醫(yī)用塑料管道產(chǎn)品的制備加工及其力學(xué)性能研究進(jìn)展

1、醫(yī)用塑料管道產(chǎn)品的制備加工及其力學(xué)性能研究進(jìn)展近幾十年來(lái)，人類的許多疾病如細(xì)胞、組織或器官功能性的缺失，有的在目前的醫(yī)療技術(shù)下無(wú)法進(jìn)行治療，有的需要漫長(zhǎng)的治療周期，傳統(tǒng)的醫(yī)用材料無(wú)法滿足要求，迫切需要新型的醫(yī)用材料，以解決相關(guān)的問(wèn)題。塑料由于出色的力學(xué)性能和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域中。塑料廉價(jià)的成本和快速的生產(chǎn)周期，促使其在一次性醫(yī)療用品中被廣泛利用，避免了傳統(tǒng)材料帶來(lái)的交叉感染和重復(fù)消毒使成本提高等諸多問(wèn)題。對(duì)塑料進(jìn)行填充改性，即在制備過(guò)程中加人無(wú)機(jī)或有機(jī)填料，可以改善塑料的性能，使其具有良好的血液相容性和組織相容性。塑料優(yōu)異的力學(xué)性能、成熟的加工工藝、低廉的原料成本以及簡(jiǎn)便的改性措

2、施等特點(diǎn)使其適合在醫(yī)療領(lǐng)域開(kāi)發(fā)利用，具有相當(dāng)大的市場(chǎng)潛力。MCF和MCT是全新的塑料擠出產(chǎn)品，結(jié)合了塑料薄膜、中空纖維、泡沫塑料加工技術(shù)，能夠制備出微米級(jí)中空微通道的塑料薄膜或?qū)Ч?，具有設(shè)備投人少、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品附加值高等優(yōu)點(diǎn)。鑒于MCT,MCF本身特有的結(jié)構(gòu)及性能，在生物醫(yī)學(xué)、能源工程、航空航天、環(huán)境監(jiān)控、海洋工程、制藥、汽車、軍事以及高端包裝等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文綜述了醫(yī)用塑料管道產(chǎn)品的制備加工方法和力學(xué)性能，并對(duì)MCF和MCT在醫(yī)用領(lǐng)域發(fā)展前景進(jìn)行展望。1醫(yī)用塑料管道制備加工方法1.1小口徑人工血管的制備方法及比較心腦血管類疾病的發(fā)病率在逐漸提高，其死亡率也大大高于其他類疾病，

3、據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)有將近1/2的中老年人患有心腦血管方面的疾病，已經(jīng)嚴(yán)重危害了人類的健康。近年來(lái)隨著生物醫(yī)用材料的研究取得突破性進(jìn)展，人工血管的研究也得到快速發(fā)展，大量新型材料及加工技術(shù)應(yīng)用于人工血管的臨床研究。人工血管可以分為大、中、小3種口徑。目前在醫(yī)療領(lǐng)域中高分子材料制備的大、中口徑的人工血管（直徑大于6mm如腿部主動(dòng)脈）在植入人體后由于直徑大，使血管中的血流量大，不易形成血栓，能保持較高的通暢率，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于臨床治療中。然而對(duì)于小口徑的人工血管（直徑小于6mm）由于其血流量較小，移植后的細(xì)胞豁連、連接、分化較為困難，存在表面孔隙率，滲透壓等問(wèn)題，會(huì)在血管中出現(xiàn)血小板聚集和內(nèi)膜增

4、生的情況，制備具有優(yōu)異性能的小口徑人工血管已經(jīng)成為科研界一個(gè)重大的難題。目前，小口徑人下血管的制備，較為常見(jiàn)的處理方法有浸漬一瀝濾法、混凝法、去細(xì)胞組織復(fù)合法、靜電紡絲法、旋轉(zhuǎn)曝光法、組織工程化法、3D快速成型技術(shù)等。浸漬一瀝濾法是將不銹鋼模具浸人二甲基乙酞胺與過(guò)篩氯化鈉粉末的混懸液即為一定比例的鹽/聚合物（鹽膠比）的混合物中，取出加熱烘干，重復(fù)相同的步驟浸漬4次，將不銹鋼模具放人一定溫度的水中，使其溶出鹽粒，再進(jìn)行脫模和干燥處理，最后制得小口徑聚氨酯微孔人工血管。1999年Chen等提出混凝法技術(shù)，其是與浸漬一瀝濾法類似的制備小口徑人工血管的技術(shù)。將模具穿過(guò)一個(gè)定位的裝置，模具就可以精確地獲

