“啞鈴”形人工氣管支架的設計、制備與性能研究

楊新月 馬顏雪 徐 宸 阮 征 黃海華 李毓陵

1. 東華大學 紡織學院,上海 201620;2. 上海交通大學附屬第一人民醫院,上海 200080

氣管是連接喉嚨和肺的通道,其影響著發音,以及吞咽和頸部活動,對人類健康和日常生活至關重要[1]。外傷、氣管插管、手術損傷、腫瘤等原因會造成氣管或支氣管與胸腔膜、縱隔及縱隔內器官(如食管、胸、胃等)的通道異常[2],即氣管部分缺損。這會造成人體刺激性嗆咳,肺部反復感染,吞咽和呼吸困難,甚至危及生命[3]。人工氣管支架可通過微創手術植入體內,具有安全、有效、創傷小等優勢。植入后的人工氣管支架可持續擴張氣道[4],對缺損部位進行封堵,并即刻改善患者肺通氣功能,使患者的不適癥狀得到緩解。

非降解材料的人工氣管支架會因長期滯留在體內而造成氣管狹窄,或在移除時對氣道造成損傷[5]。可降解人工氣管支架會隨著時間的推移而逐漸降解,從而避免了二次手術的風險[6]。現有直管狀氣管支架在使用過程中會因生理環境或隨機激發(如咳嗽等)而發生形變[7],產生塌陷位移,這會導致植入支架的患者產生氣促、呼吸困難等癥狀,因此對氣管支架的支撐力和抗位移能力的要求較高。人工氣管支架的制備方法包括機織法、針織法、3D打印法等。其中,機織法制備的氣管支架不僅具有徑向支撐力大的優勢,而且可以通過變直徑工藝一體織造出異形管狀織物,并通過調節上機參數,獲得滿足臨床應用要求的氣管支架。目前機織型氣管支架多為直管狀,其在抗位移性能和徑向支撐力方面還有很大的提升空間。

本文將結合氣管支架對孔徑和徑向支撐力的要求,采用可降解材料——聚對氧環己酮(PDO)單絲作為經緯紗線,以透孔組織為基礎組織,通過機織變直徑工藝,織造出兩端管狀直徑較大、中間管狀直徑較小的形似“啞鈴”的人工氣管支架,并對所制備氣管支架的形態尺寸、孔徑、徑向支撐力及抽拔力等性能進行測試與分析,探究“啞鈴”形人工氣管支架的設計和制備方法的可行性與合理性。

1 試驗材料

本文采用生物相容性較好且可降解的PDO單絲(山東海迪科醫療公司)作為試驗材料。PDO是一種脂肪族聚酯,分子鏈中有醚鍵存在,具有優良的柔韌性和抗張強度[8];其分子主鏈中還含有酯鍵,具有良好的可吸收性和生物相容性,由PDO制備的支架植入體內后會發生水解反應,降解為水和二氧化碳,最后經呼吸道或消化道排出[9]。有研究表明,PDO支架植入體內后生物強度可保持6周,約15周完全降解,而氣管損傷在15周左右會完全愈合[10]。因此,PDO單絲適用于封堵用人工氣管支架的制備,其既能起到支架植入初期的封堵作用,又能在傷口愈合后逐漸降解。本文所用PDO單絲的基本參數見表1。

表1 試驗用PDO單絲基本參數

2 形態與結構的設計

2.1 形態設計

針對支架位移的問題,本文將制備一種兩端管狀直徑較大、中間管狀直徑較小,兩端與中間由變直徑錐管連接的,形似“啞鈴”的人工氣管支架(圖1)。兩端的膨大端用于錨定人工氣管支架,避免人工氣管支架植入后發生位移,中間的直管段用于封堵氣管缺損部位。

D1—膨大端直徑;D2—直管段直徑;L1—膨大端長度;L2—直管段長度;L3—錐管段長度。

本文制備的“啞鈴”形人工氣管支架后續會被合作醫院植入成年犬體內進行動物試驗。根據計算機X線斷層掃描(CT)測量發現,試驗犬氣管中段直徑約為20 mm,故本文設計的“啞鈴”形人工氣管支架直管段直徑D2為20 mm。一般而言,臨床用于管道癌變的支架的膨大端直徑比中間直管段直徑大30%～50%[11],由于本文所設計的支架主要用于氣管缺損部位的修復與重建,并不像治療癌變或管道狹窄的支架一樣需要保持長時間的支撐,且支架直徑過大還會對試驗犬氣管壁造成損傷,增加異物感,再結合合作醫院的要求,本文確定設計的氣管支架膨大端直徑比直管段直徑大20%,即D1為24 mm。膨大端主要用于固定支架,因此長度不宜過大,但為了避免裁剪及后處理過程中紗線出現脫散,本文確定膨大端長度L1為10 mm。再依據后續動物試驗中氣管缺損部位的大小,確定直管段長度L2為20 mm。最后,為實現錐管段錐度明顯,結合織造條件,確定錐管段長度L3為5 mm(表2)。

