双组分完全可吸收封堵器的制备及力学性能评价

吴斯蔚，李超婧，王富军，王 璐，李逸明，孙 锟

(1. 东华大学 a. 纺织学院；b. 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；2. 上海交通大学医学院附属新华医院，上海 200092)

室间隔缺损(ventricular septal defect，VSD)是一种最常见的先天性心脏疾病，其新生儿发病率为0.3%，占先天性心脏病的比例为20%～25%[1]。随着封堵器的发展，微创介入治疗具有创伤小、恢复快、并发症少等优点，成为治疗VSD的首选方案。封堵器修复VSD的机理是其植入人体后一方面使血液受阻，另一方面表面快速内皮化，最终达到封闭VSD的治疗效果。目前临床上使用镍钛合金材质的封堵器治疗VSD，已经取得了较好的近中期疗效，但远期并发症诸如封堵器变形、侵蚀穿孔、残余分流、房室传导阻滞等均有报道[2]，特别是永久植入性的金属材料长期存在于体内是否会对儿童发育造成不良影响还缺乏远期随访资料。

理想的封堵器应该是可吸收的，即封堵器植入人体后，随着材料的降解自体组织可逐步长入并包裹封堵器，最终以人体自身组织修补缺损部位，形成完整的室间隔。如此可有效避免因金属留存体内所引起的远期并发症，从而消除儿童生长发育的限制因素。同时，应考虑封堵器与周围心肌组织的力学匹配，即可吸收封堵器植入体内后能够保持结构稳定直至完全降解[3]。

近年来可吸收封堵器的研发已经进入临床试验阶段[4-5]，特别是以聚对二氧环己酮(poly(p-dioxanone)，PPDO)为基材制备的封堵器具有适宜的编织操作性和降解周期，能较好地匹配心脏组织的生长速率，但PPDO的弹性模量较低，手术操作时间过长可能导致封堵器变形[2]。本研究旨在设计并制备一种具有黏结编织结构的双组分完全可吸收封堵器，并探究不同组分配比的材料对封堵器稳固性的影响，同时对封堵器的力学性能进行测试与评价，以期封堵器在植入体内后具有较优的力学性能，可在降解周期内保持形态结构的稳定。

1 材料与方法

1.1 纤维材料选择

封堵器植入人体后，纤维组织逐渐长入并在其表面形成光滑的内皮细胞层，整个过程需要3个月左右，因此可吸收封堵器应在3个月内保持良好的结构稳定性。选用PPDO和聚己内酯(polycaprolactone，PCL)(均购自苏州迈缇康医疗科技有限公司)作为可吸收封堵器的原材料。这是因为PPDO和PCL均是当前可吸收封堵器研究中的常用材料[4, 6-9]，其中：PPDO强度较高，表面光滑，可编织性强，且易于热压成型，降解周期为6～9个月，最终降解产物为二氧化碳和水；而PCL具有优异的生物相容性，完全降解时间超过2年，力学性能保持时间较长，且质地柔软有利于介入手术操作[10]。具体为选用PPDO单丝和PCL复丝，采用尼康E200-F型生物显微镜观察并测量纤维直径，采用PerkinElmer DSC 4000型差示扫描量热仪对材料的热学性能进行分析。结果显示，PPDO单丝和PCL复丝的直径分别为(0.24±0.01)和(0.14±0.02)mm，熔融温度分别为(100.52±0.18)和(61.41±0.91) ℃。

1.2 皮芯结构编织型包覆纱的设计与制备

Bu等[6]将PPDO可降解封堵器用于动物试验，结果表明，由于PPDO单丝的形状记忆功能有限，封堵器的释放和回复性能预期效果不够理想，并且用PPDO编织而成的封堵器经长时间手术操作后易于出现封堵器变形的问题[2]。本研究采用编织成型工艺制备一种皮芯结构包覆纱(见图1)，用于改进封堵器编织结构，以增强封堵器的力学性能，从而使其稳固性达到更优。

