一體化編織食管覆膜支架制備及力學(xué)性能

孫世博， 劉曉鳳， 李金奉， 姜博宸，郭愛(ài)軍， 王雨楠， 關(guān)國(guó)平， 王 璐

(1.東華大學(xué) a.紡織學(xué)院，b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620；2.廣東富江醫(yī)學(xué)科技有限公司，廣東 珠海 519040)

食管狹窄是臨床上常見(jiàn)的消化系統(tǒng)疾病，一般分為良性狹窄和和惡性狹窄，其中，惡性狹窄是由食管癌引發(fā)的食管疾病。中國(guó)是世界上食管疾病高發(fā)的國(guó)家[1]，食管癌死亡率高達(dá)92%[2]。食管癌的治療方法包括切除病變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為開(kāi)放手術(shù)和化療的重要補(bǔ)充已被廣泛應(yīng)用于臨床[5]，歐洲胃腸道內(nèi)鏡學(xué)會(huì)甚至將其定為最佳治療方案[1]。

食管支架通常包括金屬裸支架和覆膜支架兩類(lèi)。鎳鈦合金是自膨式金屬支架最常用的原材料，具有優(yōu)異的形狀記憶性、超彈性和可加工性[6]。雖然金屬裸支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約、應(yīng)用方便，但由于組織容易向支架內(nèi)生長(zhǎng)易造成食管再狹窄[7-9]。因此，研究者們?cè)诼阒Ъ艿幕A(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自膨式覆膜支架[10]。膜材料一般選用硅膠、聚乙烯、聚氨酯等富有彈性的聚合物或聚己內(nèi)酯等可降解材料[11-14]。臨床研究表明，目前的商用覆膜支架植入人體后，容易發(fā)生膜的破損和撕裂，易引發(fā)食管的再狹窄[15]。為解決這一問(wèn)題，目前接受食管覆膜支架治療的患者多食用流食，生活質(zhì)量較低。

新型一體化編織技術(shù)是一種可將滌綸長(zhǎng)絲和鎳鈦合金絲一次性加工成覆膜支架的成型方法[16-17]，這種一體化編織型覆膜支架具有生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)易調(diào)節(jié)、覆膜強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、多孔、柔順性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用一體化編織成型技術(shù)探索制備一種一體化食管覆膜支架并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行較為系統(tǒng)地評(píng)價(jià)，以期為開(kāi)發(fā)新一代食管覆膜支架或人工食管產(chǎn)品提供參考。

1 材料與裝置

鎳鈦合金絲，直徑分別為0.15和0.20 mm，廣東富江醫(yī)學(xué)科技有限公司；滌綸長(zhǎng)絲，100 tex/192 f；聚氨酯(PU)，上海希格瑪高技術(shù)有限公司；4-0滌綸縫合線，上海浦東金環(huán)醫(yī)療用品有限公司。不銹鋼螺桿，直徑為8 mm；馬弗爐，德國(guó)Nabertherm。

2 制備及測(cè)試方法

2.1 編織型食管支架的制備

采用東華大學(xué)生物醫(yī)用紡織品實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的24錠編織機(jī)，以直徑0.15 mm的鎳鈦合金絲為材料，將直徑為8 mm的不銹鋼棒作為芯棒，制備具有規(guī)則編織結(jié)構(gòu)且編織角為60°的金屬裸支架(N-SG)。采用浸漬干燥法，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的聚氨酯溶液制備PU覆膜支架(P-SG)。采用48錠編織機(jī)，以直徑為0.20 mm的鎳鈦合金絲和100 tex /192 f的滌綸復(fù)絲為原材料(兩者的配紗比為1∶3)，將直徑為8 mm的不銹鋼棒作為芯棒，以30 r/s的編織速度制備規(guī)則編織結(jié)構(gòu)且編織角為60°的一體化覆膜支架(Y-SG)。基于Y-SG下機(jī)時(shí)的編織角和外直徑參數(shù)，設(shè)計(jì)并制備適用于Y-SG端部處理的W形鎳鈦合金環(huán)[18]。將W形金屬環(huán)縫合于Y-SG的兩端，得到最終形態(tài)的一體化覆膜支架(W-SG)。商用食管覆膜支架常用規(guī)格為內(nèi)直徑18～25 mm，但由于編織大規(guī)格的食管覆膜支架需要特殊設(shè)備，基于現(xiàn)有設(shè)備對(duì)支架尺寸進(jìn)行等比例縮小，制得內(nèi)直徑為8 mm的食管覆膜支架樣品用于初步探索試驗(yàn)，以期為后續(xù)研究人體食管支架產(chǎn)品的形態(tài)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能提供參考。

