聚乳酸基形状记忆输卵管避孕器的制备与应用安全性分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.12.017

摘要/Abstract

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文题释义：

形状记忆材料：是一类新型的生物材料，具有良好的形状记忆功能，可随着温度的变化发生形状改变，且可随着时间的推移逐渐发生降解，在医疗器械植入体方面具有较好的应用前景。

聚乳酸基形状记忆材料避孕器：聚乳酸是一种安全、可降解的生物材料，可与形状记忆材料复合制备避孕工具。聚乳酸的形状记忆特性实际上是聚合物在低温条件下的应力冻结和高温条件下的弹性应力松弛现象，高分子质量的聚D，L乳酸，大分子呈无规缠绕的无定型状态，其玻璃化温度为55 ℃左右。如果温度达到玻璃化温度以上5-10 ℃的范围内，材料会从玻璃态转变为橡胶态。在外力作用下，材料的伸长导致分子链的空间排布有了方向性，使分子链不得不顺着外力场的方向舒展开来，当变形至所期望的形状时，在保持应力的条件下，将材料冷却，可逆相进入玻璃态，分子链被冻结，材料硬化成稳定的固形体。

背景：在选用输卵管避孕节育器材料时，可以使用形状记忆聚合物材料，这种新型材料可以在外界温度影响下发生一定的形状变化，还具备良好的生物降解性，对人体安全无害。

目的：制备聚乳酸基形状记忆输卵管避孕器，并分析其应用特点。

方法：首先，制备聚乳酸基形状记忆输卵管避孕器。将60只雌性新西兰大白兔随机分为2组，每组30只，实验组在双侧输卵管置入聚乳酸基形状记忆材料避孕器，对照组不置入避孕器。置入后不同时间点进行大体观察、血液及组织学检测。

结果与结论：①大体观察结果：置入后4周，避孕器表面光滑并发生变形，较置入前明显变粗、变短；置入6 周时，避孕器更短更细，部分已见不到避孕器。②血液检测结果：置入后6周，两组白细胞、红细胞、血红蛋白、血小板、肌酐、尿素水平比较差异无显著性意义。③组织学观察结果：置入后4周，实验组输卵管黏膜层存在明显的水肿和充血现象；置入后6周，实验组输卵管黏膜层存在极少量的淋巴细胞浸润现象，黏膜层水肿和充血现象得到显著改善。④结果表明，聚乳酸基形状记忆材料避孕器置入卵管后会发生形变及降解，置入早期会对输卵管壁造成一定的压迫，但未出现细胞毒性，具有良好的应用安全性。

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

ORCID: 0000-0002-0090-4830(宋堃玲)

关键词: 生物材料, 材料相容性, 形状记忆聚合物, 聚乳酸, 聚乳酸基形状记忆材料, 避孕, 输卵管避孕器, 制备, 应用特点

Abstract:

BACKGROUND: Shape-memory polymer materials can be used as intrauterine device materials, which have certain shape changes under the influence of external temperature, and have good biodegradation, and are harmless to human body.
OBJECTIVE: To prepare a poly(D,L-lactide)-based shape-memory intrauterine device and to analyze its application features.
METHODS: Poly(D,L-lactide)-based shape-memory intrauterine device was prepared in this experiment. Sixty female New Zealand rabbits were randomly divided into two groups, with 30 rabbits in each group: experimental group were bilaterally implanted poly(D,L-lactide)-based shape-memory intrauterine device, and control group had no intrauterine device. Gross observation, blood test and histological examination were conducted at different time after implantation.
RESULTS AND CONCLUSION: After 4 weeks of implantation, the intrauterine device was smooth and thickened and shortened compared with before implantation; after 6 weeks of implantation, the device became thinned and further shortened and even disappeared partially. No significant difference was found in the leukocyte, erythrocyte, hemoglobin, platelet, creatinine and urea levels between the two groups at 6 weeks after implantation. In the experimental group, obvious edema and hyperemia in the tubal mucosa were visible at 4 weeks after implantation, and a very small amount of infiltrated lymphocytes were present at 6 weeks after implantation, and edema and hyperemia were improved significantly. These findings indicate that after implantation, the poly(D,L-lactide)-based shape-memory intrauterine device can deform and degrade, and result in a certain pressure on the oviduct wall, but has no cell toxicity and possesses good application security.
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

宋堃玲，王勤. 聚乳酸基形状记忆输卵管避孕器的制备与应用安全性分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(12): 1787-1792.

