医用球囊成型材料和技术的研究进展

徐立霞,卢春兰,李昕跃

(大连大学环境与化学工程学院,辽宁 大连 116622)

医用球囊成型材料和技术的研究进展

徐立霞,卢春兰,李昕跃

(大连大学环境与化学工程学院,辽宁 大连 116622)

心脑血管疾病的发病率不断攀升,球囊导管作为治疗心脑血管疾病的重要医疗器械,得到了广泛的应用和迅速的发展。本文对国内外医用球囊的成型技术、球囊成型材料的基本要求、以及球囊材料的组成进行了总结;最后对医用球囊在临床疾病治疗中的一些应用以及球囊导管的未来发展进行了展望。

球囊导管,材料成型,临床应用

随着人们生活水平的不断提高和生活节奏的加快,心脑血管疾病的发病率也越来越高。上个世纪八十年代,瑞典医生进行的经皮冠状动脉成形术取得成功,标志着介入医学的开端[1]。血管介入治疗是借助于介入导管通过血管管腔到达体内的病变部位,实现低创治疗的一种新兴的医疗技术。在过去的三十年里,由于介入疗法的众多优点,使它得到了快速的发展。介入治疗的范围很广,几乎用于全身的各个部分,如颅内神经、颈动脉、肾动脉及静脉等。球囊导管作为腔内介入治疗的主要器械之一,是临床使用最多的一类导管[2]。

1 医用导管成型材料的种类及其基本要求[3]

医用导管材料多种多样,一般为热塑性聚合物,用于医用导管的有机高分子材料就不下数十种,以其不同的性能用在不同用途的产品上。这些材料包括:硅橡胶、聚氨酯 (PU)、聚四氟乙烯 (PTFE)、聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)、聚氯乙烯 (PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、尼龙 (PA)、聚碳酸酯 (PC)等等。医用导管的基本要求:(1)具有可使其在高压釜中用射线或其他方法消毒的热稳定性。(2)具有抗氧化和耐腐蚀的化学稳定性,以及与体液接触不发生变化的化学惰性。(3)具有组织适应性和血液适应性,具有抗血栓性,不会发生凝血。(4)不会致癌和导致过敏反应。(5)具有优良的力学性能和功能性,并且能够长期植入体内而不会丧失拉伸强度和弹性模量等物理力学性能。(6)具有优良的可加工性。

2 医用球囊材料的发展

一般来讲,医用球囊都是由高分子材料制成,最初用于医用球囊的材料是软质聚氯乙烯,聚氯乙烯的数均分子量约为 3.6—9.3万,聚合度大约在 590—1500。聚氯乙烯不但具有良好的化学稳定性,较好的耐有机溶剂的性能和耐化学药品性,在常温下对酸,碱及盐的作用稳定,并且具有良好的机械性能、力学性能和电学性能。但是聚氯乙烯的耐光和耐热的稳定性较差,其软化点为 80℃,玻璃化转变温度较高,它的熔点和分解温度很接近,而且材料的硬度较大,不易加工。用聚氯乙烯做出的球囊与现在的球囊相比,它具有较厚的壁,但是耐压性能却很差。近期的研究表明,由聚氯乙烯制成的导管,生物相容性差,并且还发现单体聚氯乙烯有致癌作用。

随着高分子材料的发展,从上世纪八十年代初期开始,研究者开始用交联聚乙烯和聚苯二甲酸乙二醇酯 (PET)来制作球囊[4],使球囊的性能得到了很大的改善,在当时,由这两种材料制作的球囊几乎占到所生产球囊的 90%以上。聚乙烯是链状的非极性分子,具有良好的化学稳定性,在常温下对酸、碱和盐都很稳定。具有高绝缘性和很好的耐腐蚀性,生物相容性也很好,植入体内无不良反应。聚苯二甲酸乙二醇酯是分子间中含有芳环的一种聚酯,并且是一种线性聚酯,由于这种材料具有良好的刚性和抗蠕变性、较高的尺寸稳定性以及较低的吸湿率,因此发展非常迅速。PET的黏度越大,它的结晶度越低,可加工性就越好[5]。它制作的球囊的耐压性很好,爆破压可达 27 atm,交联聚乙烯制作的球囊虽然不如 PET制作的球囊的耐压性好,但是交联聚乙烯制作的球囊形状保持极佳。这两种材料制作的球囊虽然部分解决了耐压力和形状保持力的问题,但是它们制作的球囊硬度很大,实际应用时仍然是不尽如人意。