5、得厚度一定且均勻的聚氨酯涂層，然后將模具浸人混凝浴中2-4h，就能夠在模具上得到多孔的聚氨酯人工血管，再將模具放人一定質(zhì)量比例的乙醇中，在聚氨酯溶脹作用下從模具中取出人工血管，干燥處理后即獲得所需的人工血管。去細(xì)胞組織復(fù)合法，通常是把從生物體上取下的膜片，進(jìn)行抗凝改性，再將細(xì)胞和膠原蛋白混合物種植于膜中，卷至直徑較小的聚乙烯軸上，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)使得前后實(shí)驗(yàn)的膜片黏連在一起。通過(guò)細(xì)胞膠原凝膠作用將覆蓋在聚乙烯上的膜連成一個(gè)整體，得到小口徑的人工血管。韓本松等成功運(yùn)用此技術(shù)制備出小口徑的人工血管且直徑可達(dá)3mm。靜電紡絲法是把高壓電源作用在聚合物溶液中，使溶液在電場(chǎng)力的作用下克服表面張力，形

6、成圓錐形（“泰勒錐”），在圓錐尖端延展得到直徑在幾十納米到幾微米的纖維細(xì)絲，使用靜電紡絲法制備出的小口徑人工血管，如圖1所示。調(diào)整材料的種類和加工技術(shù)可以制備出與天然血管相似的人工血管。因?yàn)殪o電紡絲技術(shù)可以制備出納米級(jí)的纖維，而動(dòng)物組織的細(xì)胞間質(zhì)也是納米級(jí)的復(fù)合物。靜電紡絲技術(shù)所制備出的纖維，能夠有效地形成與天然的細(xì)胞外基質(zhì)相似的結(jié)構(gòu)。靜電紡絲制備的纖維與傳統(tǒng)材料相比具有高比表面積、高孔隙率、寬分布孔徑等特點(diǎn)，利于細(xì)胞的勃連和分化，可提高細(xì)胞的活性。旋轉(zhuǎn)曝光的具體方法如圖2所示。首先需要配置一定比例的預(yù)聚體的溶液，再將一定量的預(yù)聚體溶液注人到已被封口膜下表面封閉的模具套筒內(nèi)，模具套筒固定在電機(jī)

7、上，啟動(dòng)電機(jī)使模具轉(zhuǎn)動(dòng)，由于模具旋轉(zhuǎn)并有高透明的特點(diǎn)，可用光線照射對(duì)模具進(jìn)行加工。一段時(shí)間后可以產(chǎn)生一定厚度的人造血管壁，再對(duì)血管壁進(jìn)行精加工，使其達(dá)到與天然血管相似的納米結(jié)構(gòu)。組織工程化法利用了組織工程學(xué)，以王深等的實(shí)驗(yàn)研究為例，用抽取的脂肪獲取脂肪干細(xì)胞，在轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF-B1)和骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP4)作用誘導(dǎo)下生成平滑肌細(xì)胞，將平滑肌細(xì)胞接種于聚乙交酯(PGA)上，然后將細(xì)胞材料復(fù)合物置于生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)，并且定期給予胚胎發(fā)育血流動(dòng)力學(xué)(脈搏頻率:75次/分;擴(kuò)展量小于5%)，最后制備成小口徑的人工血管平滑肌層，這種人工血管具有一定的力學(xué)強(qiáng)度和生物相容性，克服了異體細(xì)胞不能正常

