电纺丝法PLGA可降解输尿管支架的制备及体外降解研究

王晓庆，张龙，侯宇川，陈岐辉，姜凤鸣，张海峰，王春喜

（吉林大学白求恩第一医院泌尿外科，长春 130021）

随着可降解材料在临床的应用，可降解输尿管支架的研究设计受到国内外研究者的广泛关注。本课题组从2000年开始进行生物降解材料输尿管支架的研究，已研制出己内酯丙交酯乙交酯三元共聚物、丙交酯乙交酯共聚物、己内酯环氧乙烷共聚物等系列高分子材料输尿管支架，经体内、体外试验证明材料降解时间4～8周，组织相容性良好。研究取得了阶段性成果，但仍存在形态记忆性不良、质地较硬、易折断等弊端，且降解过程中易出现全程多处断裂，造成一过性输尿管梗阻［1，2］。本研究采用电纺丝工艺来进行可降解输尿管支架管的加工制作，并评价其物理特性及体外降解特性。

1 材料与方法

1.1 材料合成

PLGA（80∶20）的制备：80%L-乳酸水溶液经脱水、预聚合、裂解、重结晶制成L-丙交酯，采用本体聚合工艺，以辛酸亚锡为催化剂，与乙交酯（聚羟基乙酸）开环共聚制成PLGA（80∶20），单体L-丙交酯和乙交酯的摩尔比为80/20。同法合成PLGA（70∶30）及 PLGA（50∶50），分子量约为 60 000。

1.2 纺丝液的制备及输尿管支架管的制备

PLGA纺丝液的制备：用三氯甲烷将PLGA溶解并配成5%的溶液，加入活性物质，充分搅拌6 h，备用。将上述纺丝液注入5 mL玻璃注射器内，将注射器固定在纺丝装置上，电源阳极输出端与铁注射器针头相连。自制接受装置，将直径约1.0 mm的钢丝一端连于可调速电机，另一端与阴极输出端相接，保持钢丝与地面平行，两电极间的距离为15 cm。打开静电发射器电源，调节电压至30KV，电机转数调至60 r/min，得到纳米输尿管支架管。

1.3 体外降解实验

体外降解试验中降解液来自健康志愿者尿液。体外降解试验方法：将输尿管支架管截成长约2 cm小段，每种材料36个，真空干燥，称重；分别浸于尿液中并置于恒温震荡器内，调节温度至37℃，尿液每日更换一次，按浸泡时间分别于 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14 周时取出 3 个平行样品，观察大体形态后测量残重率及分子量检测。残重率=100%×残重/初重，重量损失情况，每组取试样的算术平均值。

2 结果

2.1 支架管的表征

2.1.1 支架管大体形态观察：肉眼观察支架管呈白色，长度10～20 cm，内径约1.0 mm，外径约2.5 mm，质地柔软，具有一定的韧性和记忆性，弯曲后不会折断（图 1a）。

2.1.2 电镜扫描：电镜扫描见纤维均匀分布，直径约在40～1 000 nm之间，网孔直径约在40～200 μm之间，结构均匀，各种比例的支架的直径及孔径的差异无统计学意义（P>0.05）（图 1b、c、d）。

2.2 体外降解性能

2.2.1 形态结构变化：测试材料原始试件呈纯白色，质地柔韧；降解初期材料逐渐略吸水膨大，质地变硬，真空干燥后观察材料形状无明显变化；降解中期材料表面有部分小块溶蚀剥离，质地略软，此时材料尚保留原有形态，体积膨大；后期材料已完全失去原始形态，崩解为小块。上述为材料总体大体形态变化，因各种比例的降解速度不同，各时相历时长短亦不相同，但总体形态变化趋势过程同上述。

2.2.2 材料失重率：各种比例材料降解过程中重量损失均呈平稳过程。PLGA（50∶50）观察至第5周时材料重量损失45%左右，至第6周材料降解为细小颗粒，无法行重量测定。PLGA（80∶20）至7周时观察见材料开始崩解，至8周后已无法进行进一步检测；PLGA（70∶30）降解速度相对较慢，至8周观察结束时材料重量损失40%左右，第10周完全崩解（图 2）。

2.2.3 分子量变化:材料的体内降解过程中分子量变化趋势与重量损失大体相同，降解早期分子量下降迅速，后期减慢并趋于平稳（图3）。

3 讨论

自1978年双猪尾管或称双J管问世以来，大大提高了上尿路手术的成功率，降低了手术并发症的发生率。但留置后仍存在需经膀胱镜取出、膀胱输尿管返流、回缩、移位后需要二次手术及产生膀胱刺激症状等弊端，个别病例甚至因严重血需提前撤除双J管［3，4］。为克服上述缺点，许多研究者将目光转向可降解输尿管支架管的研制领域。可降解输尿管支架管需满足以下条件：（1）有良好的生物降解性能；（2）降解后材料碎片不造成输尿管梗阻；（3）具有良好的组织相容性；（4）具有良好的可塑性和适宜的力学性能。本课题组已研制出多种高分子材料输尿管支架，研究取得了阶段性成果，但仍存在一些亟待解决的问题：（1）质地较硬，记忆性较差，易折断，导致研制的支架管缺乏内固定性能；（2）在降解过程中出现支架管全程多处断裂，造成一过性输尿管梗阻。Lingeman等［5］研制的可“溶解”输尿管支架临床试验结果也不理想，一方面支架管自身固定效果不佳，容易早期脱落，造成肾积水乃至尿液外渗，另一方面支架管碎解后部分碎片残留在肾盂内不能降解排出，需要后续体外冲击波治疗。Boris等［6，7］研制了系列Uriprene可降解输尿管支架，其降解时间控制不理想，动物实验观察到支架管降解过程中出现碎裂并造成一过性梗阻现象，另有部分支架管表面结石形成。为解决上述问题，本研究采以不同比例的聚乳酸-羟基乙酸共聚物为研究对象，采用电纺丝工艺进行输尿管支架管的加工制作，进而改善支架管的相关性能。

