医用PPDO倒刺缝合线的体外降解性能

苏梦茹，赵新哲，邹 婷，陈颀超，李超婧，张 斌，王富军，王 璐

(1.东华大学 a.纺织学院,b.纺织面料技术教育部重点实验室, 上海 201620;2.上海傍云医疗科技有限公司, 上海 200120)

缝合线是手术过程中广泛使用的一种生物医用纺织品,常用于闭合伤口时的软组织缝合、软组织与医疗器械的吻合,以及微细血管的结扎止血等[1]。随着临床手术对缝合线要求的不断提高,倒刺缝合线应运而生。倒刺结构在倒刺缝合线表面上沿轴向定向规律分布,使得缝合线和组织接触时具有锚定功能,即缝合线在缝合的反方向无法自由移动[2],因此在使用过程中无需打结。另外,倒刺缝合线还具有应力分布均匀、操作简单快捷的优点[3]。

根据缝合线材料的吸收性,可将其分为可吸收缝合线和不可吸收缝合线。可吸收缝合线可以降解成小分子,被人体吸收或排出,避免了术后缝合线拆除造成的伤口疼痛或损伤,因此可吸收倒刺缝合线在外科临床手术中得到了广泛应用,尤其在整容手术[4]和腹腔镜手术[5]等特殊部位的手术中受到广泛关注。可吸收倒刺缝合线常用的材料为聚对二氧环己酮(poly(p-dioxanone),PPDO)、聚己内酯(polycaprolactone,PCL)、聚乙醇酸(polyglycolic acid,PGA)及其共聚物等[6]。这些材料具有不同的力学强度和降解时间,可匹配于不同的组织所需的力学支持[7]。其中,PPDO是由对二氧杂环己酮(p-dioxanone,PDO)开环聚合而成的一种脂肪族聚酯,具有无毒、生物相容性好、可生物降解性、柔韧性好、强度高等优点[8],该材料已被美国食品与药物管理局批准用于人体内[9]。

可吸收缝合线需具有高初始强度,且降解时间要和组织修复愈合速度相匹配,缝合线横截面直径需尽可能小,以减少组织反应。在临床手术中需针对不同伤口匹配最合适的缝合线,缝合线种类、规格选择不当会造成伤口感染、不愈合等不良医疗事件,所以对可吸收缝合线的体外降解行为的研究具有重要意义。已有研究[10-12]表明,PPDO缝合线的降解周期约为25星期(180 d),最终降解产生二氧化碳和水,但鲜有文献对PPDO倒刺缝合线和光滑缝合线的体外降解性能对比的公开报道,且对不同规格PPDO缝合线降解性能的研究也较少。因此,本文探究了倒刺结构和缝合线规格对PPDO缝合线降解情况的影响,为进一步拓展PPDO倒刺缝合线的临床应用提供了理论基础。

制备不同规格的PPDO光滑缝合线和PPDO倒刺缝合线,将其放入体外降解液中以评估缝合线的降解行为。利用显微镜观察缝合线在降解过程的表观变化,并对缝合线的质量损失、直径、热力学性能、力学性能等进行测量和评价。通过研究缝合线规格、倒刺结构对PPDO缝合线降解的影响,发现降解过程中各项性能的变化规律,从而实现对PPDO缝合线体内降解行为的预测。

1 材料和方法

1.1 缝合线材料及参数

使用的PPDO缝合线包括倒刺缝合线和光滑缝合线两种(倒刺缝合线记为B,光滑缝合线记为N),由上海傍云医疗科技有限公司提供。缝合线规格为1 USP、2 USP和2-0 USP(如:B 为倒刺缝合线,B1表示规格1 USP的倒刺缝合线,B2表示规格2 USP的倒刺缝合线,B2-0表示规格2-0 USP的倒刺缝合线;光滑缝合线N,规格依次类推为N1、N2、N2-0)。倒刺缝合线上的倒刺排列为单向螺旋排列,单个倒刺的几何形状如图1所示,所有试样经环氧乙烷灭菌24 h后储存备用。本研究所用的PPDO倒刺缝合线的几何参数如表1所示。

图1 单丝倒刺缝合线上单个倒刺的几何形状Fig.1 Geometry of single barb on monofilament suture

表1 PPDO倒刺缝合线的几何参数Table 1 Geometric parameters of PPDO barbed sutures

1.2 降解试验前期准备

1.2.1 降解液配制

为模拟人体内降解环境配制磷酸缓冲盐(PBS)溶液,配制方法如下:称取NaCl 为8.00 g、 KH2PO4为0.24 g、 Na2HPO4·12H2O为3.63 g、KCl 为0.20 g,充分搅拌溶解,并定容为1 000 mL的PBS溶液,采用FiveEasy Plus型pH计(mettler toledo,瑞士)测量该溶液pH值为7.4,随后高温高压灭菌[13]。