表2 “啞鈴”形人工氣管支架基本參數

只有人工氣管支架表面具有合適大小的孔徑時,才可以保證細胞的附著生長,以及排泄物和細胞營養物質的運輸。研究表明,0.50 mm左右的人工氣管支架表面孔徑有利于細胞的附著生長和分泌代謝物的運輸[12]。本文選用直徑為0.35 mm的PDO單絲作為經緯紗,由于所選用的透孔組織具有3根紗線的合股效應,因此為達到合股紗線間的距離為0.50 mm,設計直管段的單層經密為194根/(10 cm),膨大端的單層經密為161根/(10 cm)。此外,緯紗間由于合股效應不明顯,故為了達到相鄰緯紗間的距離為0.50 mm,本文設計直管段的單層緯密為118根/(10 cm),膨大端的單層緯密為141根/(10 cm)。

2.2 結構設計

人工氣管支架首先要具有足夠的支撐力以保證氣道通暢。本文選擇紗線排列緊密、結構穩定的組織作為管狀織物的基礎組織,以提高人工氣管支架的徑向支撐力。

普通管狀織物的基礎組織大多為平紋和2/1斜紋。在這2種組織中,相鄰紗線近似平行分布,經緯紗線相互獨立。當這種組織的人工氣管支架受到外力擠壓時,易受壓變形而無法滿足支架對徑向支撐力的要求[13]。變化組織中,透孔組織由平紋組織和重平組織構成。平紋組織部分紗線交織點較多且組織點相反,紗線在彼此的張力作用下分開,形成均勻排列的小孔[14]。重平組織部分的交織點較少,浮長線較長,張力小,其被兩邊的平紋組織夾起,紗線聚集形成合股效應,從而提高了人工氣管支架的徑向支撐力。因此,本文將采用基礎組織循環數(R)為6的簡單透孔組織(圖2)作為“啞鈴”形人工氣管支架的基礎組織。

圖2 簡單透孔組織(R=6)

3 上機制備

3.1 管坯尺寸

在上機織造變直徑的人工氣管支架之前,需要將設計的人工氣管支架的形態和結構等參數,轉化為管坯(圖3)的管幅、經緯密度等相關參數,相關設計和計算方法參見文獻[15]。管坯基本尺寸計算結果見表3。由于織造過程中存在張力波動等因素影響,管坯尺寸不設定精度值。

W1—膨大端管坯幅寬;W2—中間段管坯幅寬;W3—錐管段管坯幅寬。

表3 管坯基本尺寸參數

注:因錐管段的直徑是不斷變化的,所以錐管段管坯任意位置的幅寬和經密都不相同,不能給出精確值。

不斷變化的錐管段管坯幅寬是由不斷變化的經密實現的。錐管段管坯任意位置經密的設計參見文獻[16],圖3中錐管段管坯從左向右各位置的經密設計結果見表4,其以膨大端管坯織造完成時為起始位置0,以中間段管坯剛開始織造時為終止位置19,每完成2次打緯動作,表4中位置變換1次。

表4 錐管段管坯經密的設計

3.2 上機圖

圖4 上機圖

本文將通過不斷變化經密的方式織造錐管段,從而實現膨大端到中間段的過渡,達到一體成型制備“啞鈴”形人工氣管支架的目的,這需要筘號逐漸變化的梯形鋼筘和安裝有自有軟件的全自動試樣機來實現[18]。由于本文所采用的經紗是直徑為0.35 mm的PDO單絲,比常規制備人工氣管支架的經紗要粗很多,所以本文設計的梯形鋼筘尺寸規格為頂端筘號12齒/cm,底端筘號6齒/cm,具體如圖5所示。織造時,每筘4入。

圖5 全自動試樣機的梯形鋼筘簡圖和織造狀態照片

將表4的設計參數導入專用的全自動試樣機,一體成型織造得到的管坯見圖6a),經100 ℃、15 min定型得到的“啞鈴”形人工氣管支架見圖6b)和圖6c)。

圖6 管坯和支架

4 性能測試與分析

通過測試人工氣管支架的形態尺寸、孔徑大小、徑向支撐力和抽拔力,驗證“啞鈴”形人工氣管支架設計與制備的可行性及合理性。

4.1 形態尺寸

對制備的“啞鈴”形人工氣管支架的形態尺寸進行測量,其各段的長度、直徑、經緯密度等如表5所示。從表5可知,支架各部位長度、直徑及經密的測量值與設計值(表2)接近,可見本文采用的變直徑設計與織造方法能夠制備出滿足形態要求的人工氣管支架。

