吳斯蔚，李超婧，王富軍，王 璐，李逸明，孫 錕

(1. 東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院；b. 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620；2. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院，上海 200092)

室間隔缺損(ventricular septal defect，VSD)是一種最常見的先天性心臟疾病，其新生兒發(fā)病率為0.3%，占先天性心臟病的比例為20%～25%[1]。隨著封堵器的發(fā)展，微創(chuàng)介入治療具有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、并發(fā)癥少等優(yōu)點，成為治療VSD的首選方案。封堵器修復(fù)VSD的機理是其植入人體后一方面使血液受阻，另一方面表面快速內(nèi)皮化，最終達(dá)到封閉VSD的治療效果。目前臨床上使用鎳鈦合金材質(zhì)的封堵器治療VSD，已經(jīng)取得了較好的近中期療效，但遠(yuǎn)期并發(fā)癥諸如封堵器變形、侵蝕穿孔、殘余分流、房室傳導(dǎo)阻滯等均有報道[2]，特別是永久植入性的金屬材料長期存在于體內(nèi)是否會對兒童發(fā)育造成不良影響還缺乏遠(yuǎn)期隨訪資料。

理想的封堵器應(yīng)該是可吸收的，即封堵器植入人體后，隨著材料的降解自體組織可逐步長入并包裹封堵器，最終以人體自身組織修補缺損部位，形成完整的室間隔。如此可有效避免因金屬留存體內(nèi)所引起的遠(yuǎn)期并發(fā)癥，從而消除兒童生長發(fā)育的限制因素。同時，應(yīng)考慮封堵器與周圍心肌組織的力學(xué)匹配，即可吸收封堵器植入體內(nèi)后能夠保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定直至完全降解[3]。

近年來可吸收封堵器的研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗階段[4-5]，特別是以聚對二氧環(huán)己酮(poly(p-dioxanone)，PPDO)為基材制備的封堵器具有適宜的編織操作性和降解周期，能較好地匹配心臟組織的生長速率，但PPDO的彈性模量較低，手術(shù)操作時間過長可能導(dǎo)致封堵器變形[2]。本研究旨在設(shè)計并制備一種具有黏結(jié)編織結(jié)構(gòu)的雙組分完全可吸收封堵器，并探究不同組分配比的材料對封堵器穩(wěn)固性的影響，同時對封堵器的力學(xué)性能進(jìn)行測試與評價，以期封堵器在植入體內(nèi)后具有較優(yōu)的力學(xué)性能，可在降解周期內(nèi)保持形態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

1 材料與方法

1.1 纖維材料選擇

封堵器植入人體后，纖維組織逐漸長入并在其表面形成光滑的內(nèi)皮細(xì)胞層，整個過程需要3個月左右，因此可吸收封堵器應(yīng)在3個月內(nèi)保持良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。選用PPDO和聚己內(nèi)酯(polycaprolactone，PCL)(均購自蘇州邁緹康醫(yī)療科技有限公司)作為可吸收封堵器的原材料。這是因為PPDO和PCL均是當(dāng)前可吸收封堵器研究中的常用材料[4, 6-9]，其中：PPDO強度較高，表面光滑，可編織性強，且易于熱壓成型，降解周期為6～9個月，最終降解產(chǎn)物為二氧化碳和水；而PCL具有優(yōu)異的生物相容性，完全降解時間超過2年，力學(xué)性能保持時間較長，且質(zhì)地柔軟有利于介入手術(shù)操作[10]。具體為選用PPDO單絲和PCL復(fù)絲，采用尼康E200-F型生物顯微鏡觀察并測量纖維直徑，采用PerkinElmer DSC 4000型差示掃描量熱儀對材料的熱學(xué)性能進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，PPDO單絲和PCL復(fù)絲的直徑分別為(0.24±0.01)和(0.14±0.02)mm，熔融溫度分別為(100.52±0.18)和(61.41±0.91) ℃。