1.2.2 降解环境

将剪裁为一定长度的试样装载于15 mL离心管中,加入配制的PBS溶液,降解试验操作均在SW-CJ-2F型无菌超净台(上海博讯实业有限公司)中完成。将所有离心管置于KYC-1102C型恒温摇床(上海向帆仪器有限公司)中,保持恒定转速为60 r/min、温度为37 ℃,尽量仿真模拟体内环境进行为期24星期的降解试验,当降解液pH≤6.0时需更换一次降解液。

1.3 降解试验表征

降解试验中的取样时间点分别为1～10、16、20、24星期,在各选定的时间点取出的样品都需用蒸馏水多次冲洗,用滤纸吸去多余水分,并置于FD-1A-5D型冷冻干燥机(上海比朗仪器制造有限公司)中,于-50 ℃条件下真空干燥12 h,取出试样进行后续性能测试。

1.3.1 表观形貌

缝合线试样进行喷金处理后,在TM-3000 Tabletop型扫描电子显微镜(Hitachi,日本)下观察试样表面和截面形貌并拍摄清晰图像,测试电压为5 kV,照片的放大倍数为200和1 000倍。

1.3.2 直径

采用CH-12.7-BTSX型台式数显乳胶测厚仪(上海六菱仪器厂)测量缝合线试样直径,每种试样测量的数量为5根,并在每根试样的1/4、1/2、3/4等3处测量并计算平均值。

1.3.3 质量损失率

使用AL104型电子天平(Mettler Toledo,瑞士)分别称取降解前后缝合线试样的质量,根据式(1)计算质量损失率,每种试样选取3根,求平均值。

式中:L为质量损失率;m0为降解前试样的质量;m′为某取样时间点试样的质量。

1.3.4 热力学性能

称取3～5mg缝合线试样并置于铝制坩埚中,使用DSC4000型差示扫描量热分析仪(PerkinElmer,美国)进行热力学性质测试。在氮气保护下,炉体内的温度先从室温降至-50 ℃,随后升温至140 ℃并保持5min以消除材料热历史,再降温至-30 ℃。然后从-30 ℃升温至140 ℃,测试过程中的升/降温速度均为10 ℃/min。根据式(2)可计算出相对结晶度Xc。

式中:ΔHm为试样的熔融热;ΔHm,0为100%结晶时的熔融热。

1.3.5 傅里叶红外光谱

使用SpectrumTwo型傅里叶红外光谱仪(PerkinElmer,美国),采用衰减全反射法(attenuatedtotalreflection,ATR)分析降解前后缝合线试样的化学结构,施加电压为40V,在4 000～400cm-1波数范围内扫描试样得到以波数为函数的光谱图。

1.3.6 力学性能

采用YG-B026G-500型多功能强力仪(温州市大荣纺织仪器有限公司)对缝合线试样降解前后的拉伸力学性能进行测试,每种试样的数量为5根。光滑缝合线在中部打结,夹持隔距为130mm,拉伸速度为300mm/min。倒刺缝合线无需打结,采用羊角夹头进行试样夹持,夹持隔距为10mm,拉伸速度为300mm/min。根据式(3)计算断裂强度保持率。

式中:h为断裂强度保持率;F0为缝合线试样降解前的断裂强度;F′为该试样某取样时间点的断裂强度。

2 结果与讨论

2.1 PPDO缝合线降解的表观形貌变化

由于PPDO倒刺缝合线和PPDO光滑缝合线的表面形貌除倒刺结构以外相近,故仅以倒刺缝合线为例进行分析。3类缝合线在不同降解时间后的表面形貌如图2所示。由图2可知,不同规格的缝合线的表面形貌变化相近。0星期时的原始缝合线表面光滑平整;缝合线降解6星期后随着水分子侵袭,表面出现针状纤维;10星期时,缝合线针状纤维增多,倒刺结构仍保持完整;随后其逐渐断裂无法再继续观测完整的表观形貌。通过观察缝合线和降解液发现,随降解时间的延长,初始紫色的缝合线逐渐褪色。

PPDO倒刺缝合线和PPDO光滑缝合线的截面形貌相近,同样以倒刺缝合线为例进行分析。缝合线在不同降解时间后的截面形貌如图3所示。由图3可知:原始缝合线(0星期)截面光滑平整,无明显缺陷;6星期时缝合线出现细小裂纹,随后裂纹逐渐加深增多,至10星期时截面趋于崩解,其后无法再观测完整的圆形截面结构。这验证了文献[14]的结论,即PPDO缝合线不是从表面逐渐内向降解而是本体降解,整体逐渐发生降解至碎裂成小块。

图2 缝合线降解过程中的表面形貌Fig.2 Surface morphology of sutures during degradation

图3 缝合线降解过程中的截面形貌Fig.3 Cross-section morphology of sutures during degradation

2.2 PPDO缝合线降解的直径变化

不同缝合线在降解过程中的直径变化如图4所示。由图4可知,降解8星期内各组缝合线试样的直径均无明显变化,8星期后试样逐渐碎裂,无法再进行直径测量。因为PPDO材料的降解过程为材料的表面和内部同时发生降解直至整体崩解,所以在降解初期不会影响试样直径。此外,相同规格的倒刺缝合线和光滑缝合线的直径变化相似,故倒刺结构对降解初期的缝合线直径变化无影响。

