己內酯基生物降解輸尿管支架材料的比較

岳 鑫 黃莉萍 岳 磊 孔祥波

(吉林大學中日聯誼醫院泌尿外科,吉林 長春 130033)

多種泌尿外科手術術后為防止輸尿管狹窄的發生,需要置入輸尿管支架。目前臨床使用的多為不可降解的硅膠輸尿管支架,術后 2～4個月須將支架取出,增加了患者痛苦和經濟負擔。本研究中,利用生物醫用高分子材料制備的己內酯/丙交酯共聚物(PCLA,CL∶LA=30∶70)及己內酯/環氧乙烷共聚物(PCL/PEO=50∶50)進行動物體內降解研究,以評價己內酯作為原料與其他高分子材料共聚后的應用前景。

1 材料與方法

1.1 材料 精密光電分析天平(上海天平儀器廠)、掃描電子顯微鏡、410型凝膠滲透色譜儀(GPC)美國 WATERS公司、真空干燥箱。無規聚合物 PCLA(CL∶LA=30∶70)和嵌段共聚物PCL-PEO(PCL-PEO=50∶50)由中國科學院長春應用化學研究所生物醫用高分子材料中心合成。試樣截成 10 mm×5 mm、厚約 1mm的片狀,每片材料質量約 100 mg。真空干燥 48h,以除去殘余有機溶劑,甲醛熏蒸消毒后備用。健康成年 SD大鼠 80只(吉林大學動物實驗中心提供),性別不限,體重 250～300 g。1.2 方法

1.2.1 分組 PCLA組:將 40只實驗大鼠隨機分成 5組,每組8只,分別設為 2,4,6,8和 12 w五個時間點。PCL-PEO組:SD大鼠 40只分為 5組,每組 8只,分成 2,4,6,8和 12 w不同的時間組。

1.2.2 埋植過程 所有動物均籠養,喂以全價精飼料。大鼠麻醉生效后,于背部中線切開皮膚長約 3 cm左右,逐層分離達脊柱肌肉。于無菌條件下將PCLA試件植入各組大鼠脊柱肌肉中,逐層縫合。PCL-PEO組中,將PCL-PEO試件植入各組大鼠脊柱肌肉中,

1.2.3 取材過程 分別在 2,4,6,8 w和 12 w以過量麻醉處死大鼠,取出大鼠背部試件及外周的肌肉組織,小心去除包裹材料的組織包膜,用蒸餾水反復沖洗,試樣真空干燥48 h后備用。

1.2.4 分析評價方法 測量材料的質量和分子量變化,并計算失重率及生物降解率。失重率:小心去除包裹材料的組織包膜,用蒸餾水反復沖洗,試樣真空干燥 48h后,用分析天平稱取材料的重量為殘重。試樣的原始重量為初重,為 100 mg。失重率 =100%(初重-殘重)/初重。分子量:凝膠滲透色譜儀測量材料的分子量。以聚苯乙烯(PS)為標樣,氯仿為流動相,用凝膠滲透色譜(GPC)測量材料的數均相對分子量。生物降解率 =100%(初始分子量 -降解后分子量)/初始分子量。

1.3 統計學方法 應用 SPSS9.0統計軟件,組間比較采用方差分析及 U檢驗,t檢驗。

2 結 果

2.1 失重率 PCLA在體內實驗中于 2,4,6,8w和 12 w時的失重率分別是 1.28%,2.37%,5.68%,18.3%及 32.1%。PCLEO在體內實驗中于 2,4,6,8 w和 12 w時的失重率分別是0.96%,1.48%,7.56%,14.6%,23.2%。明顯失重在 6～8 w之后(P＜0.01)。在降解的初期(0～6 w)無明顯失重。

2.2 生物降解率 PCLA于 2,4,6,8 w和 12 w時分別為22.47%,46.54%,51.86%,52.99%和 57.8%。聚合物酯鍵斷裂成低分子量物質,高分子鏈斷裂速率較快在共聚物開始降解的 0～4 w,其分子量下降迅速,PCLA于 4 w時其生物降解率已達到 46.54%,隨后緩慢,12 w時的生物降解率僅達到 57.8%。

2.3 電鏡觀察 隨著降解時間的延長,表面出現大量侵蝕后的小孔洞,于 8w時可見裂口加深加寬,試樣結構呈現疏松狀,可見有斷層出現,斷面有較深的裂洞。可以看出其明顯吸收時間為 8 w左右,斷面降解快于表面。見圖 1。

