一体化编织食管覆膜支架制备及力学性能

孙世博， 刘晓凤， 李金奉， 姜博宸，郭爱军， 王雨楠， 关国平， 王 璐

(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.广东富江医学科技有限公司，广东 珠海 519040)

食管狭窄是临床上常见的消化系统疾病，一般分为良性狭窄和和恶性狭窄，其中，恶性狭窄是由食管癌引发的食管疾病。中国是世界上食管疾病高发的国家[1]，食管癌死亡率高达92%[2]。食管癌的治疗方法包括切除病变段后的食管重建和食管支架的植入[3-4]。其中食管支架植入作为开放手术和化疗的重要补充已被广泛应用于临床[5]，欧洲胃肠道内镜学会甚至将其定为最佳治疗方案[1]。

食管支架通常包括金属裸支架和覆膜支架两类。镍钛合金是自膨式金属支架最常用的原材料，具有优异的形状记忆性、超弹性和可加工性[6]。虽然金属裸支架结构简约、应用方便，但由于组织容易向支架内生长易造成食管再狭窄[7-9]。因此，研究者们在裸支架的基础上，设计了自膨式覆膜支架[10]。膜材料一般选用硅胶、聚乙烯、聚氨酯等富有弹性的聚合物或聚己内酯等可降解材料[11-14]。临床研究表明，目前的商用覆膜支架植入人体后，容易发生膜的破损和撕裂，易引发食管的再狭窄[15]。为解决这一问题，目前接受食管覆膜支架治疗的患者多食用流食，生活质量较低。

新型一体化编织技术是一种可将涤纶长丝和镍钛合金丝一次性加工成覆膜支架的成型方法[16-17]，这种一体化编织型覆膜支架具有生产效率高、结构易调节、覆膜强度高、结构稳定、多孔、柔顺性好等诸多优点。运用一体化编织成型技术探索制备一种一体化食管覆膜支架并对其力学性能进行较为系统地评价，以期为开发新一代食管覆膜支架或人工食管产品提供参考。

1 材料与装置

镍钛合金丝，直径分别为0.15和0.20 mm，广东富江医学科技有限公司；涤纶长丝，100 tex/192 f；聚氨酯(PU)，上海希格玛高技术有限公司；4-0涤纶缝合线，上海浦东金环医疗用品有限公司。不锈钢螺杆，直径为8 mm；马弗炉，德国Nabertherm。

2 制备及测试方法

2.1 编织型食管支架的制备

采用东华大学生物医用纺织品实验室自主设计的24锭编织机，以直径0.15 mm的镍钛合金丝为材料，将直径为8 mm的不锈钢棒作为芯棒，制备具有规则编织结构且编织角为60°的金属裸支架(N-SG)。采用浸渍干燥法，用质量分数为5%的聚氨酯溶液制备PU覆膜支架(P-SG)。采用48锭编织机，以直径为0.20 mm的镍钛合金丝和100 tex /192 f的涤纶复丝为原材料(两者的配纱比为1∶3)，将直径为8 mm的不锈钢棒作为芯棒，以30 r/s的编织速度制备规则编织结构且编织角为60°的一体化覆膜支架(Y-SG)。基于Y-SG下机时的编织角和外直径参数，设计并制备适用于Y-SG端部处理的W形镍钛合金环[18]。将W形金属环缝合于Y-SG的两端，得到最终形态的一体化覆膜支架(W-SG)。商用食管覆膜支架常用规格为内直径18～25 mm，但由于编织大规格的食管覆膜支架需要特殊设备，基于现有设备对支架尺寸进行等比例缩小，制得内直径为8 mm的食管覆膜支架样品用于初步探索试验，以期为后续研究人体食管支架产品的形态结构和力学性能提供参考。

