熱塑性聚氨酯彈性體加強(qiáng)麻醉導(dǎo)管抗拉伸性能的試驗(yàn)研究

郭 楠，苗 威，程玲玲，2，陳鵬濤，楊曉樂，李若冰，李盟來，陳永振

（1.河南駝人醫(yī)療器械集團(tuán)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400；2.河南省醫(yī)用高分子材料技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453400）

熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）具有良好的生物相容性和力學(xué)性能，在醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，如用于透析導(dǎo)管、人造血管、介入導(dǎo)管、醫(yī)用薄膜以及心血管系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、體外體表、組織修復(fù)等治療[1-11]。隨著我國醫(yī)療器械制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，麻醉穿刺包已經(jīng)完全國產(chǎn)化，同時(shí)硬膜外麻醉技術(shù)廣泛應(yīng)用，但麻醉導(dǎo)管斷裂的不良事件屢見報(bào)道。硬膜外腔導(dǎo)管斷裂是指在應(yīng)用麻醉穿刺包進(jìn)行臨床硬膜外置管和拔管過程中出現(xiàn)的麻醉導(dǎo)管斷裂[12-18]。加強(qiáng)麻醉導(dǎo)管為麻醉穿刺包的配件，主要功能是提供藥物流通管道，以抵抗椎管與韌帶之間壓力，導(dǎo)管內(nèi)置彈簧而具有抗打折性能。加強(qiáng)麻醉導(dǎo)管比較細(xì)長，若使用者操作不規(guī)范，在導(dǎo)管置入時(shí)容易出現(xiàn)反復(fù)抽拉的情況，當(dāng)用力過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)管斷裂。因此，研究TPU加強(qiáng)麻醉導(dǎo)管（簡稱TPU導(dǎo)管）的抗拉伸性能具有重要意義。

本工作以新的TPU導(dǎo)管（指管體）結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，用導(dǎo)管斷裂力表征其抗拉伸性能，探究原材料性能、口模和芯棒直徑、工藝參數(shù)對(duì)TPU導(dǎo)管抗拉伸性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

醫(yī)用級(jí)TPU粒料，牌號(hào)2363-55DE（邵爾D型硬度為53度，拉伸強(qiáng)度為44.8 MPa，拉斷伸長率為450%）、TT-1055D（邵爾D型硬度為54度，拉伸強(qiáng)度為66 MPa，拉斷伸長率為350%）和EG-60D（邵爾D型硬度為51度，拉伸強(qiáng)度為57.2 MPa，拉斷伸長率為360%），路博潤特種化工（上海）有限公司產(chǎn)品；牌號(hào)1195A（邵爾D型硬度為48度，拉伸強(qiáng)度為55 MPa，拉斷伸長率為500%），巴斯夫股份公司產(chǎn)品；牌號(hào)5095A（邵爾A型硬度為95度，拉伸強(qiáng)度為51 MPa，拉斷伸長率為438%），上海天聯(lián)材料科技有限公司產(chǎn)品。304不銹鋼彈簧，外直徑×線直徑×長度為0.66 mm×0.08 mm×800 mm，市售品。

1.2 主要設(shè)備和儀器

HRJ-25型和HRJ-20型擠出機(jī)，海瑞嘉精密擠出機(jī)械有限公司產(chǎn)品；AI-3000型拉力機(jī)，高鐵儀器檢測(cè)有限公司產(chǎn)品；28-111型真空干燥箱，深圳市標(biāo)王工業(yè)設(shè)備有限公司產(chǎn)品；T2003型影像測(cè)量儀，寧波金永計(jì)量儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；多筋擠出模具，自制。

1.3 TPU導(dǎo)管結(jié)構(gòu)和擠出工藝

目前市面上常用的TPU導(dǎo)管是由單種TPU粒料擠出成型的，其斷裂力較低（基本為28～33 N），在臨床應(yīng)用中有斷裂風(fēng)險(xiǎn)。本工作在原主體管中加設(shè)加強(qiáng)筋，其所用TPU粒料硬度與主體管所用TPU粒料不同，制得的新的TPU導(dǎo)管結(jié)構(gòu)如圖1所示。該TPU導(dǎo)管的外直徑為1.0 mm，加強(qiáng)筋在主體管四周均勻分布，加強(qiáng)筋長度通過擠出速度進(jìn)行調(diào)整。

