介入醫療器械用聚醚嵌段酰胺中空纖維的凝聚態結構與性能

闕亦云，李兆敏，朱 姝，余木火，趙改平

(1.東華大學 纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620；2.上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海 200093； 3.上海微創醫療器械(集團)有限公司，上海 201203)

介入醫療器械用聚醚嵌段酰胺中空纖維的凝聚態結構與性能

闕亦云1,2，3，李兆敏1,3，朱 姝1，余木火1，趙改平2

(1.東華大學 纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620；2.上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海 200093； 3.上海微創醫療器械(集團)有限公司，上海 201203)

聚醚嵌段酰胺中空纖維是用于介入醫療器械的主要中空纖維之一，其性能決定了整個介入醫療器械的操作性能，甚至是手術成功率。研究了加工條件對中空纖維凝聚態結構和力學性能的影響規律，特別是擠出速度與中空纖維抗拉性能的關系，并探討了中空纖維的結晶與取向、中空纖維的表面形貌等。結果表明，聚醚嵌段酰胺中空纖維的結構與性能可通過加工工藝來調控，擠出速度加快，剪切速率提高，分子拉伸和取向程度增加，結構更為規整，延伸率降低，剛性提升。

介入醫療器械；聚醚嵌段酰胺；中空纖維；力學性能；凝聚態結構

從20世紀60年代末和70年代初起，人們開始研究聚醚和聚酰胺合成聚醚嵌段酰胺。然而，直到阿克瑪公司發現了四醇鹽催化劑才使這種高分子質量聚醚嵌段酰胺的合成成為可能[1]。在20世紀80年代初期，阿克瑪公司推出了聚醚嵌段酰胺，商業上稱為PEBAX[2]。聚醚嵌段酰胺(PEBA)是一種以聚酰胺(PA)為硬鏈段，聚醚(PTMO)為軟鏈段的熱塑性彈性體[3-5]。其中，聚酰胺硬段提供嵌段共聚物的物理交聯作用，聚醚軟段的玻璃化轉變溫度低于室溫。聚醚嵌段酰胺具有優異的物理性能和彈性回復性能，通過調節聚酰胺和聚醚的長度以及2種鏈段的比例，可得到具有不同硬度的聚合物，從而滿足不同領域的性能需求。尤其以其硬度范圍跨度廣，物理力學性能優異，生物相容性良好和易加工性等作為中空纖維在微創介入治療器械中也得到了廣泛應用[6-8]，如球囊擴張導管、造影導管、微導管、射頻消融導管等產品。

聚醚嵌段酰胺的力學性能與其內部結構有關，其形態和微觀結構又受到極性基團之間相互作用的影響，如軟硬段的結構和形態影響著聚醚嵌段酰胺的耐熱性能、力學性能等，因此，近些年來研究人員針對這些問題研究了聚醚嵌段酰胺的力學性能與其

微觀結構及聚集態結構之間的關系[9-11]。本文主要研究了聚醚嵌段酰胺中空纖維擠出速度對其聚集態結構和性能的影響，以期為高性能介入醫療器械的研究提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗材料為法國阿科瑪公司生產的醫用級聚醚嵌段酰胺，硬度為72邵氏D，熔點為172 ℃。

擠出成型設備為美國American Kuhne(簡稱AK)公司的精密擠出系統，主要由單螺桿擠出機(直徑為25 mm，長徑比為24∶1)、模具、氣體流量控制裝置、真空定徑槽、測徑儀和牽引機組成，結構如圖1所示。

塑料粒子含水率測試設備為賽多利斯公司的LMA100P型精密水分測定儀，測試方法與國際公認的卡爾費休滴定法的結果相符，塑料含水率測量值可準確到0.005%，可讀性為0.001%。

1.2 樣品制備

首先將PEBAX 7233 SA01 MED在真空干燥箱中90 ℃真空干燥24 h，用LMA100P水分測定儀測定干燥后的含水率，使其含水率≤0.02%。然后將干燥好的PEBAX 7233 SA01 MED粒子在美國AK公司的精密擠出機上熔融擠出。

用于介入醫療器械的中空纖維其特點是中空纖維在軸向結構保持一致，均可由擠出模具連續擠出成型，不同點在于徑向結構不一且復雜程度不同。成型模具由口模和芯模組成，結構如圖2所示。根據單一型腔中空纖維的結構特點，口模與芯模所形成空間的截面積與擠出中空纖維的截面積之比稱為拉伸比。為了考察不同擠出速度擠出相同尺寸的單一型腔中空纖維凝聚態結構和性能，實驗參數選擇固定拉伸比，口模內徑為2.25 mm，芯模外徑為1.08 mm；不同擠出區域溫度為200～210 ℃；擠出速度為20～50 m/min，牽引速度隨著擠出速度的加快而增加。

1.3 抗拉性能測試

采用Instron 5543萬能材料試驗機進行抗拉性能測試。將中空纖維通過線夾具固定在夾具上。要求：2個夾持點間的距離為25 mm，拉伸速度為500 mm/min，斷裂：載荷下降至1 N即認為斷裂。測試結果精確到0.1 N。

1.4 結晶度與晶型表征

采用日本的D/max-220/PC X射線衍射儀進行表征與分析。首先固定樣品，改變入射角，得到衍射強度與2θ角的關系，可以看出在21°附近有顯著的衍射峰；然后固定入射角(2θ=21°)，旋轉樣品，可以得到衍射強度與旋轉角度的關系。在360°范圍內，存在明顯的2個衍射峰，利用下式計算出晶面的取向度：

