新型腹壁疝修補(bǔ)用復(fù)合補(bǔ)片的制備及其性能研究

王憲朋，馬麗霞，李紅梅，李文明，劉陽

山東省藥學(xué)科學(xué)院 山東省醫(yī)用高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101

引言

疝氣是一種外科常見病和多發(fā)病[1-2]，包括腹壁疝、股疝、盆壁疝、膈疝、會(huì)陰和盆底疝等，其中在臨床上以腹壁疝最為常見。目前，臨床上常用的治療手段是無張力修補(bǔ)術(shù)，通過植入補(bǔ)片達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)缺損組織的效果[3]。近年來，聚丙烯等人工合成補(bǔ)片得到廣泛應(yīng)用，存在的缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生過量的瘢痕組織，與腹腔臟器直接接觸時(shí)可能引起腹腔粘連、纖維化等，引起患者不適和慢性炎癥[4-6]。

近年來，尋求一種生物相容性好的復(fù)合補(bǔ)片成為研究的熱點(diǎn)[7]。目前，國內(nèi)產(chǎn)品多為單一的生物補(bǔ)片或聚丙烯補(bǔ)片，復(fù)合補(bǔ)片較為少見。國外的復(fù)合補(bǔ)片主要有Sepramesh?、Proceed?、Parietex?等[8]，這些產(chǎn)品是以聚丙烯網(wǎng)為基體，用可吸收材料進(jìn)行編織復(fù)合，減少了聚丙烯的比例，材料更輕，部分可吸收，以確保相對(duì)小的永久性植入物，提高了腹壁順應(yīng)性。但因缺乏仿生結(jié)構(gòu)，與機(jī)體存在不適配等難題，仍存在過量瘢痕增生、粘連的發(fā)生和術(shù)后慢性疼痛等[9-10]。

針對(duì)目前補(bǔ)片存在的缺陷，結(jié)合人體腹壁局部解剖結(jié)構(gòu)，本研究設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合補(bǔ)片。該補(bǔ)片以輕質(zhì)聚丙烯網(wǎng)為支撐層，模擬腹橫筋膜提供力學(xué)強(qiáng)度；在支撐層內(nèi)面構(gòu)筑由納米纖維絲制成的三維多孔膜結(jié)構(gòu)，模擬腹膜壁層作為補(bǔ)片的防粘連層；以透明質(zhì)酸等親水性天然材料修飾支撐層外面，模擬細(xì)胞外基質(zhì)成分作為補(bǔ)片的誘導(dǎo)層，誘導(dǎo)機(jī)體細(xì)胞長入及增殖。本文討論了厚度設(shè)計(jì)、紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、透明質(zhì)酸分子量對(duì)復(fù)合補(bǔ)片的影響。

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

（1）實(shí)驗(yàn)材料。聚乳酸，重均分子量為15萬，實(shí)驗(yàn)室自制；透明質(zhì)酸，醫(yī)用級(jí)，華熙福瑞達(dá)生物醫(yī)藥有限公司；聚丙烯網(wǎng)補(bǔ)片，日照天一生物醫(yī)療科技有限公司；六氟異丙醇，分析純，濟(jì)南朗化化工有限公司；無水乙醇；純化水。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備。北京富友馬科技有限公司的靜電紡絲機(jī)（型號(hào)1206），美國CIF公司的CPC-B等離子體處理儀，上海軒準(zhǔn)儀器有限公司的XG-CAMC31型接觸角儀，德國Zeiss公司的SUPRA55掃描電子顯微鏡，日本島津AGS-H電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

1.2 復(fù)合補(bǔ)片的制備

用無水乙醇超聲清洗聚丙烯網(wǎng)，37℃恒溫烘箱中干燥24 h備用。將一定質(zhì)量的聚乳酸溶于六氟異丙醇中，攪拌溶解得到聚乳酸溶液。以適當(dāng)電壓將聚乳酸溶液紡成納米纖維絲，收集于靜電紡絲機(jī)接收板上的聚丙烯網(wǎng)內(nèi)表面。將得到的聚丙烯網(wǎng)與聚乳酸復(fù)合纖維膜固定于等離子體處理儀基板上，設(shè)定一定射頻功率對(duì)纖維膜進(jìn)行表面處理。處理一定時(shí)間后，將透明質(zhì)酸水溶液均勻涂覆于聚丙烯網(wǎng)外表面，常溫下干燥24 h后，40℃真空烘箱干燥過夜，得到復(fù)合補(bǔ)片。

