醫(yī)用球囊的制備與成形過(guò)程的研究

醫(yī)用球囊的制備與成形過(guò)程的研究

球囊導(dǎo)管的擴(kuò)張治療近年來(lái)，心腦血管疾病的發(fā)病率不斷增加。作為治療心腦血管疾病的重要工具，球袋導(dǎo)管在廣泛和快速的基礎(chǔ)上得到了開發(fā)。球囊主要用于血管的預(yù)擴(kuò)張、塑形,比如用于治療肺動(dòng)脈瓣狹窄及其他鱗膜、血管狹窄性等疾病。球囊導(dǎo)管擴(kuò)張治療的方法雖然臨床應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng),但其創(chuàng)傷小,操作簡(jiǎn)便,擴(kuò)張效果良好,并發(fā)癥少,且復(fù)發(fā)率低。它還是支架的輸送平臺(tái),以及用于支架置入后的精確定形,其在介入治療中的重要性不言而喻。醫(yī)用球囊作為球囊導(dǎo)管的心臟,一直是導(dǎo)管設(shè)計(jì)、開發(fā)、性能優(yōu)化的焦點(diǎn)之一。醫(yī)用球囊導(dǎo)管作為介入治療的主要器械,是臨床應(yīng)用最多的一類導(dǎo)管,但國(guó)內(nèi)對(duì)其相關(guān)理論研究報(bào)道較少。針對(duì)國(guó)內(nèi)醫(yī)用球囊導(dǎo)管的研究現(xiàn)狀,本文首先對(duì)醫(yī)用球囊的成形過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹,并以尼龍12為例,對(duì)成形過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行研究和探討。1實(shí)驗(yàn)部分1.1試驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試儀器生料管(尼龍12,美國(guó)Duke公司),球囊拉伸機(jī)(美國(guó)CPS-1000),球囊成形機(jī)(美國(guó)InterfaceBFM-3310),水壓爆破儀(中山廣儀電子儀器公司PT-500),萬(wàn)能拉力機(jī)(江蘇天源試驗(yàn)設(shè)備有限公司10-50KN),數(shù)顯游標(biāo)卡尺(桂林量具刃具公司141-510S),光學(xué)顯微鏡(上海光學(xué)儀器廠XTZ-E),恒溫水浴鍋(上海精密儀器儀表有限公司HH.S11-4),激光測(cè)徑儀(北京瑞德高科LDSMY-10B)。1.2球囊成形工藝成形過(guò)程路線如圖1所示:下面以3530型球囊為例,詳細(xì)介紹球囊的加工過(guò)程。首先用球囊拉伸機(jī)把生料管做成未拉伸長(zhǎng)度為28mm的半成品。把半成品放入球囊成形機(jī)中,經(jīng)過(guò)40s,溫度達(dá)到110℃,壓力達(dá)到105kPa,把拉伸距離設(shè)置為28mm,拉伸速度為100mm/s,進(jìn)行第一次拉伸,按下“復(fù)位”鍵,通入循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻,當(dāng)溫度降為21℃時(shí),取出球囊,此為一次成形的樣品。經(jīng)過(guò)第一次拉伸,將球囊成形機(jī)的溫度設(shè)置為150℃,經(jīng)過(guò)20s后,壓力達(dá)到68kPa,拉伸距離設(shè)置為35mm,速度為30mm/s,進(jìn)行二次拉伸,按下“復(fù)位”鍵,通入循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻,當(dāng)溫度降為21℃時(shí),取出球囊,此為二次成形的樣品。經(jīng)過(guò)一次成形,二次成形后,將溫度設(shè)置為120℃,壓力設(shè)置為75kPa,經(jīng)過(guò)20s,通入循環(huán)水開始冷卻,當(dāng)溫度降為21℃時(shí),取出球囊,即為最終成形的樣品。1.3球囊的順應(yīng)性打開水壓爆破儀、水浴鍋、打印機(jī)和測(cè)徑儀的電源開關(guān),待水溫升高到37℃并穩(wěn)定后,將球囊導(dǎo)管連接到前面板壓力輸出口上,球囊固定于測(cè)徑儀上,確保測(cè)量尺落下時(shí)能夠壓在球囊中部,開始測(cè)量。