1.2 皮芯結(jié)構(gòu)編織型包覆紗的設(shè)計與制備

Bu等[6]將PPDO可降解封堵器用于動物試驗，結(jié)果表明，由于PPDO單絲的形狀記憶功能有限，封堵器的釋放和回復(fù)性能預(yù)期效果不夠理想，并且用PPDO編織而成的封堵器經(jīng)長時間手術(shù)操作后易于出現(xiàn)封堵器變形的問題[2]。本研究采用編織成型工藝制備一種皮芯結(jié)構(gòu)包覆紗(見圖1)，用于改進(jìn)封堵器編織結(jié)構(gòu)，以增強封堵器的力學(xué)性能，從而使其穩(wěn)固性達(dá)到更優(yōu)。

選用8錠立式編織機，以PPDO單絲為芯紗，4根PCL復(fù)絲經(jīng)菱形編織包覆在PPDO表層，形成皮芯結(jié)構(gòu)的編織包覆紗(braided covered yarn，BCY)，通過調(diào)整齒輪比使得PPDO表層完全被PCL復(fù)絲包覆。BCY表層的PCL纖維會在后續(xù)熱處理過程中發(fā)生熔融，復(fù)絲纖維之間相互融合形成完整光滑的皮層，包裹著芯層的PPDO單絲，形成熔融包覆紗(melted covered yarn，MCY)。紗線拉伸性能參照YY 1116—2020《可吸收性外科縫線》進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。與PPDO單絲相比，BCY由于PCL復(fù)絲的包覆，紗線直徑增大，彈性模量和斷裂強度減小。與BCY相比，MCY更加均勻規(guī)整，熔融后紗線直徑減小，而初始模量、斷裂強度和斷裂伸長率顯著增加，因此紗線力學(xué)性能有所增強。

表1 紗線規(guī)格及基本力學(xué)參數(shù)

1.3 材料細(xì)胞毒性測試

參考GB/T 16886.12《醫(yī)療器械生物學(xué)評價第12部分:樣品制備和參照材料》，將PPDO和MCY剪碎成15 mm長的纖維試樣，各準(zhǔn)備3個平行樣放置在24孔板內(nèi)，每個平行樣中有10根纖維，酒精熏蒸24 h后加入不銹鋼環(huán)，繼續(xù)熏蒸24 h后轉(zhuǎn)移至超凈臺，用滅菌后的磷酸緩沖鹽(PBS)溶液清洗3次。選用人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVEC)及內(nèi)皮細(xì)胞生長培養(yǎng)基，置于細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1、4、7 d，隔天換液。分別于第1、4、7 d用CCK-8法進(jìn)行細(xì)胞增殖測定，每孔加入500 μL含CCK-8工作液(體積分?jǐn)?shù)為10%)的無血清培養(yǎng)基，于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3 h后轉(zhuǎn)移至96孔板，用酶標(biāo)儀(美國Thermo公司)在450 nm波長下測定吸光度(OD)值。根據(jù)式(1)計算每個樣品的細(xì)胞相對增殖率Rgr，其中，ODm為試驗組的OD均值，ODn為陰性對照組(空白樣)的OD均值。參照GB/T 16886.5《醫(yī)療器械生物學(xué)評價第5部分:體外細(xì)胞毒性試驗》評價細(xì)胞毒性(見表2)。

(1)

表2 體外細(xì)胞毒性試驗評級標(biāo)準(zhǔn)