8、生長(zhǎng)的困難，在人體內(nèi)血流的刺激下能夠再次生長(zhǎng)成型，對(duì)人工血管在患者體內(nèi)的生長(zhǎng)起到了推進(jìn)作用。速成型技術(shù)是綜合利用計(jì)算機(jī)、機(jī)械、控制等多方面技術(shù)來(lái)制作實(shí)物零件產(chǎn)品的高新制造技術(shù)，如圖3所示。此技術(shù)通常使用特制的機(jī)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。2014年8月，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功地為一名12歲男孩植入了3D打印脊椎；2014年10月，醫(yī)生和科學(xué)家們使用3D打印技術(shù)為英國(guó)蘇格蘭一名5歲女童裝上手掌。在人工血管的制備中可以運(yùn)用該技術(shù)完全復(fù)制出人體血管的3D模型，減少手術(shù)的復(fù)雜程度，解決了傳統(tǒng)組織工程耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，能夠精確地調(diào)控細(xì)胞分布在支架中的比例。構(gòu)建三維的具有生物活性的人工血管，可以廣泛地用于臨床治療及相關(guān)方面的

9、研究。小孔徑人工血管的制備工程方法對(duì)比如表1所示。1.2球囊導(dǎo)管的加工方法球囊導(dǎo)管是醫(yī)療領(lǐng)域廣泛使用的一種高精密度導(dǎo)管，但在人體中常常會(huì)由于某種原因?qū)е卵苤車l(fā)生壓縮甚至形成堵塞。一般情況下球囊導(dǎo)管采用雙腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雙軸型球囊導(dǎo)管產(chǎn)生擴(kuò)張可以緩解阻塞或者壓縮，如圖4(a)所示。在膨脹內(nèi)腔注人氣體或者液體，通過(guò)對(duì)氣體或者液體的調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)球囊的擴(kuò)張或收縮，再通過(guò)導(dǎo)線內(nèi)腔來(lái)到受到堵塞或者壓縮的血管部分。球囊導(dǎo)管的連接，如圖4(b)所示。為了球囊導(dǎo)管可以順利地通過(guò)被壓縮或彎曲的血管，在球囊導(dǎo)管的生產(chǎn)過(guò)程中，球囊近端處和雙腔導(dǎo)管之間采用相對(duì)靈活輕巧的連接，且硬度上沒(méi)有明顯變化，密封性好，強(qiáng)度高。通常采

10、用熱塑性材料，如聚烯烴、聚烯烴彈性體、聚醋等生產(chǎn)球囊導(dǎo)管。雙腔管使用聚酰胺作為主要材料來(lái)制作，聚對(duì)苯二甲酸乙二酷作為球囊的主要材料。雙腔導(dǎo)管制作：在烘箱內(nèi)干燥聚十二內(nèi)酞胺(PA12)，通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的模具在圖5所示的精密擠出生產(chǎn)線上生產(chǎn)，擠出成型的雙腔導(dǎo)管的截面形狀如圖4所示。球囊制作：將干燥好的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇醋(PET)放人精密擠出機(jī)里擠出管坯，通過(guò)調(diào)節(jié)牽引速度和螺桿的轉(zhuǎn)速得到直徑和厚度一定的球囊管坯，截取一段管坯，把一端封閉并穿過(guò)固定套和型腔，加熱模具到達(dá)指定的溫度。另一端使用氣體進(jìn)行注氣使其膨脹，同時(shí)在軸向進(jìn)行拉伸，當(dāng)球囊膨脹到一定程度后采用冷卻系統(tǒng)冷卻定型。最后在醫(yī)學(xué)輔助儀器的協(xié)助下

11、，把生產(chǎn)出來(lái)的雙腔導(dǎo)管和球囊通過(guò)一定方法連接，就生產(chǎn)出了球囊導(dǎo)管。2產(chǎn)品的力學(xué)性能2.1人工血管的力學(xué)性能人造血管和醫(yī)療導(dǎo)管都已經(jīng)成為醫(yī)療領(lǐng)域不可缺少的一部分，被廣泛應(yīng)用于靜脈輸液、人體監(jiān)測(cè)、血管修復(fù)等醫(yī)療臨床手術(shù)中，為人類健康提供了強(qiáng)有力的支持。但是，如若缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)要求不夠完善，會(huì)對(duì)病人造成極大的危害甚至威脅到病人的生命安全。因此制備相應(yīng)的人工血管應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定的技術(shù)要求進(jìn)行生產(chǎn)加工。美國(guó)食物和藥品管理（FDA）指南中，從物理方面給出了9個(gè)方面的要求，分別為：管體拉伸強(qiáng)度、管體和導(dǎo)管座連接部分的連接強(qiáng)度、導(dǎo)管剛性、導(dǎo)管尖端和管體的連接強(qiáng)度、導(dǎo)管伸長(zhǎng)率、導(dǎo)管座泄漏、導(dǎo)管正壓脹破力（導(dǎo)