2.2 食管支架的可輸送性測(cè)試

食管支架植入術(shù)屬于微創(chuàng)手術(shù)，支架在使用前先要置入輸送器的鞘管中，在指定部位釋放后恢復(fù)至原來(lái)的尺寸。因此評(píng)價(jià)食管支架入鞘過(guò)程中的直徑變化和釋放后的彈性回復(fù)性能非常重要，良好的可輸送性是支架能夠被應(yīng)用的前提。參照血管內(nèi)器械標(biāo)準(zhǔn)[19-20]，選用YG(B)026 G型多功能強(qiáng)力機(jī)對(duì)4種食管支架進(jìn)行軸向定伸長(zhǎng)拉伸測(cè)試。拉伸速率為100 mm/min，停滯保持時(shí)間為120 s，試樣長(zhǎng)度為40 mm，每種試樣測(cè)試5個(gè)樣本。

2.3 食管支架的徑向支撐性能測(cè)試

食管支架的徑向支撐性能是體現(xiàn)支架功能的重要指標(biāo)[21-23]。選用YG061型徑向壓縮儀測(cè)試食管支架的徑向支撐性能，采用定距離壓縮法[20]進(jìn)行試驗(yàn)。壓縮距離為食管支架外徑的50%，壓縮和回復(fù)速率均為40 mm/min，設(shè)定停滯時(shí)間分別為10、20、30 s，用以考察停滯時(shí)間對(duì)支架徑向支撐性能的影響。每種試樣測(cè)試3個(gè)樣本，每個(gè)樣本測(cè)試3個(gè)位點(diǎn)。通過(guò)壓縮強(qiáng)力、應(yīng)力松弛率和彈性回復(fù)率評(píng)價(jià)支架的徑向支撐性能[24]。

2.4 食管支架的覆膜強(qiáng)度測(cè)試

較高的覆膜強(qiáng)度可避免因覆膜破裂而導(dǎo)致的并發(fā)癥，這是本研究所設(shè)計(jì)的編織型食管支架的優(yōu)勢(shì)之一。然而目前并沒(méi)有相關(guān)的專(zhuān)用測(cè)試儀器和方法，選用YG(B)026 G型多功能強(qiáng)力機(jī)，在一個(gè)持續(xù)的動(dòng)態(tài)交變循環(huán)應(yīng)變作用下對(duì)P-SG和Y-SG進(jìn)行軸向定伸長(zhǎng)反復(fù)拉伸試驗(yàn)，以模擬支架在體內(nèi)的疲勞狀況，從而定性地間接評(píng)價(jià)覆膜強(qiáng)度。試樣長(zhǎng)度為40 mm，拉伸速率和回復(fù)速率均為1 000 mm/min，停滯保持時(shí)間為2 s，循環(huán)次數(shù)為50次。試驗(yàn)結(jié)束后使用PXS8-T型體式顯微鏡觀察覆膜的表觀形態(tài)。

2.5 食管支架的彎曲性能測(cè)試

支架的高柔順性非常有益于食管支架適配不同患者的食管形態(tài)及食管蠕動(dòng)、吞咽等生理學(xué)活動(dòng)。取長(zhǎng)度為50 mm的食管支架試樣，用兩根聚四氟乙烯(PTFE)棒使支架彎折180°，觀察彎曲過(guò)程中覆膜支架的形態(tài)變化。彈性回直力是指彎曲的支架回復(fù)到原始狀態(tài)所需的力，回直力可以定性地反映支架的彎曲柔順程度，本研究采用測(cè)力計(jì)定量測(cè)試食管支架的彈性回直力[24]。將外直徑為8 mm的PTFE棒插入支架一端，分別測(cè)試支架另一端在彎曲30°、60°、90°、120°、150°和180°時(shí)的回直力。每種試樣測(cè)試3次。