1.3 復(fù)合補(bǔ)片的表征

1.3.1 形貌觀察

復(fù)合補(bǔ)片真空鍍金后，采用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合補(bǔ)片的內(nèi)表面及橫截面形貌[11]；利用其自帶軟件，隨機(jī)選取視野內(nèi)20根纖維絲進(jìn)行測(cè)量，纖維直徑取平均值。

1.3.2 拉伸強(qiáng)度

將復(fù)合補(bǔ)片裁剪為4 cm長樣條，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其拉伸強(qiáng)度[12]；將樣品兩端夾緊，以5 mm/min的速度加載試驗(yàn)機(jī)直至樣條斷裂；記錄拉伸強(qiáng)度及伸長率。

1.3.3 親水性能

采用水滴靜態(tài)接觸角來表征親水性能[13]，使用接觸角測(cè)量儀測(cè)試復(fù)合補(bǔ)片外表面的靜態(tài)接觸角，加液量為3.5 μL，每個(gè)樣品測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，取5次的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合補(bǔ)片誘導(dǎo)層、防粘連層的厚度設(shè)計(jì)

針對(duì)目前補(bǔ)片存在的缺陷，結(jié)合人體腹壁局部解剖結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合補(bǔ)片。該新型復(fù)合補(bǔ)片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，見圖1。多層復(fù)合存在層間力學(xué)匹配問題，當(dāng)層間力學(xué)性能差異較大時(shí)，在受力條件下，各層之間容易滑移、脫落。但因每一層所選材料性質(zhì)的差異，只能尋求最大匹配度來滿足多層復(fù)合的力學(xué)要求。隨著材料厚度的增加，試驗(yàn)樣條所能承受的拉伸力越大（表1）。市售聚丙烯補(bǔ)片的厚度普遍在0.5 mm左右，且隨著補(bǔ)片厚度的增加，植入人體后的異物感越強(qiáng)烈。因此，復(fù)合補(bǔ)片在保證補(bǔ)強(qiáng)效果的前提下，厚度應(yīng)盡量減小。綜上所述，誘導(dǎo)層和防粘連層的厚度均設(shè)計(jì)為0.05～0.10 mm之間。

2.2 紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)防粘連層的影響

紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)靜電紡絲過程和最終所得纖維絲的形態(tài)有較大影響。由表2可知，當(dāng)紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%提高到7%時(shí)，纖維絲直徑逐漸增大至2366 nm，防粘連層纖維膜的拉伸強(qiáng)度也呈增大趨勢(shì)。由圖2可見，當(dāng)紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，可以得到聚合物纖維，實(shí)現(xiàn)連續(xù)紡絲，但纖維絲中出現(xiàn)較多珠狀物。隨紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，獲得平滑纖維。由此可得，紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響防粘連層纖維絲的形貌、直徑，進(jìn)而影響到纖維膜的力學(xué)性能。

圖1 新型復(fù)合補(bǔ)片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（a）及截面SEM圖（b）

表1 不同厚度樣條的拉伸性能比較

表2 當(dāng)紡絲電壓一定時(shí)，紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維膜性能的影響

圖2 不同紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)所得纖維膜的SEM照片

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是，聚乳酸分子鏈間要有足夠的纏繞才能實(shí)現(xiàn)靜電紡絲過程，當(dāng)聚乳酸分子鏈間的纏繞度較低時(shí)，獲得珠狀纖維而非平滑纖維。當(dāng)紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至7%時(shí)，紡絲液獲得足夠的分子間纏繞，所得纖維具有較好的形貌。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，所得纖維的直徑逐漸增加，這是因?yàn)殡S質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，在電荷量不變的條件下較大質(zhì)量的電荷載體通過噴頭到達(dá)接收裝置，而令電荷載體分散的庫侖力不足以抵消在電場(chǎng)起拉伸作用的靜電力的增加[14]，使得纖維直徑變大，進(jìn)而導(dǎo)致纖維膜的拉伸強(qiáng)度得到提升。