图4 缝合线降解过程中的直径变化Fig.4 Diameter change of sutures during degradation

2.3 PPDO缝合线降解的质量损失率变化

不同缝合线在降解过程中的质量损失率如图5所示。由图5可知:在10星期内各组缝合线试样的质量损失缓慢,质量损失率仅为3%左右;10星期后各组试样的质量快速损失,质量损失率随降解时间延长明显逐渐增大,24星期时其质量损失率可达40%～60%。降解24星期内不同规格缝合线的质量损失率存在些许差异,但是各组缝合线试样的质量损失率的整体变化趋势相近。相同规格的倒刺缝合线和光滑缝合线的质量损失率具有相似的变化趋势,故倒刺结构对降解过程中的缝合线质量损失无影响。

2.4 PPDO缝合线降解的热力学性能变化

不同规格的缝合线在不同降解时间后具有相同的热力学性能变化趋势,以B2试样为例进行分析讨论。B2缝合线在不同降解时间后的DSC曲线如图6所示,其玻璃化转变温度tg、熔融温度tm、熔融热ΔHm及结晶度Xc的变化如表2所示。根据文献[12]研究参数,设PPDO的ΔHm,0为140.8 J/g。试样的ΔHm和Xc随降解时间的延长逐渐增大。这是由于水分子先进入非结晶区,使得非结晶区的大分子链水解断裂,非晶区的占比减少,且小分子链的缠结度降低,更容易发生迁移运动而进行有序重排[15]。而tg逐渐降低,这是因为长分子链断裂,分子量随之下降,且分子链更易发生运动[16]。降解时间较长时,水分子进入结晶区,结晶区的分子链随水解发生断裂,最终结晶度从45.855 97%升高至69.153 27%。

表2 B2缝合线试样降解过程中的热力学性能

2.5 PPDO缝合线降解的傅里叶红外光谱变化

缝合线的红外光谱具有相同的变化趋势,故以B2试样为例进行分析讨论,缝合线在不同降解时间后的红外光谱如图7所示。

图7 B2缝合线试样降解过程中的红外光谱图Fig.7 Infrared spectra of B2 sutures during degradation

2.6 PPDO缝合线降解的力学性能变化

缝合线在不同降解时间的断裂强度保持率如图8所示。由图8可知,各试样的断裂强度具有相近的变化规律。在降解初期由于非晶区比例的降低使得各试样的断裂强度产生小幅度提高,8星期时各试样的断裂强度保持率在25%～45%。8星期后各试样随降解时间延长逐渐变得脆弱,在通过强力仪夹头进行试样夹持时易被夹碎,无法再进行后续力学性能测试。

缝合线试样各时间点的应力-应变曲线、弹性模量变化规律以B2试样为例进行分析讨论,B2缝合线试样降解过程中的力学性能变化如图9所示。由图9(a)可知,PPDO材料具有优良的拉伸性能,原始缝合线的断裂伸长约为201%,在降解过程中试样的断裂伸长率初期先升高,3星期后呈下降趋势,8星期时断裂伸长率仅为57%。由图9(b)可知,试样的弹性模量在1星期后快速减小,4星期后逐渐减小,但在8星期时略有升高。这可能是结晶度升高、分子量降低、表观形貌缺陷等协同作用的结果。缝合线试样力学性能发生变化的原因可能是由于水分子首先进入非晶区,使得早期结晶度略有提高,材料脆性增加,之后水分子逐渐进入结晶区,降解过程加剧,试样表观形貌产生缺陷,力学性能随之快速下降。

图8 缝合线试样降解过程中的断裂强度保持率Fig.8 Breaking strength retention of sutures during degradation

3 结 语

通过体外实时降解试验,探究倒刺结构和不同缝合线规格对医用PPDO缝合线降解的影响,研究表明,PPDO倒刺缝合线的倒刺结构不会对其降解过程有明显影响,且不同规格的缝合线的降解情况也相近,即缝合线与水解环境的接触面积的变化基本不影响降解进程。此外,PPDO缝合线的降解过程可以分为两个阶段:第一阶段为水分子扩散到非晶区,长的聚合物链被水解成较短的分子链,力学强度逐渐损失,形貌、直径及质量无明显变化;第二阶段中聚合物链继续断裂,随降解过程加剧缝合线表观结构完整性被破坏,质量快速下降,力学强度完全损失,且整体降解过程中无新的化学键产生。因此PPDO倒刺缝合线能够在8星期内(完全降解的时间超过24星期)为组织提供一定的力学支撑性,更适用于需长时间(在8星期内)修复愈合的组织。此外,体外降解试验结果表明PPDO倒刺缝合线和PPDO光滑缝合线的性能相近,因此PPDO倒刺缝合线有望在整形外科、妇产科、泌尿外科等临床手术中达到与PPDO光滑缝合线相近的效果和安全性。研究结果对PPDO倒刺缝合线的研究和应用具有指导意义,为医生在临床中选择适合伤口的缝合线提供理论支持。