表5 制備的“啞鈴”形人工氣管支架的基本參數

4.2 孔徑大小

利用立式顯微鏡和Visterimage軟件拍攝人工氣管支架中間段的表面,設置比例尺大小為0.50 mm。拍攝的顯微鏡圖像如圖7所示,圖中藍色部分為PDO單絲,白色部分為人工氣管支架的孔隙。

圖7 支架表面

利用Image J軟件對顯微鏡圖像進行灰度處理(圖8),圖中黑色部分為支架孔隙。利用軟件計算圖像中單個孔隙的平均面積,再根據圓形面積公式等效計算孔隙的直徑。具體為,取人工氣管支架直管段3處不同位置進行拍攝,再利用軟件分別計算出3張圖像的孔徑,最后求取平均孔徑,結果如表6所示。人工氣管支架的平均孔徑為0.34 mm。

圖8 灰度處理后圖像

表6 制備的“啞鈴”形人工氣管支架表面孔徑

4.3 徑向支撐力

人工氣管支架首要的性能要求就是具備足夠的徑向支撐力,以撐開氣道確保氣體流動通暢。本文對制備的人工氣管支架中間直管段進行定壓縮距離(支架中間段直徑的50%)壓縮測試[19],測試原理如圖9所示。測試條件為溫度16 ℃、相對濕度65%、壓縮速度40 mm/min、隔距20 mm。將支架樣品置于平臺上,支架中間直管段的上表面與壓腳剛好接觸;平臺勻速上升開始壓縮支架,待壓縮至隔距為10 mm時平臺停止上升,此時傳感器測得的強力即為徑向支撐強力;測試平臺靜止10 s后按原速下移至初始位置。重復以上步驟測試10次。

圖9 徑向壓縮測試原理

因氣管支架的直徑不是定值,故為便于比較,將測試所得強力(cN)轉化為應力(kPa),結果見表7。從表7可以看出,經向支撐應力平均值為41.82 kPa,遠大于國產鎳鈦合金支架的7.85 kPa[20],表明本文所制備的人工氣管支架的徑向支撐性能滿足要求。

表7 制備的“啞鈴”形人工氣管支架徑向支撐應力

制備的“啞鈴”形人工氣管支架的第10次徑向壓縮的應力-應變曲線如圖10所示。

圖10 制備的“啞鈴”形人工氣管支架第10次應力-應變曲線

4.4 抽拔力

設計“啞鈴”形人工氣管支架旨在利用兩端的膨大端錨定人工氣管支架,避免植入后因咳嗽、吞咽、發聲等行為產生外力擠壓而導致人工氣管支架變形、位移。

因為目前還沒有用于衡量支架抗位移性好壞的專用儀器和評判標準,所以本文利用現有的多功能強力拉伸儀、硅膠軟管和細鐵絲搭建了一個簡易的抽拔力測試裝置(圖11)。其中,多功能強力拉伸儀主要用于抽拔支架,以及數據的傳輸和記錄;硅膠軟管用于模擬氣道。4根抽絲分別與支架圓周上等間距的4個點連接,用于后續的抽拔測試。將長度相同的“啞鈴”形人工氣管支架和直管狀人工氣管支架分別置入硅膠軟管中,硅膠軟管一端置入下夾頭內,4根抽絲置入上夾頭內。利用人工氣管支架在硅膠軟管內開始產生位移需要的力值即抽拔力,比較“啞鈴”形人工氣管支架和直管狀人工氣管支架的抗位移性。

圖11 抽拔力測試

5次抽拔測試得到的抽拔力及其平均值如表8所示。“啞鈴”形人工氣管支架的平均抽拔力(96.86 N)比直管狀人工氣管支架的平均抽拔力(54.92 N)大41.94 N,提高了約76%,表明改變人工氣管支架的形狀,利用兩端的膨大端來錨定支架的設計方法是可行的。

表8 不同形狀氣管支架抽拔力

5 結論

(1)本文提出的“啞鈴”形人工氣管支架可以通過梯形鋼筘和安裝了自有軟件的全自動試樣機先一體織造出管坯,再經熱定型后獲得。這表明本文的設計方法和技術手段是合理的和可行的。

(2)根據要求的尺寸規格及孔徑大小設計管坯的幅寬及經緯紗密度等參數。經上機織造和下機定型后發現,所得人工氣管支架的參數和性能符合要求。

(3)制備的以透孔組織為基礎組織的“啞鈴”形人工氣管支架的徑向支撐力達到了41.82 kPa,大于國產鎳鈦合金支架的徑向支撐力,表明利用透孔組織的結構特點和紗線的合股效應可提高人工氣管支架的徑向支撐力。

(4)設計的“啞鈴”形人工氣管支架的抽拔力比直管狀人工氣管支架的抽拔力提高了約76%,這為提高人工氣管支架的抗位移性提供了可能。