选用8锭立式编织机，以PPDO单丝为芯纱，4根PCL复丝经菱形编织包覆在PPDO表层，形成皮芯结构的编织包覆纱(braided covered yarn，BCY)，通过调整齿轮比使得PPDO表层完全被PCL复丝包覆。BCY表层的PCL纤维会在后续热处理过程中发生熔融，复丝纤维之间相互融合形成完整光滑的皮层，包裹着芯层的PPDO单丝，形成熔融包覆纱(melted covered yarn，MCY)。纱线拉伸性能参照YY 1116—2020《可吸收性外科缝线》进行测试，结果如表1所示。与PPDO单丝相比，BCY由于PCL复丝的包覆，纱线直径增大，弹性模量和断裂强度减小。与BCY相比，MCY更加均匀规整，熔融后纱线直径减小，而初始模量、断裂强度和断裂伸长率显著增加，因此纱线力学性能有所增强。

表1 纱线规格及基本力学参数

1.3 材料细胞毒性测试

参考GB/T 16886.12《医疗器械生物学评价第12部分:样品制备和参照材料》，将PPDO和MCY剪碎成15 mm长的纤维试样，各准备3个平行样放置在24孔板内，每个平行样中有10根纤维，酒精熏蒸24 h后加入不锈钢环，继续熏蒸24 h后转移至超净台，用灭菌后的磷酸缓冲盐(PBS)溶液清洗3次。选用人脐静脉内皮细胞(HUVEC)及内皮细胞生长培养基，置于细胞培养箱中培养1、4、7 d，隔天换液。分别于第1、4、7 d用CCK-8法进行细胞增殖测定，每孔加入500 μL含CCK-8工作液(体积分数为10%)的无血清培养基，于培养箱中培养3 h后转移至96孔板，用酶标仪(美国Thermo公司)在450 nm波长下测定吸光度(OD)值。根据式(1)计算每个样品的细胞相对增殖率Rgr，其中，ODm为试验组的OD均值，ODn为阴性对照组(空白样)的OD均值。参照GB/T 16886.5《医疗器械生物学评价第5部分:体外细胞毒性试验》评价细胞毒性(见表2)。

(1)

表2 体外细胞毒性试验评级标准

1.4 双组分完全可吸收封堵器的结构设计与制备

将不同数量比的BCY和PPDO单丝按一定规律经菱形编织制成管状结构，利用PPDO和PCL两者的熔点差异，在90 ℃下经模具热压成型[11]得到两侧对称的双盘片结构(直径约13 mm)，腰部为圆柱形(直径约7 mm，高约4 mm)，其中BCY热熔后变为MCY。根据实际可操作性设计了4种不同组分配比，最终得到的封堵器中MCY和PPDO单丝的比例分别为0∶8、1∶7、2∶6和3∶3，其中3∶3比例的封堵器因在热定型后无法顺利回收进鞘管而被舍弃。单组分封堵器(0∶8)中仅含有PPDO×PPDO编织点，含有BCY的双组分封堵器在热处理后含有PPDO×PPDO、PPDO×MCY和MCY×MCY的黏结编织点结构，试样组分配比及编织结构如图2所示，每组样品各5个。其中，PPDO×MCY黏结点表面的PCL纤维经热处理会产生凹槽，封堵器正是依靠该黏结点发生部分位移来维持其形变能力，而MCY×MCY黏结点较为稳定，在封堵器发生形变时仍保持其黏结结构。

图2 不同纱线组分配比封堵器的编织结构

1.5 封堵器的结构与力学性能表征

1.5.1 结构参数测试

用游标卡尺测量MCY0PPDO8、MCY1PPDO7、MCY2PPDO63组完全可吸收封堵器的尺寸，即左、右两侧盘片及腰部的直径，对比分析相同编织工艺下不同纱线组分材料的尺寸是否存在显著性差异。

1.5.2 稳定性测试

左右心室之间的压差约为6.65～13.30 kPa(50～110 mmHg)，按最大力值计算，心室之间的血流冲击力最大可达14.67 kPa。将3组封堵器置于直径为6 mm的VSD缺损模型中，根据缺损直径计算得到此时封堵器须承受的最小力值为0.41 N。参照YY/T 1553—2017《心血管植入物 心脏封堵器》中对封堵器固定有效性的要求，用SH-20型数显推拉力机(上海思为仪器)将封堵器左盘从缺损模型中顶出，记录封堵器脱落时的最大力值，每个样品测试1次。