Song Kun-ling, Wang Qin. Poly(D,L-lactide)-based shape-memory intrauterine device: preparation and application security[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(12): 1787-1792.

图/表（结果） 3

2.1 实验动物数量分析 60只兔均顺利完成整个实验，进行进入最终的结果分析。

2.2 避孕器外观观察结果得到的聚乳酸基形状记忆材料避孕器为细长条状，整体呈透明状。

2.3 实验动物一般情况置入聚乳酸基形状记忆材料避孕器之后，所有动物均在一两小时内恢复正常活动，术后动物进食、饮水情况正常。所有动物伤口均良好的愈合，未出现感染等情况。

2.4 避孕器置入后的大体观察结果置入后1周，输卵管浆膜无明显充血，透过输卵管壁隐约可见避孕器痕迹；置入后4周，取出聚乳酸基形状记忆材料避孕器，取出过程中，避孕器与和动物输卵管黏膜层无粘连，顺利取出，取出之后对避孕器进行适当的清洗，可观察到避孕器表面光滑，并发生变形，较之置入前明显变粗、变短；置入后6周时，避孕器更短更细，部分已见不到绝育器，见图2。

2.5 避孕器置入后6周的血液检测结果两组血液检测各项指标比较差异均无显著性意义(P > 0.05)，见表1。

2.6 避孕器置入后的输卵管组织学观察结果

置入后4周：对照组输卵管存在丰富、排列整齐的黏膜皱襞，输卵管管腔变小，黏膜上皮呈现出高柱状排列状态，并存在丰富的纤毛细胞丰富，肌层和浆膜层未出现炎性细胞浸润，黏膜层可观察到轻微的淋巴细胞浸润现象，见图3A。实验组输卵管黏膜层存在明显的水肿和充血现象，见图3B，表明避孕器植入之后，受到温度的影响发生形变，对动物的输卵管黏膜层产生一定的影响，局部压迫导致出现充血、水肿。

置入后6周：对照组输卵管结构处于正常状态，存在丰富的黏膜皱襞，无炎性细胞浸润现象，见图3C。实验组输卵管黏膜层存在极少量的淋巴细胞浸润现象，黏膜层水肿和充血现象得到显著改善，见图3D。

参考文献

[1] 卢瑶,夏春玲.形状记忆输卵管避孕材料与其他输卵管避孕材料的特点分析[J].中国组织工程研究, 2013,17(47): 8263-8268.

[2] 李永刚.具有形状记忆功能的D, L-聚乳酸基输卵管避孕材料的制备与研究[D].重庆大学,2009.

[3] 张觇宇.形状记忆输卵管避孕器材料的研制及应用基础研究[D].第三军医大学,2008.

[4] 范玉荣,王凤英,唐帅,等.聚乳酸基形状记忆材料对兔输卵管黏膜的影响[J].生殖与避孕,2009,29(1):12-16.

[5] 须建,彭坤,甘哓玲,等.D, L-聚乳酸基形状记忆聚合物的生物安全性和细胞相容性[J].中国组织工程研究, 2013, 17(38):6753-6758.

[6] 刘钊.具有形状记忆功能的D, L-聚乳酸基输卵管避孕材料的研究[D].重庆大学,2010.

[7] 唐帅.具有形状记忆特性的输卵管绝育器的制备及实验研究[D].第三军医大学,2010.

