微型支架多向拉伸构建及其支撑力学检测

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1364

摘要/Abstract

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文题释义：

聚乳酸：是一种性能良好的可降解高分子材料，被广泛应用于心血管支架、内固定钉-板等，但其本身存在一些性能和加工上的缺陷，导致聚乳酸产品脆性大、力学性能差，限制了聚乳酸应用领域的拓展，且聚乳酸结晶速率较慢，通常加工成型会影响聚乳酸产品的力学性能。

拉伸工艺：是决定纤维力学性能和凝聚态结构的重要因素，从拉伸条件的作用机制分析，在拉伸过程中，外界作用(形变量、形变速率、温度)赋予了纤维中分子链及其链段足以实现重新排列的运动能力，进而促成了结晶和取向结构的演化。

背景：聚乳酸是一种性能良好的可降解高分子材料，被广泛应用于心血管支架、内固定钉-板等，对非晶态聚乳酸进行拉伸，可获得链取向和结晶结构，提高其力学性能。

目的：探讨采用多向拉伸制备微型聚乳酸支架的可行性。

方法：采用分子质量为100 kD的聚乳酸制作环形支架基杆，在自制牵伸器内行多向热拉伸，拉伸倍数分别为0，0.5，1，1.5，2，2.5，支架拉伸后固定成形，采用张立法检测支架的径向支撑力，扫描电镜观察微型聚乳酸支架两端弯曲处基杆纵截面。

结果与结论：①制备出直径0.5 mm(A组)和1 mm(B组)2种微型聚乳酸支架，基杆直径为0.08-0.1 mm，长度为6 mm；②拉伸工艺可显著提升聚乳酸微型支架的径向支撑性能，拉伸倍数越高支架的径向支撑力越强，在拉伸倍数为2时，支架的径向支撑力达最大值，但随着拉伸倍数的进一步增大，支架径向支撑力又有所下降；③扫描电镜显示，当拉伸倍数为0，0.5时，基杆内部单元结构排列更加紧密、规整，并逐步沿基杆轴向排列；当拉伸倍数为1时，结构单元呈现横向弯曲取向，但出现皱褶不平；当拉伸倍数为1.5，2时，弯曲取向进一步增强，并在新结构排列下恢复紧密和平整；当拉伸倍数为2.5时，结构单元毛糙不平，微结构破裂不均，甚至横向明显断裂；④结果表明，经多向拉伸可成形微型聚乳酸支架，拉伸倍数对支架性能影响很大，提高了支架取向度，拉伸倍数越高径向支撑力越强，具有小血管修复可靠的支撑强度。

ORCID: 0000-0002-3577-0430(韩本松)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 聚乳酸, 微型支架, 多向拉伸, 径向支撑力, 血管支架

Abstract:

BACKGROUND: Polylactic acid is a kind of biodegradable macromolecule material with good properties, which is widely used in cardiovascular stents, and internal fixation nail-plate. By stretching amorphous polylactic acid, chain orientation and crystalline structure can be obtained, and its mechanical properties are improved.

OBJECTIVE: To investigate the feasibility of multi-directional stretching for the preparation of polylactic acid micro-stents.

METHODS: The ring-shaped stent base rod was made by polylactic acid with a molecular weight of 100 kDa. The multi-directional hot stretching was carried out in a self-made drafter. The draw ratio was 0, 0.5, 1, 1.5, 2, and 2.5, respectively. After the stents were stretched and formed, the radical strength was detected by tension method and the longitudinal section of base rod of the stent was observed by scanning electron microscope.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Two micro-frames with diameters of 0.5 mm (group A) and 1 mm (group B) were prepared. The diameter of the base rod was 0.08-0.1 mm, and the length was 6 mm. (2) Stretching process could significantly improve the radial support performance of polylactic acid micro-stent, the radial support force increased with the increase of the draw ratio, which reached the maximum at a draw ratio of 2, then the support force decreased. (3) Scanning electron microscope showed that when the stretching ratio was 0, and 0.5, the internal unit structure of the base rod arranged more tightly and regularly, and gradually arranged along the axial direction of the base rod; when the stretching ratio was 1, the structural unit exhibited a lateral bending orientation, but wrinkles were uneven. When the stretching ratio was 1.5 and 2, the bending orientation was further enhanced, and the compact structure was restored under the new structure arrangement. When the stretching ratio was 2.5, the structural unit was rough and the microstructure was unevenly broken. (4) These results suggest that micro-stent can be formed by multi-directional stretch, and the stretching ratio can obviously affect the stent performance. The orientation of the stent is obviously improved. The higher the stretching ratio, the stronger the radial support force, and the more reliable support strength of small vessel repair.

