醫(yī)用PPDO倒刺縫合線的體外降解性能

蘇夢茹，趙新哲，鄒 婷，陳頎超，李超婧，張 斌，王富軍，王 璐

(1.東華大學(xué) a.紡織學(xué)院,b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620;2.上海傍云醫(yī)療科技有限公司, 上海 200120)

縫合線是手術(shù)過程中廣泛使用的一種生物醫(yī)用紡織品,常用于閉合傷口時(shí)的軟組織縫合、軟組織與醫(yī)療器械的吻合,以及微細(xì)血管的結(jié)扎止血等[1]。隨著臨床手術(shù)對縫合線要求的不斷提高,倒刺縫合線應(yīng)運(yùn)而生。倒刺結(jié)構(gòu)在倒刺縫合線表面上沿軸向定向規(guī)律分布,使得縫合線和組織接觸時(shí)具有錨定功能,即縫合線在縫合的反方向無法自由移動[2],因此在使用過程中無需打結(jié)。另外,倒刺縫合線還具有應(yīng)力分布均勻、操作簡單快捷的優(yōu)點(diǎn)[3]。

根據(jù)縫合線材料的吸收性,可將其分為可吸收縫合線和不可吸收縫合線?？晌湛p合線可以降解成小分子,被人體吸收或排出,避免了術(shù)后縫合線拆除造成的傷口疼痛或損傷,因此可吸收倒刺縫合線在外科臨床手術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用,尤其在整容手術(shù)[4]和腹腔鏡手術(shù)[5]等特殊部位的手術(shù)中受到廣泛關(guān)注。可吸收倒刺縫合線常用的材料為聚對二氧環(huán)己酮(poly(p-dioxanone),PPDO)、聚己內(nèi)酯(polycaprolactone,PCL)、聚乙醇酸(polyglycolic acid,PGA)及其共聚物等[6]。這些材料具有不同的力學(xué)強(qiáng)度和降解時(shí)間,可匹配于不同的組織所需的力學(xué)支持[7]。其中,PPDO是由對二氧雜環(huán)己酮(p-dioxanone,PDO)開環(huán)聚合而成的一種脂肪族聚酯,具有無毒、生物相容性好、可生物降解性、柔韌性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[8],該材料已被美國食品與藥物管理局批準(zhǔn)用于人體內(nèi)[9]。

可吸收縫合線需具有高初始強(qiáng)度,且降解時(shí)間要和組織修復(fù)愈合速度相匹配,縫合線橫截面直徑需盡可能小,以減少組織反應(yīng)。在臨床手術(shù)中需針對不同傷口匹配最合適的縫合線,縫合線種類、規(guī)格選擇不當(dāng)會造成傷口感染、不愈合等不良醫(yī)療事件,所以對可吸收縫合線的體外降解行為的研究具有重要意義。已有研究[10-12]表明,PPDO縫合線的降解周期約為25星期(180 d),最終降解產(chǎn)生二氧化碳和水,但鮮有文獻(xiàn)對PPDO倒刺縫合線和光滑縫合線的體外降解性能對比的公開報(bào)道,且對不同規(guī)格PPDO縫合線降解性能的研究也較少。因此,本文探究了倒刺結(jié)構(gòu)和縫合線規(guī)格對PPDO縫合線降解情況的影響,為進(jìn)一步拓展PPDO倒刺縫合線的臨床應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

制備不同規(guī)格的PPDO光滑縫合線和PPDO倒刺縫合線,將其放入體外降解液中以評估縫合線的降解行為。利用顯微鏡觀察縫合線在降解過程的表觀變化,并對縫合線的質(zhì)量損失、直徑、熱力學(xué)性能、力學(xué)性能等進(jìn)行測量和評價(jià)。通過研究縫合線規(guī)格、倒刺結(jié)構(gòu)對PPDO縫合線降解的影響,發(fā)現(xiàn)降解過程中各項(xiàng)性能的變化規(guī)律,從而實(shí)現(xiàn)對PPDO縫合線體內(nèi)降解行為的預(yù)測。

1 材料和方法

1.1 縫合線材料及參數(shù)

使用的PPDO縫合線包括倒刺縫合線和光滑縫合線兩種(倒刺縫合線記為B,光滑縫合線記為N),由上海傍云醫(yī)療科技有限公司提供?？p合線規(guī)格為1 USP、2 USP和2-0 USP(如:B 為倒刺縫合線,B1表示規(guī)格1 USP的倒刺縫合線,B2表示規(guī)格2 USP的倒刺縫合線,B2-0表示規(guī)格2-0 USP的倒刺縫合線;光滑縫合線N,規(guī)格依次類推為N1、N2、N2-0)。倒刺縫合線上的倒刺排列為單向螺旋排列,單個(gè)倒刺的幾何形狀如圖1所示,所有試樣經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌24 h后儲存?zhèn)溆?。本研究所用的PPDO倒刺縫合線的幾何參數(shù)如表1所示。