随着科研人员的不断探索和研究,在上世纪八十年代末九十年代初,尼龙和热塑性聚氨酯材料逐渐用于球囊。热塑性聚氨酯是一种线性聚合物,它的结构中包括硬段和弹性软段,具有在弹性网络中起到交联键作用的高玻璃化温度的硬段和网络中弹性分支的低玻璃化转变温度的柔软段,具有良好的加工性,并且生物相容性和耐磨性都很好。但不能进行蒸汽消毒,因为它的耐水解性很差。尼龙具有很高的机械强度,韧性好,有较高的抗拉,抗压强度;耐疲劳性能突出,表面光滑,摩擦系数小;耐腐蚀,有很好的抗老化能力,但是吸水性大,耐光性差。由尼龙制作的球囊在国内已经生产并且占很大的份额。

新的球囊材料多是一些共聚和共混物[6],它们是有一些刚性链段和柔性链段共聚,或者是一些可以相容的聚合物简单相混,以使他们的性质更加优良。聚四氟乙烯以及尼龙和聚氨酯或其他材料的合金是生产高级介入导管的首选材料。虽然这些材料的性能优良,并且附加值很高,但是它们的加工难度很大。随着科学技术的不断发展,会有越来越多的性能优异的高分子材料用于球囊的制作,为医学的发展奠定很好的基础。

3 国内外研究进展

LIX IAO WANG等人在一项美国专利的说明书中,首先介绍了一般的球囊成型方法[7],然后介绍了对这种成型方法的改进措施,它是将模具放在加热好的导热介质中,将热塑性材料制成的管坯放在模具中,在吹胀球囊的同时拉伸管坯,进而形成球囊。MurthyV.Simhambhatla.等[8]介绍了另外一种称为 overthe-wire的制作过程:首先将挤出的管坯以一个连续或半连续的过程被扩张从而形成一个扩张管;然后,这个扩张管在球囊模腔中进一步被扩张成球囊。奥勃斯医学技术股份有限公司的M·H·贾拉卡尼研制出了一种特别适合经皮冠状动脉腔内成形术的球囊导管[9]。这种球囊导管主要包括一个导管体和一个延伸于远端的可扩张球囊。它的近端体部是一个较硬的管状体,一个较为柔软的远端体部,并且其中有一个柔软的元件与近端体部和远端体部相连并且延伸进入远端体部。王兆华、杜慧等设计出了显影球囊扩张器[10],它是将导管的一端封住,然后在导管上套上内外两个球囊,并将两头扎紧密封,在两个球囊之间放入显影剂溶液,还有与之配套的充气气囊和压力表。当这种球囊导管到达病变部位,给球囊充气,内外球囊都扩张,显影剂均匀的分散于两个球囊之间,在 X光下可以清晰显影,这样医生就可以直接看到狭窄部位的扩张情况。它适用于食道狭窄、大血管狭窄、心脏瓣膜狭窄部位的扩张。马瑞坤提出了一种制作扩张球囊的方法,主要用于医用聚乙烯球囊导管的制作[11]。用钴源γ射线照射聚乙烯使其交联,然后把管子放在模具内,边加热边充气,在合适的温度与压力下,吹胀管子的同时进行拉伸,然后冷却定型。用这种方法制作的球囊具有很优良的性能,具有高强度和非膨胀性的特点,能用于治疗肺动脉瓣狭窄以及其它瓣膜和血管狭窄性疾病。

虽然国内的一些专利上也有可以看到球囊的制作方法,但是由于起步较晚,与国外相比还有一定的差距。医用的球囊导管,不管是生产环境还是生产材料都要求很高,生产技术也有一定的要求,生产难度较大[12]。由于受生产设备和配套工艺技术的制约,我国所使用的球囊还有很大一部分依赖进口。

4 医用球囊的应用

球囊导管广泛用于血管疾病的治疗,较为常见的就是用于治疗动脉狭窄。通过使用末端带有扩张球囊的导管,医生通过荧光透视,指引球囊导管进入血管,在血管病变处定位,然后通过加压液体使球囊扩张,以达到治疗的目的。利用球囊导管治疗血管狭窄的优点是:创伤小,操作简便,并发症少,利用内科介入的方法替代了外科手术,减少了病人的痛苦。

医用球囊的最大的应用领域为经皮穿刺冠脉成形术 (PTCA)。近年来,药物支架的发明给医用球囊带来了更大的发展空间。以前球囊导管的主要用途是治疗血管狭窄、扩张血管和塑形,现在的主要用途是支架的输送、扩张,还用于支架置入前的预扩张和置入后的精确定形。在冠脉、颅内神经、肾动脉、股动脉、胆道和胃肠系统都得到了广泛的应用。医用球囊在骨科中也得到了应用[13],对于骨质疏松椎体压缩性骨折的病人,通常的治疗方法只能是保守治疗,非常痛苦且治疗效果不好。但是利用医用球囊,不但效果好而且最大限度的减小了病人的痛苦,也提高了治疗的效果。一般是经皮及椎弓根先将可膨胀性骨球囊置入椎体,球囊膨胀扩张,骨折椎体复位,在骨折椎体内制造一个安全有效空间,放气后退出球囊并低压下注入骨水泥。