1.5.3 封堵器压缩性能测试

为模拟封堵器植入心脏后受到血流左向右分流的冲击作用，将封堵器置于直径为6 mm的VSD缺损模型中，用人体内生物管道压缩弹性测试仪(莱州市电子仪器)对封堵器左盘进行轴向定负荷压缩，压缩示意图如图3(a)所示。初始隔距为15 mm，定负荷为0.41 N，压缩速率为10 mm/min，定荷停置时间为5 s，回复速率为10 mm/min，回复后停置时间为5 s。压缩测试后得到3组编织型封堵器的压缩-回复曲线，如图3(b)所示。其中，L为总压缩距离，L1为缓弹回复距离，L2为急弹回复距离，压缩模量是指压缩曲线初始段的斜率。

(a) 压缩示意图

为评估所制备的双组分可吸收封堵器的压缩性能，根据式(2)～(6)计算样品的应力松弛率Rsr、弹性回复率Rer、急弹性回复率Raer、缓弹性回复率Rler以及能量损失率Rel。

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1.5.4 封堵器入鞘力测试

选用不同规格的鞘管6F、8F、10F，在37 ℃水浴中将3组封堵器依次输送装入鞘管，每个样品测1次，测试每组样品的入鞘力并进行分析。

1.5.5 封堵器进鞘后形变恢复能力

在37 ℃水浴条件下，将封堵器压缩装入10F鞘管中10 min后释放，测量3 min后其左侧盘片尺寸，并与原始盘片尺寸进行对比，释放后盘片直径与原始盘片直径的比值为封堵器进鞘后再释放的形变回复率。

1.6 统计学分析

采用IBM SPSS Statistics 25软件进行统计分析，用one-way ANOVA法比较分析样本间的显著性差异，取α=0.05，计算P值(P<0.05为*，P<0.01为**，P<0.001为***)。

2 结果与讨论

2.1 材料细胞毒性

PPDO和MCY两种纤维材料的细胞相对增殖率测试结果如图4所示。

图4 封堵器材料细胞相对增殖率Fig.4 Relative cell proliferation rate of occluder material

由图4可知，细胞在PPDO试样中培养1、4和7 d的相对增殖率依次为111.18%、110.87%和98.26%，而在MCY试样中培养1、4和7 d的相对增殖率依次为105.39%、94.21%和86.00%。两种试样和阴性对照样的细胞相对增殖率仅在1 d时存在显著性差异，而在7 d时3种试样的细胞相对增殖率无显著性差异。两种纤维材料的细胞毒性评价结果均为0或1，即无细胞毒性，表明用来制备封堵器的完全可吸收材料具有良好的细胞相容性。

2.2 封堵器的结构参数

3组封堵器的左盘、腰部及右盘的直径测量结果如表3所示。由表3可知，随着MCY比例的增加，封堵器腰部直径有略微减小的趋势。这是因为单一组分的PPDO封堵器在纤维内应力的作用下，由于可滑移的点数较多，纤维有向外扩张的趋势，而双组分的PPDO/MCY封堵器因为存在MCY×MCY黏结点，封堵器在脱离摸具后更容易保持原有的尺寸形态，且随着黏结点数的成倍增加，腰部直径略有减小。

表3 封堵器各部位直径

2.3 封堵器的力学性能

2.3.1 封堵器的稳定性

用推拉力计将3组封堵器从直径为6 mm的VSD缺损模型中顶出的力值均大于0.41 N，符合VSD封堵器的稳定性要求。MCY0PPDO8、MCY1PPDO7、MCY2PPDO6封堵器的脱落力值分别为(3.72±0.16)、(5.30±0.33)和(6.78±0.33)N，可见脱落力值随MCY0PPDO8、MCY1PPDO7、MCY2PPDO6中黏结点数量的增加而增大，并且3组封堵器的测试结果之间均存在显著性差异(P<0.001)。