1.4 雙組分完全可吸收封堵器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備

將不同數(shù)量比的BCY和PPDO單絲按一定規(guī)律經(jīng)菱形編織制成管狀結(jié)構(gòu)，利用PPDO和PCL兩者的熔點差異，在90 ℃下經(jīng)模具熱壓成型[11]得到兩側(cè)對稱的雙盤片結(jié)構(gòu)(直徑約13 mm)，腰部為圓柱形(直徑約7 mm，高約4 mm)，其中BCY熱熔后變?yōu)镸CY。根據(jù)實際可操作性設(shè)計了4種不同組分配比，最終得到的封堵器中MCY和PPDO單絲的比例分別為0∶8、1∶7、2∶6和3∶3，其中3∶3比例的封堵器因在熱定型后無法順利回收進(jìn)鞘管而被舍棄。單組分封堵器(0∶8)中僅含有PPDO×PPDO編織點，含有BCY的雙組分封堵器在熱處理后含有PPDO×PPDO、PPDO×MCY和MCY×MCY的黏結(jié)編織點結(jié)構(gòu)，試樣組分配比及編織結(jié)構(gòu)如圖2所示，每組樣品各5個。其中，PPDO×MCY黏結(jié)點表面的PCL纖維經(jīng)熱處理會產(chǎn)生凹槽，封堵器正是依靠該黏結(jié)點發(fā)生部分位移來維持其形變能力，而MCY×MCY黏結(jié)點較為穩(wěn)定，在封堵器發(fā)生形變時仍保持其黏結(jié)結(jié)構(gòu)。

圖2 不同紗線組分配比封堵器的編織結(jié)構(gòu)

1.5 封堵器的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能表征

1.5.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)測試

用游標(biāo)卡尺測量MCY0PPDO8、MCY1PPDO7、MCY2PPDO63組完全可吸收封堵器的尺寸，即左、右兩側(cè)盤片及腰部的直徑，對比分析相同編織工藝下不同紗線組分材料的尺寸是否存在顯著性差異。

1.5.2 穩(wěn)定性測試

左右心室之間的壓差約為6.65～13.30 kPa(50～110 mmHg)，按最大力值計算，心室之間的血流沖擊力最大可達(dá)14.67 kPa。將3組封堵器置于直徑為6 mm的VSD缺損模型中，根據(jù)缺損直徑計算得到此時封堵器須承受的最小力值為0.41 N。參照YY/T 1553—2017《心血管植入物 心臟封堵器》中對封堵器固定有效性的要求，用SH-20型數(shù)顯推拉力機(上海思為儀器)將封堵器左盤從缺損模型中頂出，記錄封堵器脫落時的最大力值，每個樣品測試1次。

1.5.3 封堵器壓縮性能測試

為模擬封堵器植入心臟后受到血流左向右分流的沖擊作用，將封堵器置于直徑為6 mm的VSD缺損模型中，用人體內(nèi)生物管道壓縮彈性測試儀(萊州市電子儀器)對封堵器左盤進(jìn)行軸向定負(fù)荷壓縮，壓縮示意圖如圖3(a)所示。初始隔距為15 mm，定負(fù)荷為0.41 N，壓縮速率為10 mm/min，定荷停置時間為5 s，回復(fù)速率為10 mm/min，回復(fù)后停置時間為5 s。壓縮測試后得到3組編織型封堵器的壓縮-回復(fù)曲線，如圖3(b)所示。其中，L為總壓縮距離，L1為緩彈回復(fù)距離，L2為急彈回復(fù)距離，壓縮模量是指壓縮曲線初始段的斜率。

(a) 壓縮示意圖

為評估所制備的雙組分可吸收封堵器的壓縮性能，根據(jù)式(2)～(6)計算樣品的應(yīng)力松弛率Rsr、彈性回復(fù)率Rer、急彈性回復(fù)率Raer、緩彈性回復(fù)率Rler以及能量損失率Rel。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

1.5.4 封堵器入鞘力測試

選用不同規(guī)格的鞘管6F、8F、10F，在37 ℃水浴中將3組封堵器依次輸送裝入鞘管，每個樣品測1次，測試每組樣品的入鞘力并進(jìn)行分析。

1.5.5 封堵器進(jìn)鞘后形變恢復(fù)能力

在37 ℃水浴條件下，將封堵器壓縮裝入10F鞘管中10 min后釋放，測量3 min后其左側(cè)盤片尺寸，并與原始盤片尺寸進(jìn)行對比，釋放后盤片直徑與原始盤片直徑的比值為封堵器進(jìn)鞘后再釋放的形變回復(fù)率。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