[8] 唐帅,范玉荣,张觇宇等.聚乳酸基形状记忆输卵管节育器对兔输卵管的堵塞效果研究[J].生殖与避孕, 2010,30(4): 235-239.

[9] Steendam R, Hennink WE, Frijlink HW, et al. Effect of molecular weight and glass transition on relaxation and release behaviour of poly(DL-lactic acid) tablets. J Controll Release. 2001;70(1/2):71-82.

[10] 徐萍萍,杨利华,魏桂芝,等.男性避孕纳米粒的制备与体外实验研究[J].第三军医大学学报, 2015,37(4):351-355.

[11] 王芳,毛熙光,郭庆云,等.非生物降解和生物可降解长效缓释避孕系统的应用[J].中国组织工程研究与临床康复, 2009,13(8):1561-1564.

[12] 范玉荣.形状记忆输卵管绝育器的设计及体内生物相容性的实验研究[D].第三军医大学,2009.

[13] Steendeam R, Lerk CF. The role of elastic relaxation in drug delivery from poly(dllactic acid) based tablets. A shape memory phenomenon//The 25th International Symposium on Controlled Release of Bioactive Materials and the First Consumer and Diversified Products Conference,1998:128-129.

[14] 张觇宇,罗彦凤,王远亮,等.形状记忆输卵管避孕材料的急性毒性研究[J].重庆医学,2008,37(17):1943-1944.

[15] 彭坤,罗彦风,甘晓玲,等.女性用避孕节育器进展[J].重庆医学,2009,38(13):1658-1659.

[16] 付正英,郭延玲.可复性镍钛形状记忆合金输卵管微型节育器的研制[J].医疗卫生装备,2012,33(4):31-32.

[17] 郭香云,田慧,殷玲玲,等.MCu功能性宫内节育器避孕效果观察[J].基层医学论坛,2006,10(2):40.

[18] 史凤阳.新型形状记忆合金IUD的临床应用[C].//第二届中国计划生育/生殖健康新产品、新技术博览会暨2003中国计划生育/生殖健康产业论坛论文集,2003:87-89.

[19] 张觇宇,罗彦凤.形状记忆输卵管避孕材料的急性毒性研究[J].重庆医学,2008,37(17):1934-1944.

[20] 朱光明,刘忠让.形状记忆聚合物及其在生物医学工程中的应用[J].生物医学工程学杂志,2005,22(5):1082-1084.

[21] 马艳,石文鹏,赵辰阳,等.聚乳酸基可降解形状记忆聚合物的制备、结构与性能[J].化学学报,2011,69(6):719-724.

[22] Petchsuk A, Klinsukhon W, Sirikittikul D, et al. Parameters affecting transition temperatures of poly(lactic acid-co-polydiols) copolymer-based polyester urethanes and their shape memory behavior. Polym Adv Technol. 2012;23(8):1166-1173.

[23] Radjabian M, Kish MH, Mohammadi N, et al. Structure- property relationship for poly(lactic acid) (PLA) filaments: Physical, thermomechanical and shape memory characterization. J Polym Res.2012; 19(6):9870.

[24] Han DK, Park K, Park KD, et al. In vivo biocompatibility of sulfonated PEO-grafted polyurethanes for polymer heart valve and vascular graft. Artif Organs. 2006;30(12):955-959.

[25] Kannan RY, Salacinski HJ, Odlyha M, et al. The degradatie resistance of polyhedral oligomeric silsesquioxane nanocore integrated polyurethanes: An in vitro study. Biomaterials. 2006;27:1971-1979.

[26] Grad S, Kupcsik L, Goma K, et al. The use of biodegradable polyurethane scaffolds for cartilage tissue engineering potential and limitations. Biomaterials. 2003;24(28):5136-5171.

[27] 李小平,潘德,王玮,等.医用聚氨甲酸乙酯栓堵对兔输卵管影响的初步观察[J].现代妇产科进展,1996,5(2):179-181.

