三维多孔生物可降解聚合物人工食管支架的结构与力学性能

2023-01-06王曙东

纺织学报 2022年12期

王曙东

(1.盐城工业职业技术学院纺织服装学院，江苏盐城 224005；2.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215002；3.江苏金麦穗新能源科技股份有限公司，江苏盐城 224000)

食管癌是常见的消化道恶性肿瘤，是世界六大致死癌变之一。食管癌的分布存在着地区、种族和病理类型的差异，全球超过一半的食管癌病例发生在中国，其中90%的病例呈现病理学上的食管鳞状细胞癌[1]。因食管癌的早期诊断和临床治疗方法有限，病人的五年存活率只有约10%[2]。当前治疗食管癌的手术方法是切除病变食管，常利用病人的自体胃、结肠或小肠来重建消化道，但术后易造成创伤大、反流性食管炎、吻合口狭窄及功能紊乱等问题。采用人工材料原位重建食管，可减轻手术创伤，简化手术操作，提高患者术后生活质量，对食管疾病的外科治疗具有重要的意义和实用价值[3]。

1952年Berman在动物体内利用聚乙烯塑料管替代截取后的动物食管，成功地观察到了塑料管外上皮内衬鞘及其他组织的愈合重建，开辟了人工食管研究的先河[4]。迄今为止，国内外科学家和临床医生利用多种人工材料制备人工食管的研究取得了较大进展[5-6]。随着组织工程学的发展，研究人员试图用组织工程的方法构建人工食管。生物可降解材料应运而生，并因其具有可绿色制备、生物相容性好等优点而成为研究热点。其中，聚乳酸(PLA)已被广泛应用于多种生物支架材料[7-8]。聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)是由乳酸和乙交酯共聚而得的聚酯类高聚物，可通过控制乳酸与乙交酯的比例，调节聚合物的降解速率[9-10]，并被制备成各类生物医用材料[11-12]。作为管状支架材料，PLA与PLGA被较多地制备成血管支架[13-14]，但应用于食管支架的报道较少[15]。

本文以PLA和PLGA为原材料、圆柱形聚四氟乙烯为模板、氯化钠为致孔剂，制备三维多孔生物可降解聚合物人工食管支架，对食管支架的形貌、微观结构及其力学性能进行表征，研究有机醇处理对食管支架结构与性能的影响，为将三维多孔可降解聚合物管状支架应用于食管组织工程支架材料提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

聚乳酸(PLA，相对分子质量1 000 000)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA，相对分子质量600 000)，山东岱罡生物科技有限公司；氯化钠、二氯甲烷、无水乙醇，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；纯水为实验室自制。

S-4800型扫描电子显微镜，日本日立公司；Autopore IV 9500型压汞仪，美国麦克默瑞提克公司；Nicolet5700型傅里叶红外光谱仪，美国赛默飞公司；X′Pert-Pro MRD型X射线衍射仪，荷兰飞利浦公司；Diamond型热分析仪，美国PE公司；3365型强伸度测试仪，美国英斯特朗公司。

1.2 三维多孔食管支架的制备

分别取PLA、PLGA溶于二氯甲烷中，配制质量分数为10%的溶液，待完全溶解后加入经研磨过筛具有一定尺寸范围(10～50 μm)的氯化钠，充分搅拌均匀后超声波脱泡，浇注于聚四氟乙烯模具中(管内径10 mm)。然后依次浇注后静置、脱模后静置、真空干燥各48 h。最后将制备的管状支架浸入去离子水中搅动48 h，期间每4～6 h换1次水，取出后空气干燥 48 h 后再真空干燥48 h。将制备得到的PLA、PLGA管状支架分别置于无水乙醇中处理1 h，空气干燥 48 h 后，得到三维多孔可生物降解聚合物人工食管支架，文中称为三维多孔食管支架(聚乳酸食管支架命名为1#，经乙醇处理后命名为2#；聚乳酸-羟基乙酸共聚物食管支架命名为3#，经乙醇处理后命名为4#)。所有制备的样品均经恒温恒湿(温度23 ℃、湿度70%)平衡48 h后备用。

1.3 结构与性能测试

对三维多孔食管支架进行喷金处理后，采用扫描电子显微镜观察支架的表面和横截面形貌。利用压汞仪测试食管支架的孔隙率。借助傅里叶红外光谱仪测试三维多孔食管支架的红外光谱(FT-IR)，扫描范围为4 000～400 cm-1。采用X射线衍射仪测试三维多孔食管支架的衍射图谱(XRD)，扫描范围为5°～45°。采用热分析仪测试三维管状支架的热失重(TG和TGA)曲线和差热分析(DSC)曲线，测试环境为氮气氛围，氮气流量为120 mL/min，温度范围为0～600 ℃，升温速率为10 ℃/min。采用强伸度测试仪测定三维多孔食管支架的拉伸性能，试样夹持长度为20 mm，拉伸速率为20 mm/min，预加张力为0.2 cN，得到三维多孔食管支架的断裂强度、绝对伸长、弹性模量等数据，每组样品测试3组数据。按照文献[16]介绍的方法，用5-0 Prolene聚丙烯手术缝线，距待测食管支架一端边缘2 mm 处一圈等距离缝合2点，测试时将其中一点处的缝线和支架另一端固定在强伸测试仪，以5 mm/min 的速度拉伸，直至缝线撕裂食管支架，记录此时拉力值，并测量另一点及管状支架另一端2点处缝线撕裂管状支架时的拉力值，取以上4点拉力的平均值，即为食管支架的缝合强力。