2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

3 結(jié)果與討論

3.1 編織型食管覆膜支架的形態(tài)結(jié)構(gòu)

食管支架和W形金屬環(huán)的形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示。4種支架的內(nèi)直徑均為8 mm，結(jié)構(gòu)規(guī)整、形態(tài)穩(wěn)定。N-SG和P-SG的外直徑為8.4 mm，編織角為60°，金屬絲密度為37根/5 cm。Y-SG和W-SG的外直徑為9.8 mm，編織角為60°，金屬絲的密度為19根/5 cm。從圖1中的b和b1圖可以看出，P-SG覆膜支架中的聚氨酯膜將金屬絲完全包覆，使得金屬支架的孔被完全封閉，但未對(duì)金屬支架的整體結(jié)構(gòu)造成明顯影響。Y-SG的管壁由交錯(cuò)的滌綸復(fù)絲和鎳鈦合金絲組成，結(jié)構(gòu)規(guī)則致密。W-SG(見(jiàn)圖1c)為一體化覆膜支架的最終形態(tài)，W形金屬環(huán)的縫合方法參照商用血管覆膜支架的縫合法，使用一根縫合線連續(xù)縫合固定至Y-SG上(見(jiàn)圖1c1)。W形金屬環(huán)與支架形態(tài)吻合，對(duì)端部金屬絲的固定效果良好。

注：a為N-SG, b為P-SG, c為W-SG, d為W形金屬環(huán); a1、b1為N-SG和P-SG的局部放大圖;c1、c2為W-SG的收邊部位和中間部位局部放大圖；e為W形金屬環(huán)設(shè)計(jì)圖。圖1 食管支架和W形金屬環(huán)Fig.1 Esophageal stents and W-shape metal ring

3.2 食管覆膜支架的可輸送性

4種試樣伸長(zhǎng)過(guò)程中外直徑的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知：隨著支架沿軸向伸長(zhǎng)，4種試樣的外直徑均呈減小趨勢(shì)。其中:N-SG和P-SG的外直徑減小至3.31和2.61 mm，分別下降了56.09%和68.87%;Y-SG和W-SG的外直徑減小至4.45和4.21 mm，分別下降了54.61%和57.52%。Y-SG和W-SG在拉伸至90%伸長(zhǎng)率時(shí)，外直徑被壓縮為原直徑的45.39% 。4種食管支架的直徑均可至少縮小變細(xì)至原直徑的50%，具備鞘管內(nèi)可壓縮性，便于輸送。

圖2 4種食管支架軸向伸長(zhǎng)過(guò)程中外直徑變化曲線Fig.2 Curves of the outer diameter changes of four esophageal SGs during axial elongation

4種食管支架拉伸回復(fù)過(guò)程中的力-位移曲線如圖3所示。當(dāng)4種支架拉伸至直徑不再變化時(shí)，N-SG、P-SG、Y-SG、W-SG對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率分別為100%、100%、90%和75%，對(duì)應(yīng)的力值分別為2.01、4.94、7.12和8.18 N。這說(shuō)明當(dāng)支架被壓縮入鞘管時(shí)，裸支架N-SG最容易被壓縮，而W-SG在壓縮過(guò)程中所需要的力值最大，這與W形金屬環(huán)對(duì)覆膜支架端部的固定作用有關(guān)。對(duì)比4條力學(xué)曲線可以看出，4種支架的拉伸加載和卸載曲線非常接近，表明支架壓入輸送器的過(guò)程中能量損失較少，具有良好的彈性回復(fù)性能。

圖3 4種食管支架軸向拉伸的力-位移曲線Fig.3 Strength-distance curves of four esophageal stents during axial extension

4種支架的彈性回復(fù)率如圖4所示。由圖4可知，N-SG、P-SG、Y-SG、W-SG的彈性回復(fù)率分別為97.63%、95.72%、96.81%和96.99%，說(shuō)明4種支架均具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，當(dāng)其從輸送器中釋放時(shí)，均可較好地回復(fù)到原來(lái)的尺寸。同時(shí)，間接說(shuō)明壓縮后4種食管支架樣品的支撐性能不受影響。