圖1 TPU導(dǎo)管結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of structure of TPU catheter

HRJ-25型擠出機(jī)（簡稱25#擠出機(jī)）用于主體管TPU粒料塑化擠出，HRJ-20型擠出機(jī)（簡稱20#擠出機(jī)）用于加強(qiáng)筋TPU粒料塑化擠出，兩種塑化物料在機(jī)頭前模具匯合以擠出成型TPU導(dǎo)管。

1.4 性能測(cè)試

擠出的TPU導(dǎo)管垂掛15天后按照YY0321.1—2009標(biāo)準(zhǔn)附錄C的方法進(jìn)行斷裂力測(cè)試，標(biāo)距為25 mm，拉伸速率為500 mm·min-1，結(jié)果取30個(gè)試樣的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 TPU粒料性能對(duì)TPU導(dǎo)管斷裂力的影響

通過試驗(yàn)得到，當(dāng)主體管TPU粒料為拉斷伸長率較高的1195A、加強(qiáng)筋TPU粒料為拉伸強(qiáng)度從大到小的TT-1055D，EG-60D，5095A，2363-55DE時(shí)，擠出的TPU導(dǎo)管斷裂力依次為45.75，37.00，34.00，30.00 N。

由此可知：不同性能的主體管TPU粒料與加強(qiáng)筋TPU粒料組合對(duì)TPU導(dǎo)管斷裂力影響較大；主體管TPU粒料相同時(shí)，加強(qiáng)筋TPU粒料的拉伸強(qiáng)度越大，TPU導(dǎo)管斷裂力越大。

通過試驗(yàn)得到，當(dāng)加強(qiáng)筋TPU粒料為拉伸強(qiáng)度較大的TT-1055D，主體管TPU粒料為拉斷伸長率從大到小的1195A，2363-55DE，5095A，EG-60D時(shí)，擠出的TPU導(dǎo)管斷裂力依次為45.75，35.00，33.00，29.00 N。

由此可知，加強(qiáng)筋TPU粒料相同時(shí)，主體管TPU粒料的拉斷伸長率越大，TPU管體彈性越好，斷裂力越大。

綜上得到，主體管TPU粒料為1195A、加強(qiáng)筋TPU粒料為TT-1055D時(shí)，TPU導(dǎo)管斷裂力最大，為45.75 N。

2.2 口模和芯棒直徑對(duì)TPU導(dǎo)管斷裂力的影響

使用同一個(gè)機(jī)頭模具，TPU導(dǎo)管主體管TPU粒料為1195A，加強(qiáng)筋TPU粒料為TT-1055D，設(shè)計(jì)3組口模和芯棒直徑，如表1所示。

表1 口模和芯棒直徑Tab.1 Mouth mold and core rod diameters mm

通過試驗(yàn)得到，1—3組的TPU導(dǎo)管斷裂力依次為32.00，38.00和45.75 N。

分析可知，機(jī)頭模具不變、只改變口模和芯棒直徑，TPU導(dǎo)管擠出成型壓縮比（分流器支架出口處橫截面積與口模、芯棒間環(huán)形截面積之比）改變，試驗(yàn)1組導(dǎo)管擠出成型壓縮比最小，試驗(yàn)3組導(dǎo)管擠出成型壓縮比最大，而擠出成型壓縮比過小的導(dǎo)管接縫線不易消失，管壁不密實(shí)，斷裂力小。

因此，當(dāng)口模直徑為2.8 mm、芯棒直徑為1.7 mm時(shí)，TPU導(dǎo)管斷裂力最大。

2.3 工藝參數(shù)對(duì)TPU導(dǎo)管斷裂力的影響

TPU粒料的水分含量影響TPU導(dǎo)管的力學(xué)性能和加工性能，在導(dǎo)管擠出前必須對(duì)TPU粒料進(jìn)行烘干處理。本工作使用真空干燥箱對(duì)TPU粒料烘干處理至水分含量小于0.02%。TPU粒料硬度不同，干燥溫度和時(shí)間也不同，一般溫度為80～120℃，時(shí)間為4～6 h。