圖1 單絲倒刺縫合線上單個(gè)倒刺的幾何形狀Fig.1 Geometry of single barb on monofilament suture

表1 PPDO倒刺縫合線的幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of PPDO barbed sutures

1.2 降解試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

1.2.1 降解液配制

為模擬人體內(nèi)降解環(huán)境配制磷酸緩沖鹽(PBS)溶液,配制方法如下:稱取NaCl 為8.00 g、 KH2PO4為0.24 g、 Na2HPO4·12H2O為3.63 g、KCl 為0.20 g,充分?jǐn)嚢枞芙?并定容為1 000 mL的PBS溶液,采用FiveEasy Plus型pH計(jì)(mettler toledo,瑞士)測量該溶液pH值為7.4,隨后高溫高壓滅菌[13]。

1.2.2 降解環(huán)境

將剪裁為一定長度的試樣裝載于15 mL離心管中,加入配制的PBS溶液,降解試驗(yàn)操作均在SW-CJ-2F型無菌超凈臺(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司)中完成。將所有離心管置于KYC-1102C型恒溫?fù)u床(上海向帆儀器有限公司)中,保持恒定轉(zhuǎn)速為60 r/min、溫度為37 ℃,盡量仿真模擬體內(nèi)環(huán)境進(jìn)行為期24星期的降解試驗(yàn),當(dāng)降解液pH≤6.0時(shí)需更換一次降解液。

1.3 降解試驗(yàn)表征

降解試驗(yàn)中的取樣時(shí)間點(diǎn)分別為1～10、16、20、24星期,在各選定的時(shí)間點(diǎn)取出的樣品都需用蒸餾水多次沖洗,用濾紙吸去多余水分,并置于FD-1A-5D型冷凍干燥機(jī)(上海比朗儀器制造有限公司)中,于-50 ℃條件下真空干燥12 h,取出試樣進(jìn)行后續(xù)性能測試。

1.3.1 表觀形貌

縫合線試樣進(jìn)行噴金處理后,在TM-3000 Tabletop型掃描電子顯微鏡(Hitachi,日本)下觀察試樣表面和截面形貌并拍攝清晰圖像,測試電壓為5 kV,照片的放大倍數(shù)為200和1 000倍。

1.3.2 直徑

采用CH-12.7-BTSX型臺式數(shù)顯乳膠測厚儀(上海六菱儀器廠)測量縫合線試樣直徑,每種試樣測量的數(shù)量為5根,并在每根試樣的1/4、1/2、3/4等3處測量并計(jì)算平均值。

1.3.3 質(zhì)量損失率

使用AL104型電子天平(Mettler Toledo,瑞士)分別稱取降解前后縫合線試樣的質(zhì)量,根據(jù)式(1)計(jì)算質(zhì)量損失率,每種試樣選取3根,求平均值。

式中:L為質(zhì)量損失率;m0為降解前試樣的質(zhì)量;m′為某取樣時(shí)間點(diǎn)試樣的質(zhì)量。

1.3.4 熱力學(xué)性能

稱取3～5mg縫合線試樣并置于鋁制坩堝中,使用DSC4000型差示掃描量熱分析儀(PerkinElmer,美國)進(jìn)行熱力學(xué)性質(zhì)測試。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下,爐體內(nèi)的溫度先從室溫降至-50 ℃,隨后升溫至140 ℃并保持5min以消除材料熱歷史,再降溫至-30 ℃。然后從-30 ℃升溫至140 ℃,測試過程中的升/降溫速度均為10 ℃/min。根據(jù)式(2)可計(jì)算出相對結(jié)晶度Xc。

式中:ΔHm為試樣的熔融熱;ΔHm,0為100%結(jié)晶時(shí)的熔融熱。

1.3.5 傅里葉紅外光譜

使用SpectrumTwo型傅里葉紅外光譜儀(PerkinElmer,美國),采用衰減全反射法(attenuatedtotalreflection,ATR)分析降解前后縫合線試樣的化學(xué)結(jié)構(gòu),施加電壓為40V,在4 000～400cm-1波數(shù)范圍內(nèi)掃描試樣得到以波數(shù)為函數(shù)的光譜圖。

1.3.6 力學(xué)性能

采用YG-B026G-500型多功能強(qiáng)力儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)對縫合線試樣降解前后的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行測試,每種試樣的數(shù)量為5根。光滑縫合線在中部打結(jié),夾持隔距為130mm,拉伸速度為300mm/min。倒刺縫合線無需打結(jié),采用羊角夾頭進(jìn)行試樣夾持,夾持隔距為10mm,拉伸速度為300mm/min。根據(jù)式(3)計(jì)算斷裂強(qiáng)度保持率。

