同胆管支架的结构参数如表2所示.

图2　MTN-DA型镍钛合金胆管支架轴向形态图Fig.2　Fundamental structure feature of MTN-DA NiTi metal biliary stents

材质类型试样编号编织头数/头外径/mm质量/g内径/mmPDO胆管支架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型镍钛合金胆管支架88.720.278

(3) 胆管覆膜支架的制备.采用如图3所示原理的静电纺试验装置分别对PDO胆管支架和MTN-DA型镍钛合金胆管支架进行静电纺覆膜. 高压电源的正极与针头相连，针头型号为23 G，负极与旋转接收装置相连.通过对静电纺覆膜工艺参数的探索，选择PCL溶液的质量浓度为0.18g/mL，DMF的体积分数为43%，电压为15kV，针头与旋转接收装置之间的接收距离为20cm，接收时间为2h，接收装置电机转速为1 000 r/min.通过上述参数制备的覆膜胆管支架如图4所示.

图3　静电纺试验装置Fig.3　Experimental facility of electrospinning

(a) MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架

(b) PDO胆管覆膜支架

1.3胆管覆膜支架的压缩性能测试

本文选用YG061型径向压缩仪，采用定距离径向压缩法测试胆管覆膜支架的压缩性能.将胆管覆膜支架试样放置到测试平台上，选取直径为20mm 的圆柱压脚，压缩速度设定为20mm/min，压缩最大距离设定为支架外管径的50%.压脚以恒定速度向下压缩，压缩到最大距离时，读数即为径向压缩力的数值[14].在最大压缩距离位置时，压脚停置5s后，以原速回复，直至初始距离.测试指标为压缩力.

弹性回复率是表征试样在压缩完成后，压缩变形恢复能力的指标，其计算式为

(1)

2结果与分析

2.1两种胆管覆膜支架的压缩回复曲线分析

通过对PDO胆管覆膜支架和MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架进行压缩测试，得到压缩回复曲线如图5所示. 由图5可知，在试样压缩过程的初始阶段，压缩力随着压缩距离的增大呈正相关线性变化.这主要是因为压脚接触到试样开始压缩后，由PDO覆膜胆管支架中的PDO单丝和MTN-DA型镍钛合金单丝在受力.随着压缩距离的进一步加大，压缩力的上升速率开始变小.当压缩到设定距离时，压脚停置5s，由于压力松弛现象，压缩力有所下降.在压缩回复阶段，在刚开始回复时，回复速率较大，主要是由于单丝弯曲回复所致.随着压缩距离的减小，压缩力也随之减小，但压缩力变为零时，支架没有回复原状，表现为一定的塑性变形现象.比较PDO胆管覆膜支架和MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架的压缩回复曲线可以看出，两者在压缩回复过程的变化趋势基本相同，压缩回复完成后，都表现出一定程度的塑性变形；压缩距离为PDO胆管覆膜支架直径50%时，PDO胆管覆膜支架的最大压缩力大于MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架的最大压缩力，这主要是由于PDO单丝直径比MTN-DA型镍钛合金单丝大.

图5　PDO胆管覆膜支架与MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架压缩回复曲线图Fig.5　Compression-recovery curve of fully covered PDO biliary stent and MTN-DA NiTi metal biliary stent

2.2编织头数对PDO胆管覆膜支架压缩力的影响

对3种单丝直径且不同编织头数的PDO胆管覆膜支架和MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架分别进行压缩测试，编织头数对覆膜支架压缩力的影响规律如图6所示. 从图6可以看出，同种直径不同编织头数的PDO胆管覆膜支架的最大压缩力均随编织头数的增大而增大. 针对PDO胆管覆膜支架与MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架的最大压缩力进行比较可知，单丝直径为0.23mm时，4种编织头数的PDO胆管覆膜支架的最大压缩力值均相对较小(图6(a))；单丝直径为0.29 mm时，12头PDO胆管覆膜支架的最大压缩力值要较大一些，其他编织头数的PDO胆管覆膜支架均小于MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架(图6(b))；由图6(c) 看出，单丝直径为0.36mm的PDO覆膜支架中，只有6头胆管覆膜支架的最大压缩力小于MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架最大压缩力值，其他3种编织头数的覆膜支架的最大压缩力均大于MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架最大压缩力值.