圖4 4種食管支架的彈性回復(fù)率Fig.4 Elastic recovery rate of four esophageal stents

3.3 食管支架的徑向支撐性能

徑向支撐力是評(píng)價(jià)自膨式食管支架性能的重要指標(biāo)。若支撐力過(guò)小，則不足以撐開(kāi)食管狹窄部位，會(huì)造成支架移位和手術(shù)失敗等問(wèn)題；若支撐力過(guò)大，會(huì)造成食管管壁的損傷和內(nèi)膜增生，從而引發(fā)食管再狹窄[25]。4種食管支架的徑向支撐測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，N-SG、P-SG、Y-SG和W-SG的壓縮強(qiáng)力分別為236.84、447.65、489.42和493.21 cN。相比N-SG，覆膜的存在限制了金屬絲的自由滑移，從而提高了支架P-SG的徑向支撐性能。與PU覆膜相比，一體化編織覆膜對(duì)支架Y-SG徑向支撐性能的提高更多,而用W形金屬環(huán)處理端部似乎對(duì)Y-SG的徑向支撐性能沒(méi)有顯著影響。值得一提的是，編織型一體化覆膜支架可通過(guò)改變金屬絲尺寸、滌綸絲細(xì)度以及金屬絲與滌綸絲的紗線配比等，靈活調(diào)節(jié)覆膜支架的徑向支撐力。這充分體現(xiàn)了一體化編織方法的高效性，可根據(jù)食管狹窄患者不同的病情需要制備個(gè)性化和精準(zhǔn)化的覆膜支架，能夠滿足多樣的臨床需求。

壓縮終點(diǎn)的停滯時(shí)間對(duì)支架的應(yīng)力松弛率有明顯影響。不同停滯時(shí)間下支架的應(yīng)力松弛率測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著停滯時(shí)間的增加，Y-SG的應(yīng)力松弛率呈增大趨勢(shì)，這體現(xiàn)了紡織材料受力變形的特點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的覆膜支架P-SG，一體化覆膜支架Y-SG的應(yīng)力松弛率較低,這表明一體化覆膜支架抵抗外力變形的能力優(yōu)于P-SG。W-SG與Y-SG的應(yīng)力松弛率無(wú)顯著性差異，表明W形金屬環(huán)對(duì)支架抵抗外力變形性能無(wú)顯著影響。

圖6 不同停滯時(shí)間下4種食管支架的應(yīng)力松弛率Fig.6 Stress relaxation rate of four esophageal stents under varying retention time

不同停滯時(shí)間下4種食管支架的彈性回復(fù)率如圖7所示。由圖7可知，一體化覆膜支架Y-SG和W-SG的彈性回復(fù)率均低于P-SG，表明編織結(jié)構(gòu)覆膜支架的纖維與紗線之間較易滑移導(dǎo)致形變，并且這種滑移隨著停滯時(shí)間的延長(zhǎng)而轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢苫貜?fù)的形變，這是由紗線之間較大的摩擦力所致。說(shuō)明相比一體化覆膜支架，聚氨酯覆膜支架受到外力作用時(shí)產(chǎn)生的塑性變形更小。編織成型的方法具有高適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)靈活可調(diào)的特點(diǎn)，未來(lái)可通過(guò)改變金屬絲與滌綸絲的細(xì)度以及二者的配比等，進(jìn)一步調(diào)控覆膜支架的力學(xué)性能。

圖7 不同停滯時(shí)間下4種食管支架的彈性回復(fù)率Fig.7 Elastic recovery rate of four esophageal stents under varying retention time