[28] 武元鹏,丁强,李晶,等.基于聚乳酸的可降解形状记忆高分子的研究进展[J].高分子通报,2012,25(10):33-39.

[29] 马殉,朱光明.生物降解性形状记忆聚合物的研究进展[C]. //2009年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集, 2009:295-298.

[30] Shikinami Y, Okuno M. Mechanical evaluation of novel spinal interbody fusion cages made of bioactive, resorbablecomposites. Biomaterials. 2003;24(18): 3161-3170.

[31] 郑晓彤,周绍兵,冯波,等.聚乳酸/羟基磷灰石的形状记忆性能[C].//2006年全国博士生学术论坛-材料科学分论坛论文集,2006:388-390.

[32] 鲁玺丽.可生物降解形状记忆聚L-乳酸及其共聚物的结构与性能[D].哈尔滨工业大学,2006.

[33] Inoue K, Yamashiro M, Iji M, et al. Recyclable Shape-Memory Polymer: Poly(lactic acid) Crosslinked By a Thermoreversible Diels–Alder Reaction. J Appl Polym Sci. 2009;112(2):876-885.

[34] Yamashiro M, Inoue K, Iji M, et al. Recyclable Shape-memory and Mechanical Strength of Poly(lactic acid) Compounds Cross-linked by Thermo-reversible Diels-Alder Reaction. Polym J. 2008;40(7):657-662.

[35] Raja M, Ryu SH, Shanmugharaj AM, et al. Thermal, mechanical and electroactive shape memory properties of polyurethane (PU)/poly (lactic acid) (PLA)/CNT nanocomposites. Eur Polym J. 2013;49(11): 3492-3500.

[36] Ruan C, Wang Y, Zhang M, et al. Design, synthesis and characterization of novel biodegradable shape memory polymers based on poly(D, L-lactic acid) diol, hexamethylene diisocyanate and piperazine. Polym Int. 2012;61(4):524-530.

[37] 马艳,禄琪,范仲勇,等.聚乳酸基可降解形状记忆聚合物的制备、结构与性能[C].//中国化学会第28届学术年会论文集,2012.

[38] 金和,林煜祥,徐立,等.PCL／PLLA共混物的制备及其形状记忆功能研究[J].工程塑料应用,2013,41(4):9-12.

[39] 郑兵.Fe3O4/聚乳酸基聚氨酯纳米复合形状记忆材料的制备及性能研究[D].华东师范大学,2010.

[40] 逮琪.可降解形状记忆材料的制备、结构及性能[D].复旦大学,2009.

引言

材料方法

1.1 设计对比观察动物实验。

1.2 时间及地点实验于2015年3至6月在三亚市人民医院完成。

1.3 材料 L-聚乳酸基形状记忆材料由重庆大学生物工程学院提供。

实验动物：6月龄雌性新西兰大白兔60只，购自上海奉贤辉煌养殖场，实验动物生产许可证SCXK(沪) 2009-0022，体质量 2.0-3.0 kg，健康状况良好。

1.4 实验方法

聚乳酸基形状记忆材料避孕器的制备：根据新西兰兔输卵管解剖形态和测量参数进行输卵管避孕器设计，见图1。

避孕器加工工艺路线为：原料合成→纯化→干燥→注塑成型→修整→检验→加热拉伸→快冷固型→辐照消毒→检验→成品。首先制备聚乳酸基形状记忆聚氨脂，将催化剂辛酸亚锡配成氯仿溶液，将聚乳酸大分子醇、交联剂和催化剂加入装有适量无水 N, N-二甲基甲酰胺的圆底烧瓶中，完全密封。将圆底烧瓶置于精密恒温油浴中，在设定温度下匀速搅拌反应至规定时间。将圆底烧瓶取出，冰浴冷却至4 ℃，加入扩链剂丁二胺，保持冰浴，匀速搅拌反应到规定时间后，终止反应。将制备好的聚乳酸基形状记忆聚氨脂置于输卵管避孕器加工设备中注塑成型，自然冷却至室温状态后起模，获得实验所需输卵管避孕器。对避孕器进行加热，达到50 ℃之后在匀速状态下进行拉伸，至150%停止。自然冷却，至 20 ℃后固定暂时形状。利用无菌纯水进行洗涤，置于封口袋中，环氧乙烷消毒，妥善保存备用^[12]。