機(jī)頭溫度對(duì)熔體流量、壓力降和熔體溫度有明顯的影響，機(jī)頭內(nèi)物料彈性效應(yīng)對(duì)于溫度的變化也十分敏感[19]，通過單因素試驗(yàn)得出機(jī)頭模具溫度和擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)TPU導(dǎo)管斷裂力的影響較大。因此，在主體管TPU粒料為1195A、加強(qiáng)筋TPU粒料為TT-1055D，口模直徑為2.8 mm，芯棒直徑為1.7 mm，25#擠出機(jī)機(jī)筒一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)溫度分別為195，200和207 ℃，25#擠出機(jī)連接件和相應(yīng)法蘭溫度分別為195和203 ℃，20#擠出機(jī)機(jī)筒一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)溫度分別為200，210和215 ℃，20#擠出機(jī)連接件和相應(yīng)法蘭溫度分別為195和200℃的條件下，以機(jī)頭前模體溫度（A）、機(jī)頭后模體溫度（B）、口模溫度（C）、25#擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速（D）、20#擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速（F）為因子，每個(gè)因子設(shè)置5個(gè)水平，通過正交試驗(yàn)確定各因子最優(yōu)水平。正交試驗(yàn)以TPU導(dǎo)管斷裂力為指標(biāo)，考慮誤差（E），采用6因子5水平L25（56）正交表安排25組試驗(yàn)。

各因子在不同水平下的取值如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)的因子和水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal experiments

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，在直觀分析時(shí)，考慮了試驗(yàn)誤差的影響。TPU導(dǎo)管斷裂力極差分析結(jié)果如表4所示，其中極差為相同因子不同水平的斷裂力之和的最大值與最小值之差。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of orthogonal experiments

表4 TPU導(dǎo)管斷裂力極差分析結(jié)果Tab.4 Analysis results of fracture force ranges of TPU catheters N

從表4可以看出，最優(yōu)因子與水平組合為A3B4C1D2F2，因子影響大小依次為A，B，F(xiàn)，D，C，對(duì)TPU導(dǎo)管斷裂力影響最大的是機(jī)頭前模體溫度，這是由于機(jī)頭前模體是兩種物料匯合處，其溫度對(duì)TPU導(dǎo)管性能影響最大。兩個(gè)擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速影響主體管與加強(qiáng)筋體積占比，只有選擇合適的主體管與加強(qiáng)筋體積占比才能使TPU導(dǎo)管斷裂力達(dá)到最大。

從TPU導(dǎo)管斷裂力進(jìn)行判斷的最優(yōu)試驗(yàn)工藝參數(shù)為：機(jī)頭前模體溫度 195 ℃，機(jī)頭后模體溫度 200 ℃，口模溫度 180 ℃，25#擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速 8.5 r·min-1，20#擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速 8.5 r·min-1。在最優(yōu)工藝參數(shù)下進(jìn)行TPU導(dǎo)管擠出驗(yàn)證，其斷裂力平均值為45.75 N。

3 結(jié)論

以TPU粒料為原材料，采用擠出成型工藝制備了TPU導(dǎo)管，研究了TPU粒料性能、口模和芯棒直徑、工藝參數(shù)對(duì)TPU導(dǎo)管抗拉伸性能的影響，結(jié)論如下。

TPU導(dǎo)管TPU粒料為1195A，加強(qiáng)筋TPU粒料為TT-1055D，口模直徑為2.8 mm，芯棒直徑為1.7 mm，25#擠出機(jī)機(jī)筒一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)溫度分別為195，200和207 ℃，25#擠出機(jī)連接件和相應(yīng)法蘭溫度分別為195和203 ℃，20#擠出機(jī)機(jī)筒一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)溫度分別為200，210和215 ℃，20#擠出機(jī)連接件和相應(yīng)法蘭溫度分別為195和200 ℃，機(jī)頭前模體和后模體的溫度分別為195和200 ℃，口模溫度為180 ℃，25#和20#擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速均為8.5 r·min-1時(shí)，TPU導(dǎo)管抗拉伸性能提高，斷裂力達(dá)到45.75 N。