2.3.2 封堵器的压缩性能

不同组分封堵器的压缩性能测试典型曲线如图5所示。由图5可知，当压缩载荷达到0.41 N时停止压缩行为，在压缩距离固定后，由于封堵器编织点在外力作用下发生滑移扩张，压缩载荷会在短时间内持续增大，达到稳定值后由于应力松弛而逐渐减小。双组分封堵器的压缩载荷最大值和压缩模量均大于单组分封堵器，可见双组分封堵器的力学性能有所增强。

图5 封堵器压缩-回复单次曲线图Fig.5 Compression-recovery single curves of occluders

不同组分封堵器的压缩性能测试结果如图6所示。由图6可知，双组分封堵器的压缩模量分别增加了45.80%和23.66%，其中MCY1PPDO7的压缩模量显著高于MCY0PPDO8，但其误差波动范围较大，这可能是因为黏结点在盘面上的分布不如MCY2PPDO6均匀。图6(b)表示3组封堵器在压缩应力为0.41 N时保持应变不动一定时间后的应力松弛情况，可以看出双组分封堵器的应力松弛率均略低于单组分封堵器，这是因为PPDO×PPDO编织点在受到压力发生变形的过程中，纱线更容易发生滑移，形变程度较大。双组分封堵器的弹性回复率显著高于单组分封堵器，其中，双组分结构的急弹性回复率均随黏结点数的增加而增大，而缓弹回复率正好相反。此外，MCY1PPDO7和MCY2PPDO6的弹性回复率和急弹性回复率均无显著性差异，可见弹性回复能力并不完全随黏结点的变化而变化，即较少的黏结点数就可达到较优的弹性回复能力。3组封堵器的能量损失率均存在显著性差异，并且黏结点数越多的封堵器在压缩和回弹过程中能量消耗程度越小。

2.3.3 封堵器的入鞘力

封堵器在37 ℃水浴条件下输入鞘管所需的力值汇总如表4所示。由表4可知，双组分封堵器的入鞘力随MCY组分比例的增加而增大。MCY2PPDO6封堵器在进入6F鞘管时，单丝之间互相挤压变形，无法顺利进入鞘管。这是因为MCY纱线的直径要明显大于PPDO单丝，且黏结点具有固定双盘状结构的特点，使得双组分封堵器在压缩至相同管状直径时所需的力值更大。

表4 封堵器入鞘力测试结果

2.3.4 封堵器进鞘后的形变恢复能力

封堵器在37 ℃、10F鞘管中保持10 min后释放，其左侧盘片进鞘后的形变恢复率如图7所示。由图7可知，MCY0PPDO8、MCY1PPDO7和MCY2PPDO6的形变回复率分别为(98.83±0.81)%、(95.70±2.71)%、(87.07±2.00)%。其中，MCY0PPDO8和MCY1PPDO7之间无显著性差异，而MCY2PPDO6的形变回复率较低，可见少量的黏结点不会明显降低封堵器的形变恢复能力，而黏结点数较多则会造成封堵器的形变回复能力下降。

图7 封堵器进鞘后再释放的形变回复率Fig.7 Deformation recovery rate of occluders after sheath delivery and release

3 结 语

选用具备良好生物相容性的皮芯结构复合MCY制备双组分力学增强型封堵器，探究了MCY和PPDO不同组分配比的编织结构对封堵器力学性能的影响。该类封堵器封堵缺损部位时能在实现更小的腰部直径的同时具备更优的结构稳定性，能提高封堵器的有效固定性，有望在缺损规模不变的情况下实现更小的封堵器尺寸，且双组分封堵器可提高封堵器在小应力作用下的抗压能力，MCY的引入增加了封堵器之间的黏结点，可进一步提高封堵器受血流冲力后回弹至原有形态的能力。力学测试结果表明，相比MCY2PPDO6封堵器，MCY1PPDO7封堵器的MCY×MCY黏结点数量较少，具备更高的压缩模量和更高的弹性回复能力，更容易输入鞘管，形变回复能力较好，即可满足心脏封堵器要求的较优力学性能和较低入鞘力，有望进一步用于动物试验。