体内置入实验：将60只兔随机分为实验组与对照组，每组30只。两组动物均肌肉注射速眠新进行麻醉处理，待达到理想麻醉效果之后将动物置于仰卧状，四肢固定在手术台上。常规腹部备皮、消毒之后，开腹暴露子宫和输卵管，实验组利用眼科镊沿输卵管管腔进行穿刺，通过穿刺孔将避孕器置入输卵管间质部，贯穿避孕器形状，待受到动物体温影响发生形变之后对切口进行缝合；对照组实施相同的操作，但不置入避孕器，仅缝合伤口^[13]。

术后处理：术后利用青霉素液冲洗两组兔腹腔，常规缝合腹壁切口。术后实施相同的抗感染治疗，常规喂养。

1.5 主要观察指标

大体情况观察：置入避孕器后，每日观察动物一般情况和伤口愈合情况。置入后1，4，6周，分别取出实验组动物输卵管内的聚乳酸基形状记忆材料避孕器进行观察。

血液检测：置入后6周，抽取两组兔耳缘静脉血液送检，检测白细胞、红细胞、血红蛋白、血小板、肌酐、尿素水平。

组织学观察：置入4，6周，分别随机处死10只兔，即刻获得输卵管标本，戊二醛固定液固定之后，利用MPBS 漂洗2次，每次10 min。以锇酸固定，2 h后利用丙酮进行梯度脱水。使用环氧树脂进行包埋，切片机进行切片。苏木精-伊红染色之后，置于镜下进行观察。

1.6 统计学分析采用SPSS 16.0统计学软件行组间t检验。

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

讨论

临床避孕过程中可以采用多种方法，通过服用各种避孕药物或者使用一定的避孕工具，可达到节育的目的^[14]。

目前可使用的避孕工具有很多，但各工具均存在一定的不足之处。宫内节育器是一种常用的工具，虽然可以达到有效的避孕效果，但容易导致各种不良反应的出现，导致女性月经周期紊乱和月经量增加等情况^[15-18]。另外，宫内节育器的使用，还容易导致各种盆腔感染的出现。阴道用避孕工具在可靠性方面较差，携带避孕激素的宫内避孕系统容易导致阴道流血现象^[19-22]。因此，积极寻找安全、有效的避孕方式，研究新型的避孕工具至关重要。

输卵管是孕育生命的通道，它既是精子获能和精卵相会的通路，也是精卵结合的洞房，同时它还担负着拾取卵子和输送受精卵的重任。近年来，临床开始积极的以输卵管为靶，进行节育方面的相关研究。输卵管避孕不会对女性内分泌系统产生干扰，对子宫内膜也无异常影响，且不会增加盆腔感染概率，能够达到理想的避孕效果^[23]。在对输卵管避孕工具进行设计时需要选用合适的材料，理想的材料应该具有良好的生物形容性，安全、无毒，不会对局部输卵管造成损伤，避孕效果好。Han等^[24]发现表面涂布磺酸化的氧化乙炔聚氨酯具有良好的生物相容性、稳定性和钙抵抗性，是一种好的生物材料。Kannan等^[25]研制出的环氧乙烷和碳酸酯聚合物 POSS-PCU 能在保持一定硬度的情况下维持一定的弹性，是一种理想的人工血管替代品材料。聚氨甲酸乙酯(MPU)是由聚氨甲酸酯等与催化剂按一定比例混合而成，具有优良的化学稳定性及独特的物理机械性能，硬度介于硬塑料与软橡胶之间，有良好的弹性、韧性和生物形容性。Grad等^[26]经过分析指出，生物可降解聚氨酯多孔支架用于软骨修复的潜力很大。在临床上修复关节软骨，聚氨酯可做为骨膜碎片的替代品。李小平等^[27]用聚氨甲酸乙酯栓堵兔输卵管后，发现其对输卵管影响轻微，有复孕可能。