12、管內(nèi)正壓）、導(dǎo)管塌陷力（導(dǎo)管內(nèi)負(fù)壓）以及導(dǎo)管彎曲疲勞耐受性。中國(guó)采用YY0500-2004心血管植人物人工血管醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為人造血管或者植人導(dǎo)管的制備提供了科學(xué)的性能技術(shù)要求。一般情況下，人工血管必須具備良好的強(qiáng)度、適宜的孔度和較高的順應(yīng)性3項(xiàng)基本要求。2.1.1強(qiáng)度人工血管需長(zhǎng)期存在于人體內(nèi)代替原先的血管，應(yīng)保持良好的強(qiáng)度、抗腐蝕性和抵抗機(jī)械疲勞的能力。具有高的強(qiáng)度是人工血管在植入人體后不發(fā)生破裂的關(guān)鍵。根據(jù)YY0500-2004標(biāo)準(zhǔn)8.3人工血管拉伸強(qiáng)度要求評(píng)定人工血管的軸向和圓周方向的拉伸強(qiáng)度，即將人工血管樣品的管狀部分兩端固定，然后勻速拉伸直到屈服或斷裂，測(cè)量斷裂或者屈服時(shí)的負(fù)載，經(jīng)

13、計(jì)算得到相關(guān)數(shù)據(jù)。虞希高等實(shí)驗(yàn)測(cè)得靜電紡絲法制備的人造血管力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)表明，正常人體股動(dòng)脈的彈性模量為9-12MPa,極限應(yīng)力為1-2MPa斷裂應(yīng)變?yōu)?3%-76%制備出的人工血管的彈性模量都普遍大于正常人體血管的彈性模量，且極限應(yīng)力較高。用聚己內(nèi)酯(PCL)可制備出彈性模量在(7.5士0.7)MPa的人工血管，接近天然的人體血管的彈性模量，而用膨體聚四氟乙烯(e-PTFE)制備出的人工血管彈性模量在42-60MPa，明顯大于天然的人體血管用此2種材料制備出的人工血管，其極限應(yīng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2MPa,斷裂應(yīng)變分別為359%-475%和20%-30%表現(xiàn)出具有較優(yōu)異的力學(xué)性能。2.1.2孔度孔度

14、是人工血管的另一個(gè)基本要求,在制備出的各類人工血管中,血管壁都應(yīng)具備合適的孔度。根據(jù)YY0500-2004標(biāo)準(zhǔn)8.2人工血管孔度要求評(píng)定孔度,即將人工血管樣本的一端用塞子或緊緊地折疊使其密封,或者在一端卷起大約2cm并夾緊保持不漏水,然后將樣本一端的內(nèi)表面固定在特殊的適配器上,將適配器和血管樣品連接到壓力發(fā)生裝置上,逐漸增大血管內(nèi)壓力,排除血管內(nèi)殘余氣體,使壓力達(dá)到（120士2）mmHg保持壓力并測(cè)量60s內(nèi)流過(guò)血管壁的滲漏量，可得到孔度。人工血管植入體內(nèi)后,血管壁會(huì)吸附血漿蛋白構(gòu)成假膜,假膜與孔度具有相當(dāng)大的聯(lián)系。若孔度偏低,僅靠表面血液彌散無(wú)法維持新內(nèi)膜的營(yíng)養(yǎng),將會(huì)最終導(dǎo)致蛋白變性裂解,引