2.2 食管支架的可输送性测试

食管支架植入术属于微创手术，支架在使用前先要置入输送器的鞘管中，在指定部位释放后恢复至原来的尺寸。因此评价食管支架入鞘过程中的直径变化和释放后的弹性回复性能非常重要，良好的可输送性是支架能够被应用的前提。参照血管内器械标准[19-20]，选用YG(B)026 G型多功能强力机对4种食管支架进行轴向定伸长拉伸测试。拉伸速率为100 mm/min，停滞保持时间为120 s，试样长度为40 mm，每种试样测试5个样本。

2.3 食管支架的径向支撑性能测试

食管支架的径向支撑性能是体现支架功能的重要指标[21-23]。选用YG061型径向压缩仪测试食管支架的径向支撑性能，采用定距离压缩法[20]进行试验。压缩距离为食管支架外径的50%，压缩和回复速率均为40 mm/min，设定停滞时间分别为10、20、30 s，用以考察停滞时间对支架径向支撑性能的影响。每种试样测试3个样本，每个样本测试3个位点。通过压缩强力、应力松弛率和弹性回复率评价支架的径向支撑性能[24]。

2.4 食管支架的覆膜强度测试

较高的覆膜强度可避免因覆膜破裂而导致的并发症，这是本研究所设计的编织型食管支架的优势之一。然而目前并没有相关的专用测试仪器和方法，选用YG(B)026 G型多功能强力机，在一个持续的动态交变循环应变作用下对P-SG和Y-SG进行轴向定伸长反复拉伸试验，以模拟支架在体内的疲劳状况，从而定性地间接评价覆膜强度。试样长度为40 mm，拉伸速率和回复速率均为1 000 mm/min，停滞保持时间为2 s，循环次数为50次。试验结束后使用PXS8-T型体式显微镜观察覆膜的表观形态。

2.5 食管支架的弯曲性能测试

支架的高柔顺性非常有益于食管支架适配不同患者的食管形态及食管蠕动、吞咽等生理学活动。取长度为50 mm的食管支架试样，用两根聚四氟乙烯(PTFE)棒使支架弯折180°，观察弯曲过程中覆膜支架的形态变化。弹性回直力是指弯曲的支架回复到原始状态所需的力，回直力可以定性地反映支架的弯曲柔顺程度，本研究采用测力计定量测试食管支架的弹性回直力[24]。将外直径为8 mm的PTFE棒插入支架一端，分别测试支架另一端在弯曲30°、60°、90°、120°、150°和180°时的回直力。每种试样测试3次。

2.6 数据统计分析

3 结果与讨论

3.1 编织型食管覆膜支架的形态结构

食管支架和W形金属环的形态结构如图1所示。4种支架的内直径均为8 mm，结构规整、形态稳定。N-SG和P-SG的外直径为8.4 mm，编织角为60°，金属丝密度为37根/5 cm。Y-SG和W-SG的外直径为9.8 mm，编织角为60°，金属丝的密度为19根/5 cm。从图1中的b和b1图可以看出，P-SG覆膜支架中的聚氨酯膜将金属丝完全包覆，使得金属支架的孔被完全封闭，但未对金属支架的整体结构造成明显影响。Y-SG的管壁由交错的涤纶复丝和镍钛合金丝组成，结构规则致密。W-SG(见图1c)为一体化覆膜支架的最终形态，W形金属环的缝合方法参照商用血管覆膜支架的缝合法，使用一根缝合线连续缝合固定至Y-SG上(见图1c1)。W形金属环与支架形态吻合，对端部金属丝的固定效果良好。

注：a为N-SG, b为P-SG, c为W-SG, d为W形金属环; a1、b1为N-SG和P-SG的局部放大图;c1、c2为W-SG的收边部位和中间部位局部放大图；e为W形金属环设计图。图1 食管支架和W形金属环Fig.1 Esophageal stents and W-shape metal ring

3.2 食管覆膜支架的可输送性

4种试样伸长过程中外直径的变化规律如图2所示。由图2可知：随着支架沿轴向伸长，4种试样的外直径均呈减小趋势。其中:N-SG和P-SG的外直径减小至3.31和2.61 mm，分别下降了56.09%和68.87%;Y-SG和W-SG的外直径减小至4.45和4.21 mm，分别下降了54.61%和57.52%。Y-SG和W-SG在拉伸至90%伸长率时，外直径被压缩为原直径的45.39% 。4种食管支架的直径均可至少缩小变细至原直径的50%，具备鞘管内可压缩性，便于输送。

