三維多孔生物可降解聚合物人工食管支架的結構與力學性能

王曙東

(1.鹽城工業職業技術學院 紡織服裝學院，江蘇 鹽城 224005；2.蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215002；3.江蘇金麥穗新能源科技股份有限公司，江蘇 鹽城 224000)

食管癌是常見的消化道惡性腫瘤，是世界六大致死癌變之一。食管癌的分布存在著地區、種族和病理類型的差異，全球超過一半的食管癌病例發生在中國，其中90%的病例呈現病理學上的食管鱗狀細胞癌[1]。因食管癌的早期診斷和臨床治療方法有限，病人的五年存活率只有約10%[2]。當前治療食管癌的手術方法是切除病變食管，常利用病人的自體胃、結腸或小腸來重建消化道，但術后易造成創傷大、反流性食管炎、吻合口狹窄及功能紊亂等問題。采用人工材料原位重建食管，可減輕手術創傷，簡化手術操作，提高患者術后生活質量，對食管疾病的外科治療具有重要的意義和實用價值[3]。

1952年Berman在動物體內利用聚乙烯塑料管替代截取后的動物食管，成功地觀察到了塑料管外上皮內襯鞘及其他組織的愈合重建，開辟了人工食管研究的先河[4]。迄今為止，國內外科學家和臨床醫生利用多種人工材料制備人工食管的研究取得了較大進展[5-6]。隨著組織工程學的發展，研究人員試圖用組織工程的方法構建人工食管。生物可降解材料應運而生，并因其具有可綠色制備、生物相容性好等優點而成為研究熱點。其中，聚乳酸(PLA)已被廣泛應用于多種生物支架材料[7-8]。聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)是由乳酸和乙交酯共聚而得的聚酯類高聚物，可通過控制乳酸與乙交酯的比例，調節聚合物的降解速率[9-10]，并被制備成各類生物醫用材料[11-12]。作為管狀支架材料，PLA與PLGA被較多地制備成血管支架[13-14]，但應用于食管支架的報道較少[15]。

本文以PLA和PLGA為原材料、圓柱形聚四氟乙烯為模板、氯化鈉為致孔劑，制備三維多孔生物可降解聚合物人工食管支架，對食管支架的形貌、微觀結構及其力學性能進行表征，研究有機醇處理對食管支架結構與性能的影響，為將三維多孔可降解聚合物管狀支架應用于食管組織工程支架材料提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

聚乳酸(PLA，相對分子質量1 000 000)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA，相對分子質量600 000)，山東岱罡生物科技有限公司；氯化鈉、二氯甲烷、無水乙醇，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；純水為實驗室自制。

S-4800型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；Autopore IV 9500型壓汞儀，美國麥克默瑞提克公司；Nicolet5700型傅里葉紅外光譜儀，美國賽默飛公司；X′Pert-Pro MRD型X射線衍射儀，荷蘭飛利浦公司；Diamond型熱分析儀，美國PE公司；3365型強伸度測試儀，美國英斯特朗公司。

1.2 三維多孔食管支架的制備

分別取PLA、PLGA溶于二氯甲烷中，配制質量分數為10%的溶液，待完全溶解后加入經研磨過篩具有一定尺寸范圍(10～50 μm)的氯化鈉，充分攪拌均勻后超聲波脫泡，澆注于聚四氟乙烯模具中(管內徑10 mm)。然后依次澆注后靜置、脫模后靜置、真空干燥各48 h。最后將制備的管狀支架浸入去離子水中攪動48 h，期間每4～6 h換1次水，取出后空氣干燥 48 h 后再真空干燥48 h。將制備得到的PLA、PLGA管狀支架分別置于無水乙醇中處理1 h，空氣干燥 48 h 后，得到三維多孔可生物降解聚合物人工食管支架，文中稱為三維多孔食管支架(聚乳酸食管支架命名為1#，經乙醇處理后命名為2#；聚乳酸-羥基乙酸共聚物食管支架命名為3#，經乙醇處理后命名為4#)。所有制備的樣品均經恒溫恒濕(溫度23 ℃、濕度70%)平衡48 h后備用。

1.3 結構與性能測試

對三維多孔食管支架進行噴金處理后，采用掃描電子顯微鏡觀察支架的表面和橫截面形貌。利用壓汞儀測試食管支架的孔隙率。借助傅里葉紅外光譜儀測試三維多孔食管支架的紅外光譜(FT-IR)，掃描范圍為4 000～400 cm-1。采用X射線衍射儀測試三維多孔食管支架的衍射圖譜(XRD)，掃描范圍為5°～45°。采用熱分析儀測試三維管狀支架的熱失重(TG和TGA)曲線和差熱分析(DSC)曲線，測試環境為氮氣氛圍，氮氣流量為120 mL/min，溫度范圍為0～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min。采用強伸度測試儀測定三維多孔食管支架的拉伸性能，試樣夾持長度為20 mm，拉伸速率為20 mm/min，預加張力為0.2 cN，得到三維多孔食管支架的斷裂強度、絕對伸長、彈性模量等數據，每組樣品測試3組數據。按照文獻[16]介紹的方法，用5-0 Prolene聚丙烯手術縫線，距待測食管支架一端邊緣2 mm 處一圈等距離縫合2點，測試時將其中一點處的縫線和支架另一端固定在強伸測試儀，以5 mm/min 的速度拉伸，直至縫線撕裂食管支架，記錄此時拉力值，并測量另一點及管狀支架另一端2點處縫線撕裂管狀支架時的拉力值，取以上4點拉力的平均值，即為食管支架的縫合強力。

