己内酯基生物降解输尿管支架材料的比较

岳 鑫 黄莉萍 岳 磊 孔祥波

(吉林大学中日联谊医院泌尿外科,吉林 长春 130033)

多种泌尿外科手术术后为防止输尿管狭窄的发生,需要置入输尿管支架。目前临床使用的多为不可降解的硅胶输尿管支架,术后 2～4个月须将支架取出,增加了患者痛苦和经济负担。本研究中,利用生物医用高分子材料制备的己内酯/丙交酯共聚物(PCLA,CL∶LA=30∶70)及己内酯/环氧乙烷共聚物(PCL/PEO=50∶50)进行动物体内降解研究,以评价己内酯作为原料与其他高分子材料共聚后的应用前景。

1 材料与方法

1.1 材料 精密光电分析天平(上海天平仪器厂)、扫描电子显微镜、410型凝胶渗透色谱仪(GPC)美国 WATERS公司、真空干燥箱。无规聚合物 PCLA(CL∶LA=30∶70)和嵌段共聚物PCL-PEO(PCL-PEO=50∶50)由中国科学院长春应用化学研究所生物医用高分子材料中心合成。试样截成 10 mm×5 mm、厚约 1mm的片状,每片材料质量约 100 mg。真空干燥 48h,以除去残余有机溶剂,甲醛熏蒸消毒后备用。健康成年 SD大鼠 80只(吉林大学动物实验中心提供),性别不限,体重 250～300 g。1.2 方法

1.2.1 分组 PCLA组:将 40只实验大鼠随机分成 5组,每组8只,分别设为 2,4,6,8和 12 w五个时间点。PCL-PEO组:SD大鼠 40只分为 5组,每组 8只,分成 2,4,6,8和 12 w不同的时间组。

1.2.2 埋植过程 所有动物均笼养,喂以全价精饲料。大鼠麻醉生效后,于背部中线切开皮肤长约 3 cm左右,逐层分离达脊柱肌肉。于无菌条件下将PCLA试件植入各组大鼠脊柱肌肉中,逐层缝合。PCL-PEO组中,将PCL-PEO试件植入各组大鼠脊柱肌肉中,

1.2.3 取材过程 分别在 2,4,6,8 w和 12 w以过量麻醉处死大鼠,取出大鼠背部试件及外周的肌肉组织,小心去除包裹材料的组织包膜,用蒸馏水反复冲洗,试样真空干燥48 h后备用。

1.2.4 分析评价方法 测量材料的质量和分子量变化,并计算失重率及生物降解率。失重率:小心去除包裹材料的组织包膜,用蒸馏水反复冲洗,试样真空干燥 48h后,用分析天平称取材料的重量为残重。试样的原始重量为初重,为 100 mg。失重率 =100%(初重-残重)/初重。分子量:凝胶渗透色谱仪测量材料的分子量。以聚苯乙烯(PS)为标样,氯仿为流动相,用凝胶渗透色谱(GPC)测量材料的数均相对分子量。生物降解率 =100%(初始分子量 -降解后分子量)/初始分子量。

1.3 统计学方法 应用 SPSS9.0统计软件,组间比较采用方差分析及 U检验,t检验。

2 结 果

2.1 失重率 PCLA在体内实验中于 2,4,6,8w和 12 w时的失重率分别是 1.28%,2.37%,5.68%,18.3%及 32.1%。PCLEO在体内实验中于 2,4,6,8 w和 12 w时的失重率分别是0.96%,1.48%,7.56%,14.6%,23.2%。明显失重在 6～8 w之后(P＜0.01)。在降解的初期(0～6 w)无明显失重。

2.2 生物降解率 PCLA于 2,4,6,8 w和 12 w时分别为22.47%,46.54%,51.86%,52.99%和 57.8%。聚合物酯键断裂成低分子量物质,高分子链断裂速率较快在共聚物开始降解的 0～4 w,其分子量下降迅速,PCLA于 4 w时其生物降解率已达到 46.54%,随后缓慢,12 w时的生物降解率仅达到 57.8%。

2.3 电镜观察 随着降解时间的延长,表面出现大量侵蚀后的小孔洞,于 8w时可见裂口加深加宽,试样结构呈现疏松状,可见有断层出现,断面有较深的裂洞。可以看出其明显吸收时间为 8 w左右,断面降解快于表面。见图 1。