随着高分子材料和医用球囊制作技术的进一步提高,使得医用球囊的应用越来越广泛。医用球囊一些新的应用是用于激光导管及光活化治疗[14]和药物输送导管[10]等。用于激光导管及光活化治疗的球囊材料都是由透明的,使用对光低吸收性的材料来制作。在球囊的内部安装上激光器,在球囊的锥部和管段涂上一层不能透光的物质,只有在工作段可以透过激光。使用时,球囊导管在病变部位定位后,先扩张球囊,然后把激光激活来治疗病变部位。这种方法能有效的控制治疗区域,并且对未病变部位不会有影响。医用球囊在应用于药物输送导管中,主要是针对那些昂贵的且副作用很大的药物。药物输送导管和普通球囊导管的不同点就是:药物输送导管的球囊表面有很多微孔,并且微孔是有一定严格要求的,当球囊在病变部位扩张以后,微孔的大小恰好能使药物通过,对局部病变部位进行药物治疗,当球囊泄压以后,药物可以重新回到球囊,这不仅减少了用药量,还避免了对正常机体的伤害。

展望:

随着对高分子材料的不断探索和球囊制作技术的不断提高,医用球囊的应用将会得到更大的发展。未来的医用球囊导管应用的发展重点将集中在肿瘤的介入治疗、心脏介入技术、神经介入技术、非血管内介入技术、门脉高压症血管内介入治疗、非肿瘤性病变及周围血管病变的血管内介入治疗技术、急诊出血的动脉内栓塞治疗细胞、分子 (基因)水平的介入治疗等。

医用球囊的发展方向是性能更加优良和精细化。性能优良是指管壁越来越薄,耐压越来越好,并且柔软度好,这些都有利于球囊的推送和扩张。但是这三个方面又是相互制约的,在未来的研究中希望能够找到三者的平衡点。由于各个领域使用的球囊用途不同,要求也不同,所以球囊的制作将会更加精细化和专门化。

[1]陈星荣.选择性血管造影[M].上海:上海科学技术出版社,1990:1-38.

[2]钱火红,徐琴,邱群等.中心静脉导管置换术的临床应用[J].中华护理杂志,2004,39:143-144.

[3]白木,周杰.塑料在医疗卫生领域的应用[J].工程塑料应用,2003,31:47-49.

[4]Mark A.Saab.Applications of high-polymerBalloons in the Medical Device Industry[J].Device&Diagnostic Industry.2000.

[5]陈俊,陈剑玲等.PET结晶行为研究进展 [J].高分子通报,2005,1:20-24.

[6]杨海,石秀凤.2007年第一届全国介入医学工程学术会议论文汇编[C].2007:97-103.

[7]L. Wang, P. Miller,D. Horn et.al, PROCESS IMPROVEMENTS FOR PREPAR ING CATHETER BALLLONS[P].Google Patents,1998.

[8]M Simhambhatla,Method of making a catheter balloon[P].Google Patents,2001.

[9]M H贾拉卡尼.球囊导管[P].中国专利:03815912.0,2005-09-07.

[10]王兆华,杜慧.显影球囊扩张器 [P].中国专利:94235559.8,1995-09-27.

[11]马瑞伸.医用聚乙烯扩张球囊的制作[P].中国专利:89107579.8,1990-03-28.

[12]郭丽华,王婉,王斌修.医用介入导管的扩口模具设计[J].塑料,2005,34(4):72-74.

[13]杨惠林.球囊扩张椎体后凸成形术治疗骨质疏松性椎体压缩骨折[J].苏州大学学报:医学版,2002,22(4):406-409.

[14]James J. Glazier,MD,Alice J et al. Laser balloon angioplasty combined with localintracoronary heparin therapy: Immediate and short-term follow-up results[J].American Heart Journal,1997,134.

The Research Progress of theM edical Balloon Materials and Form ing Techn iques

XU Li-xia,LU Chun-lan,L IXin-yue

(College of Environmental and Chemical Engineering,Dalian University,Dalian116622,China)

In recent years,there has been growing incidence of cardiovascular and cerebrovascular disease,As an importantmedical equipment for the treatment of cardiovascular and cerebrovascular disease,the balloon catheter have found wide applications and rapid development. In this paper,the research progress of the medical balloon for ming technique,the basic requirements of balloon materials and the selection of balloon materials are summarized respectively.In the final section,some applications of the medical balloon in the clinical disease treatment and the future developent of balloon catheters are forecasted.

balloon catheter;Material Processing;clinical application

O175.29 < class="emphasis_bold">文献标识码:A文章编号:

1008-2395(2010)06-0081-03

2010-11-07