Key words: polylactic acid, micro-stent, multi-directional stretching, radial support force

中图分类号:

韩本松，薛锋，莫秀梅. 微型支架多向拉伸构建及其支撑力学检测[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(26): 4225-4229.

Han Bensong, Xue Feng, Mo Xiumei . Construction and support force of micro-stent by multi-directional stretching[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(26): 4225-4229.

图/表（结果） 3

2.1 微型聚乳酸支架的制备根据图1所示：将溶剂挥发法制备的聚乳酸基杆环(图中虚线环)放置于拉伸构架上预热，预热温度为50-60 ℃，预热时间为10-20 s；再通过拉伸牵引器及构架系统上、下及向心聚拢性多向拉伸，拉伸温度60-80 ℃，拉伸速度为0.3-0.5 mm/s，纵向拉伸倍数分别为0，1，1.5，2，2.5，其中拉伸2倍时力学性能最佳，拉伸2.5倍时纤维出现断裂白纹或白斑；拉伸成形后放置于牵引器上固定定型，温度为50-70 ℃，时间为30 min。制备成形“M”微型立体三维支架，见图2，支架口径0.5 mm(A组)、1 mm(B组) ，长度6 mm，基杆直径0.08-0.1 mm。

2.2 支架拉伸-支撑力关系根据图3所示，拉伸工艺能显著提升聚乳酸微型支架的径向支撑性能，拉伸倍数越高支架径向支撑力越强，且通过柱形图拉伸节点看出，当拉伸倍数为0.5时，支撑力较前明显增加，并在拉伸2倍时径向支撑力达最大值，A组为5.3 kPa，B组为9.8 kPa，但随着拉伸倍数的进一步增大，支撑力又有所下降，B组支架基杆出现不均匀白斑。

2.3 支架扫描电镜观察结果图4为不同拉伸倍率下聚乳酸微型支架两端弯曲处基杆纵截面扫描电镜图，显示拉伸倍率提升，对应截面的紧密性、平整度及取向度有明显改善和提高，当拉伸倍数为0，0.5时，基杆内部单元结构排列更加紧密、规整，并逐步沿基杆轴向排列；当拉伸倍数为1时，横向拉伸效应显现，结构单元呈现横向弯曲取向，但出现皱褶不平；当拉伸倍数为1.5，2时，弯曲取向进一步增强，并在新结构排列下恢复紧密和平整；当拉伸倍率为2.5时，结构单元毛糙不平，微结构破裂不均，甚至横向明显断裂。

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引言

聚乳酸作为一种绿色热塑性高分子材料，具有较好的降解性与生物相容性，能够有效解决白色污染的问题，因此受到国内外学者的关注。聚乳酸是一种性能良好的可降解高分子材料，被广泛应用于心血管支架、内固定钉-板等。尽管聚乳酸具有诸多优点，但由于其本身存在一些性能和加工上的缺陷，导致聚乳酸产品脆性大、力学性能差，限制了聚乳酸应用领域的拓展，且聚乳酸结晶速率较慢，通常加工成型会影响聚乳酸产品的力学性能^[1-2]。影响聚乳酸力学性能的因素主要是材料本身的化学结构、分子质量及其分布、结晶、取向等，但加工工艺影响分子质量及其分布，同时还能改变材料的结晶及取向，从而影响材料的力学性能^[3-4]。

为了改善聚乳酸的韧性，目前国内外对聚乳酸的改性主要有化学改性、物理改性及制成复合增强材料等几种方法。使用上述方法可改进材料的性能，但成本较高、过程较复杂，另外还会涉及到基体与增强相之间的良好结合问题。聚乳酸材料的自增强技术，可提高现有材料的质量等级、挖掘材料的内在潜力、开发来源广泛的新材料，是国内外近年来的研究热点。自增强的基础是以高分子针状晶体所构成的自纤维，或以针晶为晶轴的串晶微纤维等作为增强相的主体。由于聚乳酸自增强材料的基体与增强相化学结构相同，不存在界面间的结合问题，材料中分子链的高度取向，又使材料具有足够的初始强度，同时使降解时间变慢。开发聚乳酸自增强材料，可拓宽其在生物医学及日常农用中的应用领域；同时通过自增强技术也可提高材料的性能，减少材料的用量，使其得到更广泛的应用。聚合物材料的实际模量和强度远远低于聚合物中C-C、C-H键的强度，这主要是由于聚合物材料内部大分子链的无规排列，使分子链本身的高强度并没有转化为制品的高强度。因为强度实验中材料表现出的强度，绝大部分是由相对要弱得多的分子间力(范德华力、氢键)提供的。同时，由于聚合物是一种黏弹性材料，其模量和强度随时间、温度而变化，且聚合物中都有一定量的自由体积，这些都造成理论强度和实际强度有较大的差异。50多年前，因聚合物研究的卓越成果而获得诺贝尔奖的 Staudinger教授指出，通过有意识地利用大分子链内和大分子间的不同作用力，尽可能地伸展以 C-C键结合的大分子链，造成链的刚直取向，就有可能获得高模量、高强度的聚合物材料。这就给人们增强聚合物材料性能提出了一个方向，即让聚合物材料内部大分子沿应力方向有序排列，在化学键能一定的情况下，材料的宏观强度可得到大幅度提高，同时分子链的有序排列使结晶度提高，进一步提高材料的强度。应用拉伸这种特殊自增强加工成型工艺改变聚合物的聚集态结构，使聚合物性得到增强的内在效应和更高的比强度^[5-7]。对非晶态聚乳酸进行拉伸，可获得链取向和结晶结构，提高聚乳酸的力学性能^[8-10]。小血管修复内支架既要求结构细小、简单，还要求有良好的支撑强度。实验采用多向拉伸成型技术构建微型聚乳酸支架，并检测其径向支撑力。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计观察性实验。