图1 电镜观察降解变化

3 讨 论

3.1 在临床应用及生物医学工程学上的探索 生物医学工程是从工程学及多个层面上研究生物体,特别是人体的结构、功能和生命现象,研究和开发用于防治疾病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置系统和工程技术的学科。支架材料的发展经历了从聚乙烯,硅树脂等惰性材料到近期高分子聚酯类降解材料的漫长发展过程。对于多数输尿管手术,肾盂手术,肾镜手术,输尿管镜手术,术后均需留置输尿管支架管,留置支架管已成为目前一种常用的手术方式。输尿管支架管的作用是引流尿液,维持管径,防止狭窄。对于支架管的长期留置,支架管的二次有创取出,各种原因导致的输尿管长段狭窄或缺损等问题的处理,一直是临床医生所必须面临及较难解决的问题,可降解性输尿管支架管的出现为上述问题的解决提供了可能性,它可以为短期留置,长期留置提供选择的可能,避免二次有创取出。

理想的输尿管支架应具备以下特征:(1)可操作性。从外形设计到物理性能都要考虑操作方便。(2)良好的支架功能。(3)无刺激性,生物相容性好。材料本身应该不致畸、不致癌、不致突变,局部无刺激性。(4)抗感染和抗硬化特性。(5)对于要求长期植入(大于 1个月)的输尿管支架应该在体内稳定,不降解,不变性;对于要求短期植入(小于 1个月)的输尿管支架管则在完成支架和引流功能后可完全生物降解,随尿液排出体外。(6)支架管造价不宜过高。

PCL和PLA及PEO作为生物降解支架材料都具有良好的加工性能〔1,2〕。选作输尿管支架材料的 PCL力学性能优异,但是降解时间长,体内完全降解约需时 1～2年。与其他组分共聚能够改进 PCL基材料生物相容性并调节降解时间。PEO本身机械强度不高,但是具有良好的亲水性,生物相容性好。PLA的降解时间短于PCL,可加快共聚物降解的时间,使其降解周期在数月内。通过比较,加快降解时间丙交酯的比例应大于70%,环氧乙烷的比例应大于 50%。因此,己内酯基是一种可调控的输尿管支架原料。

通过比较两种材料发现 PCLA降解快于 PCL-PEO。PCLA体内降解 4 w内大体性状无明显改变强度在 8 w内呈增强趋势。PCL均聚物的体内降解要经过两个过程,第一阶段是无规水解过程,重量损失不明显,第二阶段是低聚物扩散离开材料本体,可观察到明显的重量损失。

通过比较,己内酯基输尿管支架原料既可以作为长期使用输尿管支架材料,又可作为短期输尿管支架材料使用。

3.2 探讨失重率,降解率及电镜下改变的内在原理 在体内实验中,PCLA于 8 w时失重率是 18.3%,而生物降解率则是52.99%,重量的损失滞后于分子量的损失,这表明共聚物的降解过程,是属于酯键断裂的本体水解范围〔3,4〕。电镜下可见试样表面出现增多的凹陷,逐渐变成小孔洞,裂隙增宽、加深,表明聚合物降解是一个酯键无规水解过程。降解材料的降解可分为本体降解和表面腐蚀降解。表面腐蚀降解的特征是材料的降解仅发生于材料的表面,而材料内部结构基本保持不变,材料的降解速度仅取决于材料同周围组织液的接触面积。

聚合物体内肌肉埋植实验中其降解过程,主要是水解过程,但亦与体内酶、血液循环,应力等多种因素有关〔5～8〕。 PCL是半晶聚合物,当与 PLA以化学键形成共聚物时,PCL能够排列形成规整的结构,PLA存在于 PCL的非晶区,降解时,由于PLA降解速率快于 PCL,非晶区的组分首先降解,故而 PCLA降解性快于单纯PCL。在本实验中,体内实验8 w PCLA的生物降率已达到约 50%左右。结果说明共聚物的降解是从较快的组分开始的,而且结晶区降解速度慢于非结晶区降解速度,亲水组分降解快于非亲水组分。因此,将两种或两种以上具有不同的降解速率的单体进行共聚后,通过调节共聚物的组成,可以达到调节共聚物生物降解速率的目的。

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