图2 4种食管支架轴向伸长过程中外直径变化曲线Fig.2 Curves of the outer diameter changes of four esophageal SGs during axial elongation

4种食管支架拉伸回复过程中的力-位移曲线如图3所示。当4种支架拉伸至直径不再变化时，N-SG、P-SG、Y-SG、W-SG对应的伸长率分别为100%、100%、90%和75%，对应的力值分别为2.01、4.94、7.12和8.18 N。这说明当支架被压缩入鞘管时，裸支架N-SG最容易被压缩，而W-SG在压缩过程中所需要的力值最大，这与W形金属环对覆膜支架端部的固定作用有关。对比4条力学曲线可以看出，4种支架的拉伸加载和卸载曲线非常接近，表明支架压入输送器的过程中能量损失较少，具有良好的弹性回复性能。

图3 4种食管支架轴向拉伸的力-位移曲线Fig.3 Strength-distance curves of four esophageal stents during axial extension

4种支架的弹性回复率如图4所示。由图4可知，N-SG、P-SG、Y-SG、W-SG的弹性回复率分别为97.63%、95.72%、96.81%和96.99%，说明4种支架均具有良好的结构稳定性，当其从输送器中释放时，均可较好地回复到原来的尺寸。同时，间接说明压缩后4种食管支架样品的支撑性能不受影响。

图4 4种食管支架的弹性回复率Fig.4 Elastic recovery rate of four esophageal stents

3.3 食管支架的径向支撑性能

径向支撑力是评价自膨式食管支架性能的重要指标。若支撑力过小，则不足以撑开食管狭窄部位，会造成支架移位和手术失败等问题；若支撑力过大，会造成食管管壁的损伤和内膜增生，从而引发食管再狭窄[25]。4种食管支架的径向支撑测试结果如图5所示。

由图5可知，N-SG、P-SG、Y-SG和W-SG的压缩强力分别为236.84、447.65、489.42和493.21 cN。相比N-SG，覆膜的存在限制了金属丝的自由滑移，从而提高了支架P-SG的径向支撑性能。与PU覆膜相比，一体化编织覆膜对支架Y-SG径向支撑性能的提高更多,而用W形金属环处理端部似乎对Y-SG的径向支撑性能没有显著影响。值得一提的是，编织型一体化覆膜支架可通过改变金属丝尺寸、涤纶丝细度以及金属丝与涤纶丝的纱线配比等，灵活调节覆膜支架的径向支撑力。这充分体现了一体化编织方法的高效性，可根据食管狭窄患者不同的病情需要制备个性化和精准化的覆膜支架，能够满足多样的临床需求。

压缩终点的停滞时间对支架的应力松弛率有明显影响。不同停滞时间下支架的应力松弛率测试结果如图6所示。由图6可知，随着停滞时间的增加，Y-SG的应力松弛率呈增大趋势，这体现了纺织材料受力变形的特点。相比传统的覆膜支架P-SG，一体化覆膜支架Y-SG的应力松弛率较低,这表明一体化覆膜支架抵抗外力变形的能力优于P-SG。W-SG与Y-SG的应力松弛率无显著性差异，表明W形金属环对支架抵抗外力变形性能无显著影响。

图6 不同停滞时间下4种食管支架的应力松弛率Fig.6 Stress relaxation rate of four esophageal stents under varying retention time

不同停滞时间下4种食管支架的弹性回复率如图7所示。由图7可知，一体化覆膜支架Y-SG和W-SG的弹性回复率均低于P-SG，表明编织结构覆膜支架的纤维与纱线之间较易滑移导致形变，并且这种滑移随着停滞时间的延长而转变为不可回复的形变，这是由纱线之间较大的摩擦力所致。说明相比一体化覆膜支架，聚氨酯覆膜支架受到外力作用时产生的塑性变形更小。编织成型的方法具有高适应性和结构灵活可调的特点，未来可通过改变金属丝与涤纶丝的细度以及二者的配比等，进一步调控覆膜支架的力学性能。