(a) 0.23 mm PDO胆管覆膜支架

(b) 0.29 mm PDO胆管覆膜支架

(c) 0.36 mm PDO胆管覆膜支架

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

2.3PDO单丝直径对PDO胆管覆膜支架压缩力的影响

通过压缩测试得出PDO单丝直径对胆管覆膜支架压缩力的影响如图7所示. 由图7看出，4种编织头数的PDO胆管覆膜支架的压缩性能随着单丝直径的变化趋势是相同的，即随着PDO单丝直径的增大，支架的最大压缩力也增大，PDO胆管覆膜支架在压缩距离最大时压缩力也是最大的. 但与MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架的最大压缩力进行比较，同种编织头数不同单丝直径的PDO胆管覆膜支架的最大压缩力表现出不同的特点，在6头PDO胆管覆膜支架中(如图7(a)所示)，其最大压缩力均小于MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架的最大压缩力. 在8头和10头PDO胆管覆膜支架中(如图7(b)和7(c)所示)，仅单丝直径0.36mm的PDO胆管覆膜支架的最大压缩力大于MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架.在12头PDO胆管覆膜支架中(如图7(d)所示)，单丝直径0.29和0.36mm的PDO胆管覆膜支架最大压缩力大于MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架，单丝直径0.23mm的PDO胆管覆膜支架小于MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架.

(a) 6头PDO胆管覆膜支架

(b) 8头PDO胆管覆膜支架

(c) 10头PDO胆管覆膜支架

(d) 12头PDO胆管覆膜支架

2.4弹性回复率

通过压缩测试，得出PDO单丝直径和支架编织头数对胆管覆膜支架弹性回复率的影响如图8所示. 从图8可以看出，PDO胆管覆膜支架的弹性回复率随着支架编织头数的增大而增大. PDO胆管覆膜支架单丝直径对弹性回复率的影响没有一定规律，但不同单丝直径的支架拥有不同的弹性回复率.对于同样编织头数的PDO胆管覆膜支架，由于支架外层的静电纺薄膜会承担一定的载荷，使单丝承载的载荷减少，在压缩过程中主要是单丝之间的摩擦阻力起主要作用，所以体现支架编织密度的编织头数对支架弹性回复率影响比较有规律.与MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架弹性回复率相比较，10和12头的0.23mm PDO胆管覆膜支架的弹性回复率较大一些，0.29和0.36mm的PDO胆管覆膜支架中10和12头PDO胆管覆膜支架与MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架弹性回复率比较接近.

图8　单丝直径与编织头数对试样弹性回复率的影响Fig.8　Effect of diameter and braid-pin number on elastic recovery of the samples

3结语

本文通过对PDO胆管覆膜支架和MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架制备,并对其进行径向压缩测试，得到以下结论.

(1) PDO胆管覆膜支架和MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架的压缩回复曲线趋势相似，说明在压缩过程中承担压缩载荷时，它们有相似的变形机理.

(2) PDO单丝直径和支架编织头数对PDO胆管覆膜支架压缩力的影响是一样的，支架最大压缩力随着单丝直径和编织头数的增大而增大.与MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架的最大压缩力进行比较可知，单丝直径为0.29mm的12头PDO胆管覆膜支架，以及单丝直径为0.36mm的8、10和12头的PDO胆管覆膜支架的最大压缩力大于MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架的最大压缩力.

(3) PDO胆管覆膜支架的弹性回复率随着支架编织头数的增大而增大，支架单丝直径对弹性回复率的影响没有一定规律，但有显著影响.与MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架弹性回复率相比较，10和12头的0.23mmPDO胆管覆膜支架的弹性回复率较大一些，0.29和0.36mm的PDO胆管覆膜支架中10和12头胆管覆膜支架与MTN-DA型镍钛合金胆管覆膜支架弹性回复率比较接近.

参考文献

[1] 黄子明,张洪义.良性胆管狭窄的病因及治疗的进展[J].中国现代普通外科进展,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.胆道支架的进展与开发[J].介入放射学杂志，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] 赵丙姣,李远远,刘月华. 聚己内酯静电纺丝支架与人牙周膜干细胞的生物相容性[J]. 临床空腔医学杂志, 2014,30(5): 269-272.

[14] 许慧珺,王聪儿,张佩华. PDO血管内支架的制备及其径向压缩性能[J]. 东华大学学报(自然科学版),2014,40(4): 418-423.

文章编号：1671-0444(2016)03-0374-06

收稿日期：2015-05-05

作者简介：刘延辉(1984—)，男，山东莘县人，博士研究生，研究方向为人体生物可降解胆管覆膜支架的研制. E-mail: chainliuyanhui1@163.com 张佩华(联系人)，女，教授，E-mail: phzh@dhu.edu.cn

中图分类号：R 318.08; R 318.11

文献标志码：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