式中：W為某一晶面的取向度；∑Hi為取向度測試曲線中所有峰的半高寬之和。

1.5 中空纖維形貌觀察

用原子力顯微鏡對中空纖維進行微觀形貌及結構表征。使用單晶硅探針(頻率約160 kHz)，采用敲擊模式成像。目標振幅3 V；積分增益通常選擇80～200，比例增益0.002。

2 結果與討論

2.1 聚醚嵌段酰胺中空纖維抗拉性能分析

圖3示出不同擠出速度制備的聚醚嵌段酰胺中空纖維的拉伸應力-應變曲線。表1示出聚醚嵌段酰胺中空纖維的延伸率及斷裂強力。

由表1可知，不同擠出速度的中空纖維都呈現出硬而韌的特性，當擠出速度為20、35、50 m/min時，聚醚嵌段酰胺中空纖維延伸率平均值分別為373.97%、294.18%、250.25%。在相同應變下，聚醚嵌段酰胺中空纖維的拉伸應力隨著擠出速度的增大而增大，說明擠出速度大的聚醚嵌段酰胺中空纖維抵抗外力的能力更強；但是，擠出速度為50 m/min時，聚醚嵌段酰胺中空纖維的斷裂強度小于擠出速度為20 m/min制備的聚醚嵌段酰胺中空纖維，因此，較低擠出速度下制備的聚醚嵌段酰胺中空纖維相對于擠出速度高時韌性有余而剛性不足。

表1 不同擠出速度制備的聚醚嵌段酰胺中空纖維的延伸率和斷裂強力Tab.1 Elongation and breaking force of polyether block amide hollow fibers prepared at different extrusion speeds

2.2 聚醚嵌段酰胺中空纖維晶型分析

圖4示出聚醚嵌段酰胺中空纖維的X射線衍射曲線。表2示出聚醚嵌段酰胺中空纖維的晶體參數?？梢钥闯?，擠出速率對聚醚嵌段酰胺中空纖維結晶度和晶型影響不大。但圖5給出的方位角積分表明，中空纖維晶區的取向度隨著擠出速率的改變有所變化，擠出速度為20 m/min時中空纖維晶區的取向度為64.6%，而當擠出速度為50 m/min時中空纖維晶區的取向度增至76.6%。這主要是因為對于相同尺寸的中空纖維，擠出速度加快，剪切速率提高，從而使得大分子拉伸和取向程度增加。

表2 聚醚嵌段酰胺中空纖維的晶體參數Tab.2 Crystal parameters for polyether block amide hollow fibers prepared at different extrusion speeds

2.3 聚醚嵌段酰胺中空纖維形貌分析

采用AFM對擠出速度分別為20 m/min和50 m/min時制備的聚醚嵌段酰胺中空纖維外表面進行微觀形貌表征，結果如圖6所示。由于在聚醚嵌段酰胺中只有聚酰胺段是結晶的，因此可由相圖推測其相分離結構。

從圖6可看出，軟、硬相均呈層狀分布，但擠出速度為50 m/min時制備的聚醚嵌段酰胺中空纖維的結構更為規整。在剪切流動場下會生成一定的層狀晶體和纖維狀晶體，在流場作用下會發生不同的取向：層狀晶體取向后片晶垂直于取向方向，而纖維狀晶體取向后片晶沿著拉伸的方向。擠出速度加快，剪切速率提高，分子拉伸和取向程度增加，結構更為規整。圖7示出聚醚嵌段酰胺中空纖維軸向分子拉伸過程?？梢钥闯鼍勖亚抖熙０分锌绽w維軸向分子拉伸過程中的分子取向變化。圖中直線代表聚酰胺硬段，曲線代表聚醚軟段。

3 結 論

用于介入醫療器械的聚醚嵌段酰胺中空纖維的結構性能可通過加工工藝來調控，隨著擠出速度加快，剪切速率提高，分子拉伸和取向程度增加，纖維結構更為規整，斷裂伸長率降低，剛性提升。

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Condensed state structure and properties of polyether block amide hollow fiber for invasive medical devices

QUE Yiyun1,2,3，LI Zhaomin1,3，ZHU Shu1，YU Muhuo1，ZHAO Gaiping2

(1.StateKeyLaboratoryforModificationofChemicalFibersandPolymerMaterials,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.SchoolofMedicalInstrumentandFoodEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China; 3.ShanghaiMicroportMedical(Group)Co.,Ltd.,Shanghai201203,China)

The polyether block amide hollow fiber is widely used in invasive medical devices.The operation even medical success is dependent upon condensed state structure of fibers.The effects of the extrusion speed on structure and properties of polyether block amide medical hollow fibers were studied.The results showed that the structure and properties of polyether block amide hollow fibers can be adjusted by manufacture process.By increasing the extrusion speed and the shear rate,the molecular and orientation degree increase,the structure is more regular,the elongation decreases,and the stiff increases.

invasive medical device; polyether block amide; hollow fiber; mechanical property; condensed state structure

10.13475/j.fzxb.20150102705

2015-01-04

2015-04-07

國家自然科學基金青年科學基金項目(21404023)

闕亦云(1976—)，男，高級工程師，碩士。研究方向為醫療器械用纖維材料。余木火，通信作者，E-mail：yumuhuo@dhu.edu.cn。

TQ 342；TQ 316.6

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