形状记忆材料是一类新型的生物材料，具有良好的形状记忆功能，可随着温度的变化发生形状改变，且可随着时间的推移逐渐发生降解，在医疗器械植入体方面具有较好的应用前景^[28]。聚乳酸是一种安全、可降解的生物材料，可与形状记忆材料复合制备避孕工具。聚乳酸的形状记忆特性实际上是聚合物在低温条件下的应力冻结和高温条件下的弹性应力松弛现象，高分子质量的聚D, L乳酸，大分子呈无规缠绕的无定型状态，其玻璃化温度为55 ℃左右。如果温度达到玻璃化温度以上5-10 ℃的范围内，材料会从玻璃态转变为橡胶态。在外力作用下，材料的伸长导致分子链的空间排布有了方向性，使分子链不得不顺着外力场的方向舒展开来，当变形至所期望的形状时，在保持应力的条件下，将材料冷却，可逆相进入玻璃态，分子链被冻结，材料硬化成稳定的固形体^[29]。Shikinami等^[30]对由聚乳酸形成的形状记忆材料进行了研究，得到了同时具有形状记忆特性、可生物降解性的聚乳酸。使用聚乳酸形状记忆材料制备的避孕器在置入输卵管之后，可在体温的影响下发生一定的形变，自动恢复到原来的状态，发生卷曲和收缩，固定在输卵管内，并对其产生堵塞，阻挡精子和卵子的结合，达到避孕的效果^[31-34]。此次实验中，将聚乳酸形状记忆材料制备的避孕器置入动物输卵管中，置入后4周在取出的过程中，避孕器与输卵管黏膜层无粘连，顺利取出，取出之后可观察到避孕器表面光滑并发生变形，较之置入前明显变粗、变短，即表明聚乳酸形状记忆材料避孕器具有良好的生物相容性，不会导致局部粘连等情况的出现，且在进入输卵管之后会受到动物体内温度的影响发生形变，变粗、变短，实现对输卵管的有效堵塞^[35-39]。组织学苏木精-伊红染色显示，置入后4周，对照组输卵管存在丰富的、排列整齐的黏膜皱襞，输卵管管腔变小，黏膜上皮呈现出高柱状排列状态，并存在丰富的纤毛细胞丰富，肌层和浆膜层未出现炎性细胞浸润，黏膜层可观察到轻微的淋巴细胞浸润；实验组输卵管黏膜层存在明显的水肿和充血现象。上述结果表明，在聚乳酸形状记忆材料制备的避孕器置入动物输卵管中之后，会受到动物体温的影响发生形变，并对动物的输卵管黏膜层产生一定的影响，局部出现压迫，因此导致一定充血、水肿现象的出现^[40]。而到了置入后6周，对照组输卵管结构处于正常状态，存在丰富的黏膜皱襞，无炎性细胞浸润现象；实验组输卵管黏膜层存在极少量淋巴细胞浸润，黏膜层水肿和充血现象得到显著改善。研究结果还显示，两组置入后6周的血液各项指标无统计学差异。结果表明，随着时间的推移，聚乳酸形状记忆材料制备的避孕器会动物输卵管的不良影响明显减轻，且未出现细胞毒性和血液毒性。而随着时间的推移，置入的避孕器会逐渐发生降解，不产生任何毒性。

综上所述，聚乳酸基形状记忆材料避孕器置入大鼠输卵管之后会发生形变，置入早期会对输卵管管壁造成一定的压迫，但未出现细胞毒性，具有一定的临床应用前景。

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