采用IBM SPSS Statistics 25軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，用one-way ANOVA法比較分析樣本間的顯著性差異，取α=0.05，計算P值(P<0.05為*，P<0.01為**，P<0.001為***)。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料細(xì)胞毒性

PPDO和MCY兩種纖維材料的細(xì)胞相對增殖率測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 封堵器材料細(xì)胞相對增殖率Fig.4 Relative cell proliferation rate of occluder material

由圖4可知，細(xì)胞在PPDO試樣中培養(yǎng)1、4和7 d的相對增殖率依次為111.18%、110.87%和98.26%，而在MCY試樣中培養(yǎng)1、4和7 d的相對增殖率依次為105.39%、94.21%和86.00%。兩種試樣和陰性對照樣的細(xì)胞相對增殖率僅在1 d時存在顯著性差異，而在7 d時3種試樣的細(xì)胞相對增殖率無顯著性差異。兩種纖維材料的細(xì)胞毒性評價結(jié)果均為0或1，即無細(xì)胞毒性，表明用來制備封堵器的完全可吸收材料具有良好的細(xì)胞相容性。

2.2 封堵器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

3組封堵器的左盤、腰部及右盤的直徑測量結(jié)果如表3所示。由表3可知，隨著MCY比例的增加，封堵器腰部直徑有略微減小的趨勢。這是因為單一組分的PPDO封堵器在纖維內(nèi)應(yīng)力的作用下，由于可滑移的點數(shù)較多，纖維有向外擴張的趨勢，而雙組分的PPDO/MCY封堵器因為存在MCY×MCY黏結(jié)點，封堵器在脫離摸具后更容易保持原有的尺寸形態(tài)，且隨著黏結(jié)點數(shù)的成倍增加，腰部直徑略有減小。

表3 封堵器各部位直徑

2.3 封堵器的力學(xué)性能

2.3.1 封堵器的穩(wěn)定性

用推拉力計將3組封堵器從直徑為6 mm的VSD缺損模型中頂出的力值均大于0.41 N，符合VSD封堵器的穩(wěn)定性要求。MCY0PPDO8、MCY1PPDO7、MCY2PPDO6封堵器的脫落力值分別為(3.72±0.16)、(5.30±0.33)和(6.78±0.33)N，可見脫落力值隨MCY0PPDO8、MCY1PPDO7、MCY2PPDO6中黏結(jié)點數(shù)量的增加而增大，并且3組封堵器的測試結(jié)果之間均存在顯著性差異(P<0.001)。

2.3.2 封堵器的壓縮性能

不同組分封堵器的壓縮性能測試典型曲線如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)壓縮載荷達(dá)到0.41 N時停止壓縮行為，在壓縮距離固定后，由于封堵器編織點在外力作用下發(fā)生滑移擴張，壓縮載荷會在短時間內(nèi)持續(xù)增大，達(dá)到穩(wěn)定值后由于應(yīng)力松弛而逐漸減小。雙組分封堵器的壓縮載荷最大值和壓縮模量均大于單組分封堵器，可見雙組分封堵器的力學(xué)性能有所增強。