1.2 时间及地点实验于2013年1月至2016年6月在上海市第六人民医院奉贤分院中心实验室完成。

1.3 材料聚乳酸(美国NatureWorks 公司)；氯仿溶液、4%戊二醛溶液、1%锇酸；自制成形模具及自制多向牵伸器；电子拉伸试验机(济南凯锐)；JSM-5500型扫描电子显微镜(日本JEOL公司)。

1.4 实验方法

1.4.1 环形基杆的制备将分子质量100 kD的聚乳酸溶入有机溶剂氯仿中，配置成0.1 g/mL的悬浮溶液。将悬浮溶液浇铸到特制的环线形模具中，置于常温无菌箱中72 h以上，溶液的溶剂挥发塑形后，真空干燥形成0.1-0.2 mm的环形基杆，环形直径5.5-13.5 mm，即可为微型支架制作的基杆。

1.4.2 支架热拉伸成形在自制牵伸器三点位(间隔120°)构架上水平放置聚乳酸环形基杆，从下方用聚拢联动拉钩钩在三点位中点位，基杆预热后向下多向拉伸，支架拉伸后固定成形。

1.4.3 支架径向支撑力检测国际上以径向临界支撑力(强度)作为支撑能力的评定指标，称为径向强度。实验设计了一种基于张力法实现径向力学性能的检测方法^[11]。将一组平行柔软的拉索绕过支架成品一周，将张力转换为作用于医用内支架的径向压力，加载同时测定拉索的位移，测量支架压缩20%的径向支撑强度。其中，L₀为支架长度，D₀为支架直径，作用于拉索上的拉力等于血管壁上的环向张力(F_环)，拉索位移等于支架周长的变形量?Y，通过下式可得到支架直径的变形量?D^[11]:

此检测方法通过电子拉伸试验机上完成。张拉前调节柔性拉索，消除与医用支架成品间的间隙，记录张拉位移计的初计数。实验时以恒定的速率缓慢张拉拉索，测量张力与位移，计算出径向支撑力-径向变形。

1.4.4 支架扫描电镜检测扫描电镜检测微型聚乳酸支架两端弯曲处基杆纵截面。

1.5 主要观察指标微型聚乳酸支架的径向支撑力。

1.6 统计学分析所有数据均以x(_)±s表示，采用SPSS 10.0软件包以单因素方差分析(One-Way ANOVA)对两组样本均数进行比较，P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

支架治疗是医学心血管领域较广泛应用的方法，其中微小血管损伤也是当今高发的损伤疾患，其手术修复难度高，术后血栓形成、痉挛等易导致修复失败，严重影响了血管修复手术的推广应用，但心血管大支架及其制作技术工序繁杂、比强度较差，难以照搬移植到微小血管修复中。支架结构和性能是紧密联系的，支架结构决定支架的性能，同时根据支架性能不断改变支架结构，以获得所需的性能^[12-13]。劳永华等^[14]采用多目标优序方法对支架弧梁单元结构5种生物力学性能进行了分析，得出闭口和平行弧梁单元可为血管内支架提供较大的血管壁支撑动态性能，以保证支架的力学支撑强度，但同时指出血管内支架的结构特征参数具有较大的离散性，难以适应人体内复杂的生物力学环境。聚乳酸纤维拉伸，不但能构建血管支架，还能明显改善支架的力学性能。拉伸工艺是决定纤维力学性能和凝聚态结构的重要因素^[15]。从拉伸条件的作用机制分析，在拉伸过程中，外界作用(形变量、形变速率、温度)赋予了纤维中分子链及其链段足以实现重新排列的运动能力，进而促成了结晶和取向结构的演化。产生的形变促使非晶区分子链及其链段发生取向，进而形成结晶结构，并使结晶之间的取向结构被固定下来，这是形变导致的分子有序化过程^[16-17]。结晶在聚合物中起物理交联作用，结晶度越大物理交联点越多，材料的模量越大^[18]。拉伸时分子链段会被拉直，长丝取向增大，同时拉伸诱导了结晶，长丝结晶度提高，使聚乳酸纤维断裂强度提高^[19]。研究结果显示聚乳酸微型支架经拉伸后，支架径向支撑力明显提高，最高达5.3，9.8 kPa，正常微小血管侧压力5.2-10.4 kPa，完全能满足微小血管修复的力学要求。