醫(yī)用球囊在擴(kuò)張過(guò)程中均會(huì)受到內(nèi)部壓力,由高分子材料的特性可知,此時(shí)球囊的尺寸或多或少均會(huì)變化,由此可以測(cè)得材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。為了更好地說(shuō)明球囊在特定壓力下直徑的變化,提出了球囊順應(yīng)性的概念,順應(yīng)性是指球囊在額定爆破壓和額定壓力下的直徑之差與額定壓力下直徑的比值,用以表征球囊的直徑隨球囊充盈壓力變化的程度,以式(1)表示Compliance:球囊的順應(yīng)性;ΦDExplosion:球囊額定爆破壓下的直徑,mm;ΦNormal:球囊額定壓力下的直徑,mm。式中,球囊的額定爆破壓是指球囊的設(shè)計(jì)爆破壓(低于真實(shí)爆破壓),球囊的額定壓力是指球囊的設(shè)計(jì)工作壓力(球囊正常使用時(shí)所需的壓力)。1.4材料濃度的變化表1.4.1cuk輻射樣品的X射線衍射分析(XRD)在日本島津公司生產(chǎn)的XD-3A型X射線衍射儀上進(jìn)行,采用CuKα輻射,射線源λ=1.54056ue6a6,管電壓30KV,管電流15mA,掃描范圍2θ=80°~5°,步長(zhǎng)為0.02°,掃描速度為6°/min。測(cè)試時(shí)將樣品剪成長(zhǎng)條,并排平鋪于樣品架上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。1.4.2紅外光譜測(cè)試樣品紅外透射光譜的測(cè)定采用德國(guó)Bruker公司生產(chǎn)的Tensor27型傅立葉變換紅外光譜儀,KBr窗片,DLATGS中紅檢測(cè)器,儀器分辨率為4cm-1,每次測(cè)試掃描次數(shù)為128次。測(cè)試前樣品用無(wú)水乙醇清洗后晾干,以除去表面粘附的雜質(zhì)。測(cè)試時(shí)將樣品剪成長(zhǎng)條狀,固定于樣品架上,進(jìn)行紅外透射實(shí)驗(yàn)。1.4.3結(jié)晶度的測(cè)定樣品的差熱掃描實(shí)驗(yàn)在美國(guó)TAInstruments公司生產(chǎn)的910S型差示掃描量熱儀上進(jìn)行,保護(hù)氣氛為N2,氣體流速為40ml/min。測(cè)試時(shí)將樣品剪碎并準(zhǔn)確稱取10mg,平鋪于樣品池。樣品首先由室溫以20℃/min的升溫速率升高至210℃,恒溫5min以消除熱歷史,然后樣品再以50℃/min的降溫速率降至室溫,再以10℃/min的升溫速率進(jìn)行DSC測(cè)試。并根據(jù)DSC測(cè)試結(jié)果,計(jì)算各樣品的結(jié)晶度,計(jì)算方法如式(2)所示:XD:樣品的結(jié)晶度,以百分比表示;ΔH樣品:樣品的熔融熱;ΔH*:為該聚合物結(jié)晶度達(dá)到100%時(shí)的熔融熱。2結(jié)果與討論2.1球囊的直徑隨壓力變化的變化圖2所示為經(jīng)過(guò)一次成形,二次成形和最終成形后,樣品隨著壓強(qiáng)的增大球囊直徑的變化。由上圖可以看出在測(cè)試壓力由額定壓力(0.6MPa)逐步提高到到額定爆破壓(1.6MPa)的過(guò)程中,一次成形后的樣品,隨著壓強(qiáng)的增加,球囊的直徑變化較大,二次成形和最終成形后的樣品,隨著壓強(qiáng)的增大,球囊的直徑變化不大。根據(jù)上述應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試結(jié)果和順應(yīng)性計(jì)算公式可知,一次成形后樣品的順應(yīng)性數(shù)值為0.17,二次成形和最終成形后樣品的順應(yīng)性數(shù)值為0.07。順應(yīng)性是指在外力作用下球囊的可擴(kuò)張性,是靜止條件下測(cè)得的每單位壓力改變所產(chǎn)生的容積改變,是分析球囊彈性阻力的靜態(tài)指標(biāo)。順應(yīng)性數(shù)值越大,則在同樣的壓力下樣品的形變?cè)酱?