15、起局部吞噬和活化反應(yīng),并通過(guò)化學(xué)趨化作用引起平滑肌細(xì)胞和纖維細(xì)胞移行增生,導(dǎo)致移植血管管道變窄甚至引起閉塞。若孔徑過(guò)大,可能會(huì)形成人工血管周圍血腫或假性動(dòng)脈瘤,所以在人工血管的植人人體的臨場(chǎng)試驗(yàn)中，要選取合適的孔度，確保血管在人體中的正常生長(zhǎng)發(fā)育。2.1.3順應(yīng)性由于血壓和其他外界因素的存在，在人的正常生活中，植入人體的人造血管會(huì)發(fā)生膨脹和壓縮。根據(jù)YY0500-2004標(biāo)準(zhǔn)3.6規(guī)定，在一定頻率的舒張收縮壓下，人工血管徑向彈性擴(kuò)張和收縮的能力稱為順應(yīng)性。YY0500-2004標(biāo)準(zhǔn)8.10規(guī)定了動(dòng)態(tài)順應(yīng)性的測(cè)量方法，即通過(guò)測(cè)量人工血管在動(dòng)力循環(huán)模擬管道系統(tǒng)下直徑的改變量來(lái)測(cè)量人工血管的順應(yīng)性。

16、張紀(jì)蔚通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得人工血管的順應(yīng)性，給出了各類人工血管材料的順應(yīng)性數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)人體股動(dòng)脈的順應(yīng)性最高達(dá)到了4.10%，標(biāo)準(zhǔn)e-PTFE的順應(yīng)性最低，為0.22%。相比較而言，聚氨醋（中孔型）是順應(yīng)性最接近人體原來(lái)血管的，可以作為制備人工血管的主要材料。針織聚醋纖維的順應(yīng)性接近達(dá)到人體股動(dòng)脈的1/2，而凝膠涂層聚醋纖維、機(jī)織聚醋纖維、薄型e-PTFE的順應(yīng)性都不到1%不適合作為制造人工血管的材料。2.2診療用聚氨醋導(dǎo)管的力學(xué)性能介入型診療導(dǎo)管由于其優(yōu)異的性能被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域中，例如動(dòng)脈造影、腹膜透析等。該導(dǎo)管可以通過(guò)動(dòng)脈、靜脈以及腹膜到達(dá)體內(nèi)組織，避免了開(kāi)刀潛在風(fēng)險(xiǎn)和后遺癥，大大節(jié)約了治

17、療周期及醫(yī)療費(fèi)用?？梢杂枚喾N材料來(lái)制備導(dǎo)管，而目前大多采用聚氨酯材料，原因在于聚氨醋具有良好的力學(xué)性能、耐磨、耐撓曲、表面光滑，和較高的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)。診療用聚氨酯導(dǎo)管的力學(xué)性能：(1) 導(dǎo)管的硬度變化范圍較寬，從肖氏硬度為A10-D80，而天然橡膠的最高肖氏硬度僅為A70;(2) 斷裂伸長(zhǎng)率高達(dá)600%-800%，而天然橡膠斷裂伸長(zhǎng)率為550%;(3) 導(dǎo)管撕裂強(qiáng)度較高，回彈性高，減震效果好，耐磨性好;(4) 導(dǎo)管的應(yīng)變滯后于應(yīng)力，可將損失的能量轉(zhuǎn)變成熱量。3結(jié)語(yǔ)MCF和MCT可通過(guò)特殊的工藝擠出成型，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、海洋、醫(yī)藥、食品、建筑等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前旦景。以醫(yī)療領(lǐng)域?yàn)槔?，許多醫(yī)療領(lǐng)域的產(chǎn)品研究和開(kāi)發(fā)往往受制于材料短缺和品質(zhì)無(wú)法滿足要求。傳統(tǒng)材料在許多方面已經(jīng)不能滿足于醫(yī)療這種特殊環(huán)境中的應(yīng)用。MCF,MCT作為新材料結(jié)合了薄膜、泡沫塑料和中空纖維的多種特點(diǎn)，能廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)。目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家已將基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS的微反應(yīng)器、微傳熱器、微混合器、微分離器等應(yīng)用于藥物檢測(cè)、基因分析等諸多領(lǐng)域中。由于其轉(zhuǎn)換速度快、效率高、易于控制、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到越來(lái)越多的重視。如微通道分離器件可對(duì)全血做血液分離測(cè)試，經(jīng)過(guò)加速之后的血液在流過(guò)微圓弧通道時(shí)所產(chǎn)生的離心力可來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)血液初