式中:h為斷裂強(qiáng)度保持率;F0為縫合線試樣降解前的斷裂強(qiáng)度;F′為該試樣某取樣時(shí)間點(diǎn)的斷裂強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 PPDO縫合線降解的表觀形貌變化

由于PPDO倒刺縫合線和PPDO光滑縫合線的表面形貌除倒刺結(jié)構(gòu)以外相近,故僅以倒刺縫合線為例進(jìn)行分析。3類縫合線在不同降解時(shí)間后的表面形貌如圖2所示。由圖2可知,不同規(guī)格的縫合線的表面形貌變化相近。0星期時(shí)的原始縫合線表面光滑平整;縫合線降解6星期后隨著水分子侵襲,表面出現(xiàn)針狀纖維;10星期時(shí),縫合線針狀纖維增多,倒刺結(jié)構(gòu)仍保持完整;隨后其逐漸斷裂無法再繼續(xù)觀測完整的表觀形貌。通過觀察縫合線和降解液發(fā)現(xiàn),隨降解時(shí)間的延長,初始紫色的縫合線逐漸褪色。

PPDO倒刺縫合線和PPDO光滑縫合線的截面形貌相近,同樣以倒刺縫合線為例進(jìn)行分析?？p合線在不同降解時(shí)間后的截面形貌如圖3所示。由圖3可知:原始縫合線(0星期)截面光滑平整,無明顯缺陷;6星期時(shí)縫合線出現(xiàn)細(xì)小裂紋,隨后裂紋逐漸加深增多,至10星期時(shí)截面趨于崩解,其后無法再觀測完整的圓形截面結(jié)構(gòu)。這驗(yàn)證了文獻(xiàn)[14]的結(jié)論,即PPDO縫合線不是從表面逐漸內(nèi)向降解而是本體降解,整體逐漸發(fā)生降解至碎裂成小塊。

圖2 縫合線降解過程中的表面形貌Fig.2 Surface morphology of sutures during degradation

圖3 縫合線降解過程中的截面形貌Fig.3 Cross-section morphology of sutures during degradation

2.2 PPDO縫合線降解的直徑變化

不同縫合線在降解過程中的直徑變化如圖4所示。由圖4可知,降解8星期內(nèi)各組縫合線試樣的直徑均無明顯變化,8星期后試樣逐漸碎裂,無法再進(jìn)行直徑測量。因?yàn)镻PDO材料的降解過程為材料的表面和內(nèi)部同時(shí)發(fā)生降解直至整體崩解,所以在降解初期不會影響試樣直徑。此外,相同規(guī)格的倒刺縫合線和光滑縫合線的直徑變化相似,故倒刺結(jié)構(gòu)對降解初期的縫合線直徑變化無影響。

圖4 縫合線降解過程中的直徑變化Fig.4 Diameter change of sutures during degradation

2.3 PPDO縫合線降解的質(zhì)量損失率變化

不同縫合線在降解過程中的質(zhì)量損失率如圖5所示。由圖5可知:在10星期內(nèi)各組縫合線試樣的質(zhì)量損失緩慢,質(zhì)量損失率僅為3%左右;10星期后各組試樣的質(zhì)量快速損失,質(zhì)量損失率隨降解時(shí)間延長明顯逐漸增大,24星期時(shí)其質(zhì)量損失率可達(dá)40%～60%。降解24星期內(nèi)不同規(guī)格縫合線的質(zhì)量損失率存在些許差異,但是各組縫合線試樣的質(zhì)量損失率的整體變化趨勢相近。相同規(guī)格的倒刺縫合線和光滑縫合線的質(zhì)量損失率具有相似的變化趨勢,故倒刺結(jié)構(gòu)對降解過程中的縫合線質(zhì)量損失無影響。

2.4 PPDO縫合線降解的熱力學(xué)性能變化

不同規(guī)格的縫合線在不同降解時(shí)間后具有相同的熱力學(xué)性能變化趨勢,以B2試樣為例進(jìn)行分析討論。B2縫合線在不同降解時(shí)間后的DSC曲線如圖6所示,其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg、熔融溫度tm、熔融熱ΔHm及結(jié)晶度Xc的變化如表2所示。根據(jù)文獻(xiàn)[12]研究參數(shù),設(shè)PPDO的ΔHm,0為140.8 J/g。試樣的ΔHm和Xc隨降解時(shí)間的延長逐漸增大。這是由于水分子先進(jìn)入非結(jié)晶區(qū),使得非結(jié)晶區(qū)的大分子鏈水解斷裂,非晶區(qū)的占比減少,且小分子鏈的纏結(jié)度降低,更容易發(fā)生遷移運(yùn)動而進(jìn)行有序重排[15]。而tg逐漸降低,這是因?yàn)殚L分子鏈斷裂,分子量隨之下降,且分子鏈更易發(fā)生運(yùn)動[16]。降解時(shí)間較長時(shí),水分子進(jìn)入結(jié)晶區(qū),結(jié)晶區(qū)的分子鏈隨水解發(fā)生斷裂,最終結(jié)晶度從45.855 97%升高至69.153 27%。