图7 不同停滞时间下4种食管支架的弹性回复率Fig.7 Elastic recovery rate of four esophageal stents under varying retention time

3.4 食管支架的覆膜强度

50次定伸长拉伸试验前后，P-SG和Y-SG覆膜的表观形态如图8所示。由图8可以看出：拉伸前，聚氨酯膜紧密均匀地包覆在镍钛合金丝上且封闭了金属丝交织处的孔，膜结构完整，表面光滑(见图8a)；拉伸后，支架P-SG的PU覆膜出现了多处破损和撕裂，部分区域甚至出现了膜剥落的现象(见图8b)。这就验证了传统食管覆膜支架在长期植入人体后，存在发生再狭窄以及使支架变为永久植入而影响取出的问题[7]。同时，传统食管覆膜支架还存在由于支架径向支撑性能受损而发生支架移位的风险[25]。即使是在测试后，Y-SG的结构仍然保持稳定，涤纶丝仍规律地交错排列，并未出现任何磨损或者断裂现象(见图8d)。间接说明一体化编织覆膜支架具有很高的覆膜强度，可以提供稳定的径向支撑力，适用于中长期植入(3～6个月)[26]。支架植入后可以长期保持腔道的通畅，能够保证患者顺利地饮水和进食，可提高患者的生活质量。针对覆膜支架的膜强度测试方法及测试装置尚待进一步探索研究。

注：a,b为测试前、后P-SG的膜结构; c,d为测试前、后Y-SG的膜结构。图8 疲劳测试前后P-SG和Y-SG的表观形貌Fig.8 Surface morphology of P-SG and Y-SG before and after fatigue tests

3.5 食管支架的弯曲性能

支架弯曲时管腔直径的变化反映了支架的柔顺性，而柔顺性能是评价支架使用性能好坏的重要指标之一。4种食管支架弯曲180°后的表观形貌如图9所示。由图9可以看出，一体化编织覆膜支架Y-SG和W-SG同传统的裸支架和覆膜支架一样，均表现出优良的柔顺性，两种覆膜支架在弯曲180°时，仍保持了管腔直径的稳定和管道的通畅。这对适应食管蠕动、吞咽等生理学活动非常有益，并且较高的柔顺性可显著减少支架对食管内壁的刺激和因此而引起的出血，以及支架内再狭窄和炎症等一系列并发症[27]。

注:a～d依次为N-SG、P-SG、Y-SG、W-SG。图9 弯曲180°后4种食管支架的表观形态Fig.9 Apparent morphology of four esophageal stents after 180° bending

弹性回直力可以定量地评价支架的柔顺性。不同弯曲角度下4种食管支架的弹性回直力如图10所示。由图10可知，随着弯曲角度的增加，弹性回直力呈增大趋势。在弯曲150°时，4种支架的弹性回直力分别为0.48、0.83、1.00和0.98 N，数值较小，说明4种支架均具有良好的柔顺性[21]，在食管生理弯曲范围内，支架可以很好地适配食管形态及运动。

图10 食管支架弯曲测试图及4种食管支架弹性回直力的测试结果Fig.10 Photograph of esophageal SG bending test and elasticity test results of four esophageal SGs

4 结 语

运用一体化编织型成型技术，以镍钛合金丝和涤纶长丝为原材料，设计并制备了一种一体化食管覆膜支架。研究表明，所制备的食管覆膜支架形态结构稳定，尺寸灵活可调，径向支撑性能和柔顺性优良，覆膜耐疲劳性优良，并且该覆膜支架可输送性好，弹性回复率高。与传统手工制备的覆膜支架相比，一体化编织型成型技术的制备效率得到大幅提高。研究结果有望解决传统覆膜支架生产效率低、覆膜强度不足等问题，可为开发新一代食管支架产品或人工食管提供理论和试验依据。