圖1 電鏡觀察降解變化

3 討 論

3.1 在臨床應用及生物醫學工程學上的探索 生物醫學工程是從工程學及多個層面上研究生物體,特別是人體的結構、功能和生命現象,研究和開發用于防治疾病、人體功能輔助及衛生保健的人工材料、制品、裝置系統和工程技術的學科。支架材料的發展經歷了從聚乙烯,硅樹脂等惰性材料到近期高分子聚酯類降解材料的漫長發展過程。對于多數輸尿管手術,腎盂手術,腎鏡手術,輸尿管鏡手術,術后均需留置輸尿管支架管,留置支架管已成為目前一種常用的手術方式。輸尿管支架管的作用是引流尿液,維持管徑,防止狹窄。對于支架管的長期留置,支架管的二次有創取出,各種原因導致的輸尿管長段狹窄或缺損等問題的處理,一直是臨床醫生所必須面臨及較難解決的問題,可降解性輸尿管支架管的出現為上述問題的解決提供了可能性,它可以為短期留置,長期留置提供選擇的可能,避免二次有創取出。

理想的輸尿管支架應具備以下特征:(1)可操作性。從外形設計到物理性能都要考慮操作方便。(2)良好的支架功能。(3)無刺激性,生物相容性好。材料本身應該不致畸、不致癌、不致突變,局部無刺激性。(4)抗感染和抗硬化特性。(5)對于要求長期植入(大于 1個月)的輸尿管支架應該在體內穩定,不降解,不變性;對于要求短期植入(小于 1個月)的輸尿管支架管則在完成支架和引流功能后可完全生物降解,隨尿液排出體外。(6)支架管造價不宜過高。

PCL和PLA及PEO作為生物降解支架材料都具有良好的加工性能〔1,2〕。選作輸尿管支架材料的 PCL力學性能優異,但是降解時間長,體內完全降解約需時 1～2年。與其他組分共聚能夠改進 PCL基材料生物相容性并調節降解時間。PEO本身機械強度不高,但是具有良好的親水性,生物相容性好。PLA的降解時間短于PCL,可加快共聚物降解的時間,使其降解周期在數月內。通過比較,加快降解時間丙交酯的比例應大于70%,環氧乙烷的比例應大于 50%。因此,己內酯基是一種可調控的輸尿管支架原料。

通過比較兩種材料發現 PCLA降解快于 PCL-PEO。PCLA體內降解 4 w內大體性狀無明顯改變強度在 8 w內呈增強趨勢。PCL均聚物的體內降解要經過兩個過程,第一階段是無規水解過程,重量損失不明顯,第二階段是低聚物擴散離開材料本體,可觀察到明顯的重量損失。

通過比較,己內酯基輸尿管支架原料既可以作為長期使用輸尿管支架材料,又可作為短期輸尿管支架材料使用。

3.2 探討失重率,降解率及電鏡下改變的內在原理 在體內實驗中,PCLA于 8 w時失重率是 18.3%,而生物降解率則是52.99%,重量的損失滯后于分子量的損失,這表明共聚物的降解過程,是屬于酯鍵斷裂的本體水解范圍〔3,4〕。電鏡下可見試樣表面出現增多的凹陷,逐漸變成小孔洞,裂隙增寬、加深,表明聚合物降解是一個酯鍵無規水解過程。降解材料的降解可分為本體降解和表面腐蝕降解。表面腐蝕降解的特征是材料的降解僅發生于材料的表面,而材料內部結構基本保持不變,材料的降解速度僅取決于材料同周圍組織液的接觸面積。

聚合物體內肌肉埋植實驗中其降解過程,主要是水解過程,但亦與體內酶、血液循環,應力等多種因素有關〔5～8〕。 PCL是半晶聚合物,當與 PLA以化學鍵形成共聚物時,PCL能夠排列形成規整的結構,PLA存在于 PCL的非晶區,降解時,由于PLA降解速率快于 PCL,非晶區的組分首先降解,故而 PCLA降解性快于單純PCL。在本實驗中,體內實驗8 w PCLA的生物降率已達到約 50%左右。結果說明共聚物的降解是從較快的組分開始的,而且結晶區降解速度慢于非結晶區降解速度,親水組分降解快于非親水組分。因此,將兩種或兩種以上具有不同的降解速率的單體進行共聚后,通過調節共聚物的組成,可以達到調節共聚物生物降解速率的目的。

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