2.3 透明質(zhì)酸分子量對(duì)誘導(dǎo)層親水性能的影響

透明質(zhì)酸是由D-葡糖醛酸和N-乙酰葡糖胺以β-1,3糖苷鍵連接組成的雙糖重復(fù)單元的多糖鏈，含有大量羧基和羥基，在水中可以形成大量的分子內(nèi)和分子間氫鍵[15]。由于單糖殘基間的β連接鍵和大量的鏈內(nèi)氫鍵，以及外伸的負(fù)電荷羧基之間的相互斥力，不同分子量的透明質(zhì)酸溶解速度不同。由圖3和表3可見，隨著分子量的增大，透明質(zhì)酸的分子鏈越長，測(cè)得的水滴靜態(tài)接觸角越大，用其制備的誘導(dǎo)層親水性越差。

圖3 涂覆不同分子量透明質(zhì)酸的復(fù)合補(bǔ)片表面接觸角水滴圖型

表3 透明質(zhì)酸分子量對(duì)復(fù)合補(bǔ)片接觸角的影響（±s，n=5）

表3 透明質(zhì)酸分子量對(duì)復(fù)合補(bǔ)片接觸角的影響（±s，n=5）

分子量/kDa 接觸角/°2000 121.3±8.9 800 72.5±10.5 200 45.6±7.2 50 42.6±8.3 10 39.6±9.4 1 35.5±7.7

不同分子量的透明質(zhì)酸在生物體內(nèi)的生理作用不同[16]，當(dāng)分子量大于2000 kDa時(shí)，透明質(zhì)酸具有良好的保濕性和潤滑性，并抑制細(xì)胞的移動(dòng)、增生、分化；當(dāng)分子量小于500 kDa時(shí)，透明質(zhì)酸具有清除自由基、促進(jìn)細(xì)胞修復(fù)和創(chuàng)傷愈合、促進(jìn)骨和血管生成的效果。因此，綜合誘導(dǎo)層親水性，選定分子量200 kDa的透明質(zhì)酸為誘導(dǎo)層所選材料。

3 結(jié)論

本研究采用靜電紡絲與等離子體處理技術(shù)制備了一種新型腹壁疝修補(bǔ)用復(fù)合補(bǔ)片，考察了誘導(dǎo)層與防粘連層的厚度設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)合補(bǔ)片的影響，研究了紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、透明質(zhì)酸分子量對(duì)防粘連層纖維絲和誘導(dǎo)層親水性能的影響。結(jié)果表明，誘導(dǎo)層和防粘連層的厚度最優(yōu)設(shè)計(jì)為0.05～0.10 mm；纖維絲直徑和纖維膜的拉伸強(qiáng)度隨著紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大，當(dāng)紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，得到的纖維膜形貌均勻；結(jié)合生理功能和親水效果，選定分子量200 kDa的透明質(zhì)酸為誘導(dǎo)層所選材料。

相較于單一結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)補(bǔ)片材料，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的復(fù)合補(bǔ)片引入了防粘連層和誘導(dǎo)層的概念。靜電紡絲工藝制備的防粘連層具有獨(dú)特的三維孔隙結(jié)構(gòu)，可以阻擋成纖維細(xì)胞的長入，進(jìn)而有效降低術(shù)后腹腔臟器和修補(bǔ)區(qū)域粘連的發(fā)生；由透明質(zhì)酸構(gòu)成的誘導(dǎo)層有望促進(jìn)腹膜間皮細(xì)胞的生長，激發(fā)腹膜內(nèi)源性修復(fù)，減輕患者不適和慢性炎癥發(fā)生。下一步將通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。