反之亦然,由上述數(shù)據(jù)可得,一次成形后,樣品具有較高的順應(yīng)性,說(shuō)明樣品抵抗外力的能力降低,即高分子鏈之間的相互作用力降低,而二次成形和最終成形后,樣品的順應(yīng)性明顯降低,其抵抗外力的能力顯著提高,即高分子鏈之間的相互作用力逐漸增加。在球囊的實(shí)際應(yīng)用中,為防止擴(kuò)張過(guò)度對(duì)血管壁造成損傷,在額定壓力下球囊的直徑必須穩(wěn)定可靠,也就是要求球囊必須具有較低的順應(yīng)性。2.2x-射線衍射峰圖3為尼龍12由原料經(jīng)兩次拉伸并最終成形過(guò)程中,各階段樣品的X射線衍射圖。在室溫時(shí)γ相是尼龍12所有晶相中最穩(wěn)定的晶相。γ相存在兩個(gè)重要的衍射峰,一個(gè)是(001)晶面,2θ=21.5°,另一個(gè)是(200)晶面,沿著鏈的b軸方向,2θ=5.8°[1~3]。如圖3所示,通過(guò)X射線衍射實(shí)驗(yàn)可以確定尼龍12原料確實(shí)是以γ相的形式存在,其(001)晶面和(200)晶面的衍射峰(圖1中虛線所示)與文獻(xiàn)中報(bào)道一致。從圖3中還可以看出,尼龍12原料(001)晶面的衍射峰(2θ=21.5°)較為尖銳且被隆拱起,表明試樣中具有晶態(tài)和非晶態(tài)兩相存在,且差別明顯。與原料相比,經(jīng)過(guò)兩次拉伸和最后的成形過(guò)程,(001)晶面的衍射峰(2θ=21.5°)發(fā)生了明顯的偏移,該衍射峰先是經(jīng)一次成形后向小角度偏移,而后再二次成形和最終成形過(guò)程中向大角度偏移,其2θ分別為21.32°、22.16°和22.8°。X射線衍射峰發(fā)生偏移,說(shuō)明材料內(nèi)部的晶格參數(shù)發(fā)生了變化,根據(jù)布拉格方程2dsinθ=λ,向小角度偏移,說(shuō)明面間距d變大;向大角度偏移,說(shuō)明面間距d變小。由此可知,經(jīng)過(guò)一次成形過(guò)程中的熱處理和拉伸,尼龍12的γ相晶格參數(shù)變大,分子結(jié)構(gòu)變得松散,而經(jīng)過(guò)二次成形和最后的成形過(guò)程,晶格參數(shù)減小,內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于緊密,使分子鏈更加規(guī)整。表1中的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的變化規(guī)律也可以說(shuō)明此種變化。由此可見,在球囊加工過(guò)程中,經(jīng)過(guò)加熱加壓,一次成形后,原來(lái)的晶型被破壞,由圖3可知,經(jīng)一次成形的處理后,樣品γ相的衍射角由21.5°減小為21.32°,由上述討論可知,樣品γ相晶面間距增大,分子結(jié)構(gòu)變得松散,分子鏈具有更大的活動(dòng)能力。由表1所示的樣品結(jié)晶度測(cè)試結(jié)果可知,經(jīng)過(guò)二次成形到最終成形的處理,其結(jié)晶度與一次成形的樣品相比明顯提高,即樣品在上述處理過(guò)程中又發(fā)生了重新結(jié)晶,由圖3所示樣品XRD衍射角的偏移可知經(jīng)過(guò)二次成形和最終成形的處理,樣品中晶面間距減小,說(shuō)明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊密,分子鏈更加規(guī)整有序,這時(shí)候內(nèi)部應(yīng)力將急劇增加。球囊具有最大的強(qiáng)度,即使增加壓力球囊直徑也不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)張。由圖3還可以看出,在最終成形后樣品在22.16°處的衍射峰比一次和二次成形后樣品的在此處的衍射峰更為尖銳,該峰強(qiáng)度的增大,說(shuō)明樣品中γ相的尼龍12的晶型發(fā)生了轉(zhuǎn)化,其具體晶型的變化將在紅外光譜解析部分詳細(xì)討論。2.3次成形后的結(jié)晶度變化圖4為尼龍12由原料經(jīng)兩次拉伸并最終成形過(guò)程中,各階段樣品的差示掃描量熱曲線(DSC)圖。