表2 B2縫合線試樣降解過程中的熱力學(xué)性能

2.5 PPDO縫合線降解的傅里葉紅外光譜變化

縫合線的紅外光譜具有相同的變化趨勢,故以B2試樣為例進(jìn)行分析討論,縫合線在不同降解時(shí)間后的紅外光譜如圖7所示。

圖7 B2縫合線試樣降解過程中的紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectra of B2 sutures during degradation

2.6 PPDO縫合線降解的力學(xué)性能變化

縫合線在不同降解時(shí)間的斷裂強(qiáng)度保持率如圖8所示。由圖8可知,各試樣的斷裂強(qiáng)度具有相近的變化規(guī)律。在降解初期由于非晶區(qū)比例的降低使得各試樣的斷裂強(qiáng)度產(chǎn)生小幅度提高,8星期時(shí)各試樣的斷裂強(qiáng)度保持率在25%～45%。8星期后各試樣隨降解時(shí)間延長逐漸變得脆弱,在通過強(qiáng)力儀夾頭進(jìn)行試樣夾持時(shí)易被夾碎,無法再進(jìn)行后續(xù)力學(xué)性能測試。

縫合線試樣各時(shí)間點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量變化規(guī)律以B2試樣為例進(jìn)行分析討論,B2縫合線試樣降解過程中的力學(xué)性能變化如圖9所示。由圖9(a)可知,PPDO材料具有優(yōu)良的拉伸性能,原始縫合線的斷裂伸長約為201%,在降解過程中試樣的斷裂伸長率初期先升高,3星期后呈下降趨勢,8星期時(shí)斷裂伸長率僅為57%。由圖9(b)可知,試樣的彈性模量在1星期后快速減小,4星期后逐漸減小,但在8星期時(shí)略有升高。這可能是結(jié)晶度升高、分子量降低、表觀形貌缺陷等協(xié)同作用的結(jié)果?？p合線試樣力學(xué)性能發(fā)生變化的原因可能是由于水分子首先進(jìn)入非晶區(qū),使得早期結(jié)晶度略有提高,材料脆性增加,之后水分子逐漸進(jìn)入結(jié)晶區(qū),降解過程加劇,試樣表觀形貌產(chǎn)生缺陷,力學(xué)性能隨之快速下降。

圖8 縫合線試樣降解過程中的斷裂強(qiáng)度保持率Fig.8 Breaking strength retention of sutures during degradation

3 結(jié) 語

通過體外實(shí)時(shí)降解試驗(yàn),探究倒刺結(jié)構(gòu)和不同縫合線規(guī)格對醫(yī)用PPDO縫合線降解的影響,研究表明,PPDO倒刺縫合線的倒刺結(jié)構(gòu)不會對其降解過程有明顯影響,且不同規(guī)格的縫合線的降解情況也相近,即縫合線與水解環(huán)境的接觸面積的變化基本不影響降解進(jìn)程。此外,PPDO縫合線的降解過程可以分為兩個(gè)階段:第一階段為水分子擴(kuò)散到非晶區(qū),長的聚合物鏈被水解成較短的分子鏈,力學(xué)強(qiáng)度逐漸損失,形貌、直徑及質(zhì)量無明顯變化;第二階段中聚合物鏈繼續(xù)斷裂,隨降解過程加劇縫合線表觀結(jié)構(gòu)完整性被破壞,質(zhì)量快速下降,力學(xué)強(qiáng)度完全損失,且整體降解過程中無新的化學(xué)鍵產(chǎn)生。因此PPDO倒刺縫合線能夠在8星期內(nèi)(完全降解的時(shí)間超過24星期)為組織提供一定的力學(xué)支撐性,更適用于需長時(shí)間(在8星期內(nèi))修復(fù)愈合的組織。此外,體外降解試驗(yàn)結(jié)果表明PPDO倒刺縫合線和PPDO光滑縫合線的性能相近,因此PPDO倒刺縫合線有望在整形外科、婦產(chǎn)科、泌尿外科等臨床手術(shù)中達(dá)到與PPDO光滑縫合線相近的效果和安全性。研究結(jié)果對PPDO倒刺縫合線的研究和應(yīng)用具有指導(dǎo)意義,為醫(yī)生在臨床中選擇適合傷口的縫合線提供理論支持。