拉伸工艺是改善聚乳酸纤维基杆机械性能的重要方法。聚乳酸初生纤维的结晶度和取向度都较低，且纤维内部有内应力，因此纤维的强度低、伸长大、尺寸稳定性差，需通过后处理(拉伸和定型)来改变初生纤维的内部结构，提高聚乳酸纤维的断裂强度，降低聚乳酸纤维的伸长率。在适当拉伸外力作用下，聚乳酸纤维结构单元获得足够的运动能量，使纤维的内应力降低，此时纤维大分子链沿着外力拉伸方向规整排列、取向，且分子排列越规整聚乳酸纤维的取向度就越高^[20]。拉伸诱导取向和结晶度的增大，无定形区减少，纤维伸展能力下降，断裂伸长率下降，因此提高拉伸倍数有利于聚乳酸长丝的力学性能和取向结构的改善^[21]。薄膜的拉伸强度主要受拉伸倍率、拉伸速度、拉伸温度和定型温度的影响，其中拉伸倍率起决定性作用。其他工艺条件相同时，拉伸倍率越大拉伸强度就越大，主要原因在于随着拉伸倍率的增加，聚乳酸分子链的取向程度增加^[22]。研究发现聚乳酸支架基杆拉伸倍率越大，整体支架径向支撑力越强，扫描电镜截面图显示拉伸后，基杆内部结构单元成拉伸方向排列规整，结构紧密，机械强度较未拉伸支架明显提高。

高倍率拉伸能提高力学强度，多向拉伸-取向工艺还能一期成形立体支架，高聚物中的链段、大分子链、微晶、晶片等在拉伸或者剪切的作用下沿外力方向有序排列的现象，称为取向^[23]。拉伸能使分子链间的堆砌越来越紧密，晶体结构不断完善，以至晶体相出现，诱导聚乳酸结晶，使分子链发生取向^[24]。有无取向操作及取向程度、大小、快慢等也对聚乳酸结晶有影响，将聚乳酸制成的铸片进行纵向拉伸后又进行了横向拉伸，发现得到的双向拉伸膜结晶度明显提高，这主要是拉伸改变了聚乳酸的分子链取向^[25]。随着拉伸倍数的增加，纤维被拉伸时能够承受外力分子链数量的增加，大分子链和链段沿纤维轴方向的取向程度增加，纤维取向度增加^[26]。纤维取向度增加是随着拉伸倍数增大致使片晶发生形变取向的结果，也是聚乳酸棒材力学强度得以提高的主要原因^[27]。研究中当拉伸倍数为2时，聚乳酸基杆成形为立体“M”形支架，且具有良好的自扩张强度，在张力法检测中压缩20%未见断裂、变形。

当拉伸倍数在0.5-2范围内时，随着拉伸倍数的增大，拉伸强度、弯曲强度随之增大，因为拉伸诱导结晶，致使拉伸强度、弯曲强度增大^[28]。纤维受到过度拉伸，分子链的活动能量太强，增加了分子链滑动，加剧了丝条的抖动，影响拉伸的稳定性，使长丝易发生脆性断裂，产生毛丝和断头，纤维取向度也因分子链的剧烈活动而降低，最终导致断裂强度和断裂伸长率都有所下降。过大的拉伸倍数会破坏分子的链段联接，产生大量毛丝，导致丝束缠辊，难以顺利拉伸^[29]。在纵向拉伸倍率不变时，增加横向拉伸倍率会使纵向拉伸强度有所降低，而纵向断裂拉伸应变会轻微上升，主要是由于横向的过度取向破坏了纵向的取向结构所致^[30]。研究扫描电镜截面图显示多向拉伸过程中，2倍纵-横向拉伸会引起轻度毛糙不平等结构变化，但完成拉伸-定形后结构恢复平整；当拉伸倍数为2.5时，基杆内结构单元无定形变化，呈现为形态微改变及明显横向断裂。

综合研究结果，多向拉伸使聚乳酸支架基杆结构单元取向排列，结构紧密、平整，显著提高了微型支架强度，其径向支撑力可相当微小血管正常侧压力，同时利用取向-成形机制构建立体微支架，为微小血管成功修复提供了较好的希望。

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