通過(guò)對(duì)樣品玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定,可以確定尼龍12原料、一次成形、二次成形以及最終成形后的樣品的玻璃化溫度Tg如表1所示。由表1可知,經(jīng)過(guò)一次成形,尼龍12的玻璃化溫度明顯降低,對(duì)于高分子材料,玻璃化溫度降低,說(shuō)明高分子鏈之間的相互作用力減弱,分子鏈具有更大的活動(dòng)能力,可以更容易拉伸和變形。這樣有利于對(duì)原料進(jìn)行加工與塑型,使生料管加工成適合人體需要的球囊導(dǎo)管。但是經(jīng)過(guò)二次成形和最終的成形過(guò)程的處理,樣品的玻璃化溫度又有所升高,這說(shuō)明經(jīng)過(guò)此步驟的樣品,高分子鏈之間的作用力又開始增強(qiáng),降低了分子鏈的活動(dòng)能力,球囊的應(yīng)力將急劇增加,尼龍12的強(qiáng)度也急劇增大。這樣制作的球囊具有最大的強(qiáng)度,即使增加壓力球囊直徑也不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)張。這由上面的應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)試結(jié)果也可以得到證明。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,尼龍12完全結(jié)晶時(shí)的融化焓為25.83J/g,根據(jù)DSC測(cè)試結(jié)果和完全結(jié)晶時(shí)的融化焓,可由上述式(2)計(jì)算得出各樣品的結(jié)晶度,具體數(shù)值如表1所示。由各樣品的結(jié)晶度數(shù)值可知,未經(jīng)加工的原料具有最大的結(jié)晶度,可達(dá)57.9%,經(jīng)過(guò)一次成形后的樣品,結(jié)晶度迅速降至16.7%,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的二次成形的處理后,結(jié)晶度又升高至33.6%,經(jīng)過(guò)最終成形的樣品,結(jié)晶度最終穩(wěn)定在28.7%。由各樣品結(jié)晶度的變化可以說(shuō)明在經(jīng)過(guò)一次成形后,原料中呈晶態(tài)的分子鏈得到活化,其活動(dòng)能力得到增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)二次成形的處理后,樣品結(jié)晶度提高,表明在一次成形中得到活化的分子鏈經(jīng)過(guò)加熱和拉伸,變得更加規(guī)整,由圖2中該樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律及球囊順應(yīng)性的結(jié)果可以說(shuō)明二次成形后的樣品強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)最終成形后,樣品的結(jié)晶度稍有降低,但強(qiáng)度與二次成形后的樣品基本保持一致,說(shuō)明經(jīng)過(guò)最終成形的處理,在保證樣品強(qiáng)度不變的情況下,提高了內(nèi)部分子鏈的運(yùn)動(dòng)活性,使最終制得的球囊更加柔軟,上述結(jié)晶度的變化規(guī)律也與樣品的Tg變化規(guī)律一致。由此可見,經(jīng)過(guò)一次成形的處理,尼龍12分子鏈的活動(dòng)性增強(qiáng),更易于發(fā)生形變,提高了材料的可加工性能,經(jīng)過(guò)二次成形處理,進(jìn)一步提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度,而最終的成形過(guò)程不僅保證了材料的機(jī)械強(qiáng)度,而且使材料更加柔軟。從圖4中還可以看出,尼龍12原料經(jīng)過(guò)一次成形后,從77℃開始,有一較強(qiáng)的放熱峰,此峰較為尖銳,這主要是因?yàn)楦叻肿蛹訜岬絋g以上,局部鏈段的運(yùn)動(dòng)使分子鏈向低能態(tài)轉(zhuǎn)變,形成新的凝聚纏結(jié),同時(shí)釋放能量。