电纺丝技术聚合物熔体或溶液在高压静电作用下，利用电场力克服聚合物溶液表面张力形成一股带电的喷射流，溶剂挥发，纳米级纤维无序地排列在收集板上，形成类似无纺布纤维膜。PLGA是组织工程领域常用的聚合物材料，是第一批被美国FDA批准的用于临床的生物可降解材料，它具有良好的生物相容性和生物可降解性，且无严重毒性作用，被广泛应用于组织工程研究中［8，9］。PLGA的玻璃化温度约40°C～60°C，故37°C时易表现为质地相对较硬、脆，易折断。所以以往使用熔融状态下挤管生产的输尿管支架管易折断，折断后堵塞输尿管，造成梗阻。本研究使用电纺丝工艺制作的支架管质地柔软，具备一定的韧性和抗牵拉能力的特点，且具备足够的支撑作用，不易被机械力所折断，完全满足降解输尿管支架管所需要的可塑性和力学性能。电纺丝技术得到的输尿管支架管管壁呈现网状结构，纤维直径约在200～1 500 nm之间，网孔直径约在40～200 μm之间，尿液中的各种分子可自由通过管壁。因此，理论上即使支架管在降解过程中断裂、管腔堵塞，尿液仍可通过管壁进入膀胱内，不会造成梗阻，但需经下一步动物实验证实。

PLGA的降解机制是水解机制，即在水的存在下其酯键发生水解作用，产生乳酸和羟基乙酸单体，这2种物质是生理条件下体内多种代谢途径的副产物，参与到体内的三羧酸循环，最终以二氧化碳和有机酸的形式排出体外［10］。降解过程中PLGA由不溶于水的固体变成水溶性物质，分子量会迅速降低，失去原有的力学强度，整体结构被破坏，体积变小。当分子量小到可溶于水的极限时，整体结构发生变形和失重。PLGA聚合物的降解率与各种单体的比例有关，多个研究表明50∶50比例的PLGA降解最快，其他无论哪种单体比例降解速度均低于50∶50［11，12］。本研究主要通过材料的失重率及分子量的变化来评价其降解速率。通过对残重率的观察我们可以看到各种比例的PLGA材料的降解的残重率曲线近乎成线性，其中50∶50比例的PLGA降解最快，约至第6周材料崩解，而70∶30比例的PLGA降解最慢，在10周左右崩解，80∶20降解速率介于2者之间，降解时间约需8周。赵莉等［12］认为PGA和PLA均为结晶状聚合物，当2种单体无规共聚后破坏了原均聚物的分子规整性，结晶度大大降低乃至完全失去结晶性。50∶50比例的PLGA聚合物达到最大限度的无规结构，水分子渗透快，因此降解速度要比其他比例的PLGA聚合物快得多。本研究中，PLGA（50∶50）及 PLGA（80∶20）的降解时间均可满足了输尿管支架管对降解时间的要求，是较为理想的材料。由于本研究体内降解部分正在进行之中，各种材料在体内降解是否与体外降解情况一致需进一步证实。

［1］侯宇川，王春喜，陈学思.新型生物降解材料输尿管支架的生物相容性研究［J］.中华实验外科杂志，2006，23（5）：571-572.

［2］王春喜，侯宇川，陈学思.漏斗形生物降解材料输尿管支架的动物实验研究［J］.中华泌尿外科杂志，2006，27（11），738-741.

［3］Meeks JJ，Helfand BT，Thaxton CS，et al.Retrieval of migrated ureteral stents by coaxial cannulation with a flexible ureteroscope and paired helical basket［J］.J Endourol，2008，22（5）：927-929.

［4］Vega Vega A，García Alonso D，García Alonso CJ.Characterization of urinary tract symptoms and quality of life in patients with double-pigtailed ureteral stents［J］.Actas Urol Esp，2007，31（7）：738-742.

［5］Lingeman JE，Preminger GM，Berger Y，et al.Use of a temporary ureteral drainage stent after uncomplicated ureteroscopy：results from a phase II clinical trial［J］.J Urol.2003，169（5）：1682-1688.

［6］Boris AH，Ryan FP，Ladan F，et al.Investigation of a novel degradable ureteral stent in a porcine model［J］.J Urol，2008，180（3）：1161-1166.

［7］Ben HC，Dirk L，Ryan FP，et al.Next generation biodegradable ureteral stent in a Yucatan pig model［J］.J Urol，2010，183（2）：765-771.

［8］Klose D，Laprais M，Leroux V，et al.Fenofibrate-loaded PLGA microparticles：effects on ischemic stroke［J］.Eur J Pharm Sci，2009，37（1）：43-52.

［9］Iverson N，Plourde N，Chnari E，et al.Convergence of nanotechnology and cardiovascular medicine：progress and emerging prospects［J］.BioDrugs，2008，22（1）：1-10.

［10］Jain RA.The manufacturing techniques of various drug loaded biodegradable poly（lactide-co-glycolide）（PLGA）devices［J］.Biomaterials，2000，21（23）：2475-2490.

［11］Athanasiou K A，Niederauer G G，Agrawal C M.Sterilization，toxicity，biocompatibility and clinical applications of polylactic acid/polyglycolic acid copolymers［J］.Biomaterials，1996，17（2）：93-102.

［12］赵莉，何晨光，高永娟，等.PLGA的不同组成对支架材料性能的影响研究［J］.中国生物工程杂志，2008，28（5）：22-28.