3.4 食管支架的覆膜強(qiáng)度

50次定伸長(zhǎng)拉伸試驗(yàn)前后，P-SG和Y-SG覆膜的表觀形態(tài)如圖8所示。由圖8可以看出：拉伸前，聚氨酯膜緊密均勻地包覆在鎳鈦合金絲上且封閉了金屬絲交織處的孔，膜結(jié)構(gòu)完整，表面光滑(見(jiàn)圖8a)；拉伸后，支架P-SG的PU覆膜出現(xiàn)了多處破損和撕裂，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)了膜剝落的現(xiàn)象(見(jiàn)圖8b)。這就驗(yàn)證了傳統(tǒng)食管覆膜支架在長(zhǎng)期植入人體后，存在發(fā)生再狹窄以及使支架變?yōu)橛谰弥踩攵绊懭〕龅膯?wèn)題[7]。同時(shí)，傳統(tǒng)食管覆膜支架還存在由于支架徑向支撐性能受損而發(fā)生支架移位的風(fēng)險(xiǎn)[25]。即使是在測(cè)試后，Y-SG的結(jié)構(gòu)仍然保持穩(wěn)定，滌綸絲仍規(guī)律地交錯(cuò)排列，并未出現(xiàn)任何磨損或者斷裂現(xiàn)象(見(jiàn)圖8d)。間接說(shuō)明一體化編織覆膜支架具有很高的覆膜強(qiáng)度，可以提供穩(wěn)定的徑向支撐力，適用于中長(zhǎng)期植入(3～6個(gè)月)[26]。支架植入后可以長(zhǎng)期保持腔道的通暢，能夠保證患者順利地飲水和進(jìn)食，可提高患者的生活質(zhì)量。針對(duì)覆膜支架的膜強(qiáng)度測(cè)試方法及測(cè)試裝置尚待進(jìn)一步探索研究。

注：a,b為測(cè)試前、后P-SG的膜結(jié)構(gòu); c,d為測(cè)試前、后Y-SG的膜結(jié)構(gòu)。圖8 疲勞測(cè)試前后P-SG和Y-SG的表觀形貌Fig.8 Surface morphology of P-SG and Y-SG before and after fatigue tests

3.5 食管支架的彎曲性能

支架彎曲時(shí)管腔直徑的變化反映了支架的柔順性，而柔順性能是評(píng)價(jià)支架使用性能好壞的重要指標(biāo)之一。4種食管支架彎曲180°后的表觀形貌如圖9所示。由圖9可以看出，一體化編織覆膜支架Y-SG和W-SG同傳統(tǒng)的裸支架和覆膜支架一樣，均表現(xiàn)出優(yōu)良的柔順性，兩種覆膜支架在彎曲180°時(shí)，仍保持了管腔直徑的穩(wěn)定和管道的通暢。這對(duì)適應(yīng)食管蠕動(dòng)、吞咽等生理學(xué)活動(dòng)非常有益，并且較高的柔順性可顯著減少支架對(duì)食管內(nèi)壁的刺激和因此而引起的出血，以及支架內(nèi)再狹窄和炎癥等一系列并發(fā)癥[27]。

注:a～d依次為N-SG、P-SG、Y-SG、W-SG。圖9 彎曲180°后4種食管支架的表觀形態(tài)Fig.9 Apparent morphology of four esophageal stents after 180° bending

彈性回直力可以定量地評(píng)價(jià)支架的柔順性。不同彎曲角度下4種食管支架的彈性回直力如圖10所示。由圖10可知，隨著彎曲角度的增加，彈性回直力呈增大趨勢(shì)。在彎曲150°時(shí)，4種支架的彈性回直力分別為0.48、0.83、1.00和0.98 N，數(shù)值較小，說(shuō)明4種支架均具有良好的柔順性[21]，在食管生理彎曲范圍內(nèi)，支架可以很好地適配食管形態(tài)及運(yùn)動(dòng)。

圖10 食管支架彎曲測(cè)試圖及4種食管支架彈性回直力的測(cè)試結(jié)果Fig.10 Photograph of esophageal SG bending test and elasticity test results of four esophageal SGs

4 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用一體化編織型成型技術(shù)，以鎳鈦合金絲和滌綸長(zhǎng)絲為原材料，設(shè)計(jì)并制備了一種一體化食管覆膜支架。研究表明，所制備的食管覆膜支架形態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，尺寸靈活可調(diào)，徑向支撐性能和柔順性?xún)?yōu)良，覆膜耐疲勞性?xún)?yōu)良，并且該覆膜支架可輸送性好，彈性回復(fù)率高。與傳統(tǒng)手工制備的覆膜支架相比，一體化編織型成型技術(shù)的制備效率得到大幅提高。研究結(jié)果有望解決傳統(tǒng)覆膜支架生產(chǎn)效率低、覆膜強(qiáng)度不足等問(wèn)題，可為開(kāi)發(fā)新一代食管支架產(chǎn)品或人工食管提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。