2 結果與討論

2.1 三維多孔食管支架的形貌結構

圖1示出三維多孔生物可降解聚合物人工食管支架的實物照片?？煽闯?，PLA和PLGA食管支架從外觀形貌上較為相似，均為白色管狀結構，且具有一定的長度和壁厚。表1示出三維多孔食管支架試樣的結構尺寸?？芍?，2種食管支架的長度約為10 cm，管內徑約為10 mm，管壁厚范圍為1.7～2.2 mm，孔隙率范圍為58.3%～69.3%?？傮w說來，PLA食管支架的壁厚和孔隙率要大于PLGA，乙醇處理對食管支架的外觀形貌有一定影響，食管支架的長度、管徑和孔隙率均有一定程度的降低。這是因為經乙醇處理后，食管支架有一定的收縮緣故，致使其結構變得緊密。

圖1 三維多孔食管支架的形貌結構照片

表1 三維多孔食管支架的結構尺寸

圖2示出三維多孔生物可降解聚合物人工食管支架的SEM照片?？煽闯?，PLA和PLGA食管支架微觀形貌上也較為相似，均為三維多孔結構，有利于后續細胞培養，PLA的孔隙率要高于PLGA，且PLA孔隙結構較PLGA更為均勻。從食管支架的截面電鏡照片可見，支架未出現分層、結構不連續等現象，表明制備的三維多孔食管支架具有較好的均勻性和整體性。經乙醇處理后，三維多孔食管支架的多孔結構較處理前變得致密，孔徑也較處理前變小，管壁厚度也有一定程度地降低，這與食管支架的宏觀形貌結果是一致的。

圖2 三維多孔生物可降解聚合物人工食管支架的SEM照片

2.2 三維多孔食管支架的化學結構

圖3 三維多孔食管支架的紅外光譜

三維多孔食管支架的X射線衍射圖譜如圖4所示?？梢钥闯?，未經乙醇處理的PLA和PLGA食管支架均在13.2°附近出現比較寬的散射峰，沒有出現明顯的結晶衍射峰，表明PLA和PLGA食管支架均以無定形結構為主。經乙醇處理后的PLA食管支架在16.9°附近出現明顯的結晶衍射峰，這與課題組之前研究有機醇處理對PLA微觀結構影響的結果一致[19]。而經乙醇處理后的PLGA食管支架13.2°的散射峰較處理前也變得尖銳，表明乙醇處理在一定程度上提升了PLA和PLGA食管支架的結晶度。

圖4 三維多孔食管支架的X射線衍射光譜

由圖5(a)三維多孔食管支架的TG曲線可知，乙醇處理前后的PLA和PLGA食管支架均只有 1個吸熱分解階段，在300～400 ℃之間分解結束后質量不再有損失。由圖5(b)可見，PLA食管支架的熱分解溫度要高于PLGA食管支架，這是由于PLA的分子量高于PLGA的緣故，乙醇處理對PLA和PLGA的熱分解溫度沒有明顯影響。由圖5(c)可見，乙醇處理后的PLA和PLGA較處理前分別在322.7和307.8 ℃出現1個新的吸熱分解峰，表明乙醇處理后，PLA和PLGA食管支架出現了一定的結晶結構，這與XRD的分析結果是一致的。

圖5 三維多孔食管支架的熱性能

2.3 三維多孔食管支架的力學性能

PLA和PLGA食管支架的拉伸強度和縫合強力如表2所示?？梢钥吹?，PLA食管支架的斷裂強度、彈性模量和縫合強力分別高于PLGA食管支架，這是由于PLA相對分子質量高于PLGA，且從食管支架材料的TG、TGA和DSC曲線分析可知，PLA食管支架的結構穩定性要好于PLGA，致使PLA食管支架的斷裂強度和縫合強力均要優于PLGA，但是PLA食管支架的斷裂伸長率要小于PLGA食管支架。經乙醇處理后的PLA和PLGA的斷裂強度、彈性模量和縫合強力均較處理前有一定程度的增加，斷裂伸長率有一定程度的降低。這是由于經乙醇處理后，從宏觀結構上，2種食管支架的結構均變得致密，從微觀結構上分析，乙醇處理后的食管支架較處理前出現一定的結晶結構，導致其強度增加，伸長變小，且2種食管支架的縫合強力均超過了食管支架移植時支架所能承受的縫合強力(0.8～1.5 N)[20]，可進行組織工程支架移植。

表2 三維多孔食管支架的力學性能

3 結 論

本文以生物可降解的PLA和PLGA為材料，制備三維多孔聚合物人工食管支架，并對食管支架的結構及力學性能進行表征與測試，得出如下結論。

1)以圓柱形聚四氟乙烯為模板，可成功地制備PLA和PLGA人工食管支架，長度約為10 cm，管內徑約為10 mm，管壁厚約為2.0 mm，具有三維多孔結構，支架的孔隙率范圍為58.3%～69.3%。乙醇處理后，人工食管支架的長度、管徑和孔隙率均有一定程度的降低。

2)PLA和PLGA三維多孔食管支架的微觀結構為無定型結構，乙醇處理對2種食管支架的微觀結構無顯著影響，但是在一定程度上提升了食管支架的結晶度。

3)PLA和PLGA三維多孔食管支架具有一定的力學強度，PLA食管支架的斷裂強度、彈性模量和縫合強力高于PLGA食管支架。乙醇處理后，2種食管支架的拉伸強度和縫合強力均有一定程度提升。2種食管支架的縫合強力均超過了食管支架移植時支架所能承受的縫合強力。