2 结果与讨论

2.1 三维多孔食管支架的形貌结构

图1示出三维多孔生物可降解聚合物人工食管支架的实物照片。可看出，PLA和PLGA食管支架从外观形貌上较为相似，均为白色管状结构，且具有一定的长度和壁厚。表1示出三维多孔食管支架试样的结构尺寸。可知，2种食管支架的长度约为10 cm，管内径约为10 mm，管壁厚范围为1.7～2.2 mm，孔隙率范围为58.3%～69.3%。总体说来，PLA食管支架的壁厚和孔隙率要大于PLGA，乙醇处理对食管支架的外观形貌有一定影响，食管支架的长度、管径和孔隙率均有一定程度的降低。这是因为经乙醇处理后，食管支架有一定的收缩缘故，致使其结构变得紧密。

图1 三维多孔食管支架的形貌结构照片

表1 三维多孔食管支架的结构尺寸

图2示出三维多孔生物可降解聚合物人工食管支架的SEM照片。可看出，PLA和PLGA食管支架微观形貌上也较为相似，均为三维多孔结构，有利于后续细胞培养，PLA的孔隙率要高于PLGA，且PLA孔隙结构较PLGA更为均匀。从食管支架的截面电镜照片可见，支架未出现分层、结构不连续等现象，表明制备的三维多孔食管支架具有较好的均匀性和整体性。经乙醇处理后，三维多孔食管支架的多孔结构较处理前变得致密，孔径也较处理前变小，管壁厚度也有一定程度地降低，这与食管支架的宏观形貌结果是一致的。

图2 三维多孔生物可降解聚合物人工食管支架的SEM照片

2.2 三维多孔食管支架的化学结构

图3 三维多孔食管支架的红外光谱

三维多孔食管支架的X射线衍射图谱如图4所示。可以看出，未经乙醇处理的PLA和PLGA食管支架均在13.2°附近出现比较宽的散射峰，没有出现明显的结晶衍射峰，表明PLA和PLGA食管支架均以无定形结构为主。经乙醇处理后的PLA食管支架在16.9°附近出现明显的结晶衍射峰，这与课题组之前研究有机醇处理对PLA微观结构影响的结果一致[19]。而经乙醇处理后的PLGA食管支架13.2°的散射峰较处理前也变得尖锐，表明乙醇处理在一定程度上提升了PLA和PLGA食管支架的结晶度。

图4 三维多孔食管支架的X射线衍射光谱

由图5(a)三维多孔食管支架的TG曲线可知，乙醇处理前后的PLA和PLGA食管支架均只有 1个吸热分解阶段，在300～400 ℃之间分解结束后质量不再有损失。由图5(b)可见，PLA食管支架的热分解温度要高于PLGA食管支架，这是由于PLA的分子量高于PLGA的缘故，乙醇处理对PLA和PLGA的热分解温度没有明显影响。由图5(c)可见，乙醇处理后的PLA和PLGA较处理前分别在322.7和307.8 ℃出现1个新的吸热分解峰，表明乙醇处理后，PLA和PLGA食管支架出现了一定的结晶结构，这与XRD的分析结果是一致的。

图5 三维多孔食管支架的热性能

2.3 三维多孔食管支架的力学性能

PLA和PLGA食管支架的拉伸强度和缝合强力如表2所示。可以看到，PLA食管支架的断裂强度、弹性模量和缝合强力分别高于PLGA食管支架，这是由于PLA相对分子质量高于PLGA，且从食管支架材料的TG、TGA和DSC曲线分析可知，PLA食管支架的结构稳定性要好于PLGA，致使PLA食管支架的断裂强度和缝合强力均要优于PLGA，但是PLA食管支架的断裂伸长率要小于PLGA食管支架。经乙醇处理后的PLA和PLGA的断裂强度、弹性模量和缝合强力均较处理前有一定程度的增加，断裂伸长率有一定程度的降低。这是由于经乙醇处理后，从宏观结构上，2种食管支架的结构均变得致密，从微观结构上分析，乙醇处理后的食管支架较处理前出现一定的结晶结构，导致其强度增加，伸长变小，且2种食管支架的缝合强力均超过了食管支架移植时支架所能承受的缝合强力(0.8～1.5 N)[20]，可进行组织工程支架移植。