因此在曲線中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)放熱峰。由于發(fā)生了新的凝聚纏結(jié),使材料的結(jié)晶度提高。以峰前沿最大斜率點(diǎn)的切線與掃描基線的交點(diǎn)作為熔點(diǎn),得到此時(shí)的結(jié)晶溫度為77.67℃。而在此四種樣品中,只有原料經(jīng)過(guò)一次成形以后,再加熱時(shí)產(chǎn)生了此結(jié)晶峰,說(shuō)明經(jīng)過(guò)一次成形,原料從原有的γ晶型發(fā)生了變化,出現(xiàn)了新的晶型α相。具體細(xì)節(jié)將在紅外光譜解析部分詳細(xì)分析。2.4加工過(guò)程的進(jìn)行及其對(duì)尼龍12材料結(jié)晶度的影響如圖5所示是尼龍12在不同處理階段的傅立葉變換紅外(FTIR)透射實(shí)驗(yàn)的對(duì)比圖。因尼龍12原料密度較大,且管壁較厚,所以在透射實(shí)驗(yàn)中,透光率低,未觀察到明顯的吸收峰,所以圖5只列出了原料經(jīng)一次成形、二次成形以及最終成形過(guò)程后的紅外光譜對(duì)比圖,不包含原料。如圖5(a)所示,在3084cm-1處,隨著一次成形、二次成形以及最終成形的處理,此處的吸收強(qiáng)度不斷增強(qiáng),而尼龍12的兩種晶型α相和γ相在附近都有吸收峰,其吸收峰分別為3084cm-1和3090cm-1,結(jié)合表1中結(jié)晶度測(cè)試的結(jié)果可知,隨著加工過(guò)程的進(jìn)行尼龍12材料的結(jié)晶度逐漸提高。如圖5(b)所示,在1416cm-1處的吸收峰隨著加工過(guò)程的進(jìn)行,吸收強(qiáng)度不斷加強(qiáng),結(jié)合表2可知,此吸收峰為α相的尼龍12特有,γ相的尼龍12在此處并無(wú)明顯吸收峰,由此可知,隨著加工過(guò)程的進(jìn)行,尼龍12向α晶型轉(zhuǎn)變。如圖5(c)所示,720cm-1處有一變化明顯的的吸收峰,而α相和γ相的尼龍12在此處均具有吸收峰,該吸收峰隨著加工過(guò)程的進(jìn)行,其吸收強(qiáng)度不斷增強(qiáng),結(jié)合上述分析可知,隨著加工過(guò)程的進(jìn)行,γ相逐漸向α相轉(zhuǎn)變,從而可以推斷出此處的吸收峰應(yīng)該歸屬為α相,且此α相不斷增強(qiáng),從另一方面也說(shuō)明了隨著加工過(guò)程的進(jìn)行,材料的結(jié)晶度有了明顯的提高。628cm-1處的表示的是尼龍12的γ相Amide(VI)(γ)面外N-H彎曲振動(dòng)峰此吸收峰隨著加工過(guò)程的進(jìn)行,吸收強(qiáng)度不斷減弱,結(jié)合表2可知,此吸收峰為γ相的尼龍12特有,α相的尼龍12在此處并無(wú)明顯吸收峰,從而再次證明隨著加工過(guò)程的進(jìn)行,尼龍12的γ相的含量不斷減小,結(jié)合圖5(b)結(jié)果可知,隨著γ相的含量減少,α相的含量不斷增大,說(shuō)明在加工處理過(guò)程中發(fā)生了尼龍12的γ相向α相的轉(zhuǎn)變。3次成形到最終成形生料管(尼龍12原料)經(jīng)過(guò)加熱加壓,進(jìn)行第一次成形后,(001)晶面的衍射峰(2θ=21.5°)向小角度偏移,樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和結(jié)晶度明顯降低,由紅外光譜可知,尼龍12出現(xiàn)α相,即經(jīng)過(guò)第一次加熱拉伸后,原來(lái)的晶型被破壞,高分子鏈之間的相互作用力減弱,材料內(nèi)部高分子鏈活動(dòng)性提高,分子結(jié)構(gòu)變得松散,分子鏈具有更大的活動(dòng)能力。應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試結(jié)果也表明,經(jīng)過(guò)一次成形的處理后,使尼龍12材料的機(jī)械強(qiáng)度降低,順應(yīng)