圖5 封堵器壓縮-回復(fù)單次曲線圖Fig.5 Compression-recovery single curves of occluders

不同組分封堵器的壓縮性能測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，雙組分封堵器的壓縮模量分別增加了45.80%和23.66%，其中MCY1PPDO7的壓縮模量顯著高于MCY0PPDO8，但其誤差波動范圍較大，這可能是因為黏結(jié)點在盤面上的分布不如MCY2PPDO6均勻。圖6(b)表示3組封堵器在壓縮應(yīng)力為0.41 N時保持應(yīng)變不動一定時間后的應(yīng)力松弛情況，可以看出雙組分封堵器的應(yīng)力松弛率均略低于單組分封堵器，這是因為PPDO×PPDO編織點在受到壓力發(fā)生變形的過程中，紗線更容易發(fā)生滑移，形變程度較大。雙組分封堵器的彈性回復(fù)率顯著高于單組分封堵器，其中，雙組分結(jié)構(gòu)的急彈性回復(fù)率均隨黏結(jié)點數(shù)的增加而增大，而緩彈回復(fù)率正好相反。此外，MCY1PPDO7和MCY2PPDO6的彈性回復(fù)率和急彈性回復(fù)率均無顯著性差異，可見彈性回復(fù)能力并不完全隨黏結(jié)點的變化而變化，即較少的黏結(jié)點數(shù)就可達(dá)到較優(yōu)的彈性回復(fù)能力。3組封堵器的能量損失率均存在顯著性差異，并且黏結(jié)點數(shù)越多的封堵器在壓縮和回彈過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 ℃水浴條件下輸入鞘管所需的力值匯總?cè)绫?所示。由表4可知，雙組分封堵器的入鞘力隨MCY組分比例的增加而增大。MCY2PPDO6封堵器在進(jìn)入6F鞘管時，單絲之間互相擠壓變形，無法順利進(jìn)入鞘管。這是因為MCY紗線的直徑要明顯大于PPDO單絲，且黏結(jié)點具有固定雙盤狀結(jié)構(gòu)的特點，使得雙組分封堵器在壓縮至相同管狀直徑時所需的力值更大。

表4 封堵器入鞘力測試結(jié)果

2.3.4 封堵器進(jìn)鞘后的形變恢復(fù)能力

封堵器在37 ℃、10F鞘管中保持10 min后釋放，其左側(cè)盤片進(jìn)鞘后的形變恢復(fù)率如圖7所示。由圖7可知，MCY0PPDO8、MCY1PPDO7和MCY2PPDO6的形變回復(fù)率分別為(98.83±0.81)%、(95.70±2.71)%、(87.07±2.00)%。其中，MCY0PPDO8和MCY1PPDO7之間無顯著性差異，而MCY2PPDO6的形變回復(fù)率較低，可見少量的黏結(jié)點不會明顯降低封堵器的形變恢復(fù)能力，而黏結(jié)點數(shù)較多則會造成封堵器的形變回復(fù)能力下降。

圖7 封堵器進(jìn)鞘后再釋放的形變回復(fù)率Fig.7 Deformation recovery rate of occluders after sheath delivery and release

3 結(jié) 語

選用具備良好生物相容性的皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合MCY制備雙組分力學(xué)增強型封堵器，探究了MCY和PPDO不同組分配比的編織結(jié)構(gòu)對封堵器力學(xué)性能的影響。該類封堵器封堵缺損部位時能在實現(xiàn)更小的腰部直徑的同時具備更優(yōu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能提高封堵器的有效固定性，有望在缺損規(guī)模不變的情況下實現(xiàn)更小的封堵器尺寸，且雙組分封堵器可提高封堵器在小應(yīng)力作用下的抗壓能力，MCY的引入增加了封堵器之間的黏結(jié)點，可進(jìn)一步提高封堵器受血流沖力后回彈至原有形態(tài)的能力。力學(xué)測試結(jié)果表明，相比MCY2PPDO6封堵器，MCY1PPDO7封堵器的MCY×MCY黏結(jié)點數(shù)量較少，具備更高的壓縮模量和更高的彈性回復(fù)能力，更容易輸入鞘管，形變回復(fù)能力較好，即可滿足心臟封堵器要求的較優(yōu)力學(xué)性能和較低入鞘力，有望進(jìn)一步用于動物試驗。