徐立霞,盧春蘭,李昕躍

(大連大學環(huán)境與化學工程學院,遼寧 大連 116622)

醫(yī)用球囊成型材料和技術的研究進展

徐立霞,盧春蘭,李昕躍

(大連大學環(huán)境與化學工程學院,遼寧 大連 116622)

心腦血管疾病的發(fā)病率不斷攀升,球囊導管作為治療心腦血管疾病的重要醫(yī)療器械,得到了廣泛的應用和迅速的發(fā)展。本文對國內外醫(yī)用球囊的成型技術、球囊成型材料的基本要求、以及球囊材料的組成進行了總結;最后對醫(yī)用球囊在臨床疾病治療中的一些應用以及球囊導管的未來發(fā)展進行了展望。

球囊導管,材料成型,臨床應用

隨著人們生活水平的不斷提高和生活節(jié)奏的加快,心腦血管疾病的發(fā)病率也越來越高。上個世紀八十年代,瑞典醫(yī)生進行的經(jīng)皮冠狀動脈成形術取得成功,標志著介入醫(yī)學的開端[1]。血管介入治療是借助于介入導管通過血管管腔到達體內的病變部位,實現(xiàn)低創(chuàng)治療的一種新興的醫(yī)療技術。在過去的三十年里,由于介入療法的眾多優(yōu)點,使它得到了快速的發(fā)展。介入治療的范圍很廣,幾乎用于全身的各個部分,如顱內神經(jīng)、頸動脈、腎動脈及靜脈等。球囊導管作為腔內介入治療的主要器械之一,是臨床使用最多的一類導管[2]。

1 醫(yī)用導管成型材料的種類及其基本要求[3]

醫(yī)用導管材料多種多樣,一般為熱塑性聚合物,用于醫(yī)用導管的有機高分子材料就不下數(shù)十種,以其不同的性能用在不同用途的產(chǎn)品上。這些材料包括:硅橡膠、聚氨酯 (PU)、聚四氟乙烯 (PTFE)、聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)、聚氯乙烯 (PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、尼龍 (PA)、聚碳酸酯 (PC)等等。醫(yī)用導管的基本要求:(1)具有可使其在高壓釜中用射線或其他方法消毒的熱穩(wěn)定性。(2)具有抗氧化和耐腐蝕的化學穩(wěn)定性,以及與體液接觸不發(fā)生變化的化學惰性。(3)具有組織適應性和血液適應性,具有抗血栓性,不會發(fā)生凝血。(4)不會致癌和導致過敏反應。(5)具有優(yōu)良的力學性能和功能性,并且能夠長期植入體內而不會喪失拉伸強度和彈性模量等物理力學性能。(6)具有優(yōu)良的可加工性。

2 醫(yī)用球囊材料的發(fā)展

一般來講,醫(yī)用球囊都是由高分子材料制成,最初用于醫(yī)用球囊的材料是軟質聚氯乙烯,聚氯乙烯的數(shù)均分子量約為 3.6—9.3萬,聚合度大約在 590—1500。聚氯乙烯不但具有良好的化學穩(wěn)定性,較好的耐有機溶劑的性能和耐化學藥品性,在常溫下對酸,堿及鹽的作用穩(wěn)定,并且具有良好的機械性能、力學性能和電學性能。但是聚氯乙烯的耐光和耐熱的穩(wěn)定性較差,其軟化點為 80℃,玻璃化轉變溫度較高,它的熔點和分解溫度很接近,而且材料的硬度較大,不易加工。用聚氯乙烯做出的球囊與現(xiàn)在的球囊相比,它具有較厚的壁,但是耐壓性能卻很差。近期的研究表明,由聚氯乙烯制成的導管,生物相容性差,并且還發(fā)現(xiàn)單體聚氯乙烯有致癌作用。

隨著高分子材料的發(fā)展,從上世紀八十年代初期開始,研究者開始用交聯(lián)聚乙烯和聚苯二甲酸乙二醇酯 (PET)來制作球囊[4],使球囊的性能得到了很大的改善,在當時,由這兩種材料制作的球囊?guī)缀跽嫉剿a(chǎn)球囊的 90%以上。聚乙烯是鏈狀的非極性分子,具有良好的化學穩(wěn)定性,在常溫下對酸、堿和鹽都很穩(wěn)定。具有高絕緣性和很好的耐腐蝕性,生物相容性也很好,植入體內無不良反應。聚苯二甲酸乙二醇酯是分子間中含有芳環(huán)的一種聚酯,并且是一種線性聚酯,由于這種材料具有良好的剛性和抗蠕變性、較高的尺寸穩(wěn)定性以及較低的吸濕率,因此發(fā)展非常迅速。PET的黏度越大,它的結晶度越低,可加工性就越好[5]。它制作的球囊的耐壓性很好,爆破壓可達 27 atm,交聯(lián)聚乙烯制作的球囊雖然不如 PET制作的球囊的耐壓性好,但是交聯(lián)聚乙烯制作的球囊形狀保持極佳。這兩種材料制作的球囊雖然部分解決了耐壓力和形狀保持力的問題,但是它們制作的球囊硬度很大,實際應用時仍然是不盡如人意。

隨著科研人員的不斷探索和研究,在上世紀八十年代末九十年代初,尼龍和熱塑性聚氨酯材料逐漸用于球囊。熱塑性聚氨酯是一種線性聚合物,它的結構中包括硬段和彈性軟段,具有在彈性網(wǎng)絡中起到交聯(lián)鍵作用的高玻璃化溫度的硬段和網(wǎng)絡中彈性分支的低玻璃化轉變溫度的柔軟段,具有良好的加工性,并且生物相容性和耐磨性都很好。但不能進行蒸汽消毒,因為它的耐水解性很差。尼龍具有很高的機械強度,韌性好,有較高的抗拉,抗壓強度;耐疲勞性能突出,表面光滑,摩擦系數(shù)小;耐腐蝕,有很好的抗老化能力,但是吸水性大,耐光性差。由尼龍制作的球囊在國內已經(jīng)生產(chǎn)并且占很大的份額。

新的球囊材料多是一些共聚和共混物[6],它們是有一些剛性鏈段和柔性鏈段共聚,或者是一些可以相容的聚合物簡單相混,以使他們的性質更加優(yōu)良。聚四氟乙烯以及尼龍和聚氨酯或其他材料的合金是生產(chǎn)高級介入導管的首選材料。雖然這些材料的性能優(yōu)良,并且附加值很高,但是它們的加工難度很大。隨著科學技術的不斷發(fā)展,會有越來越多的性能優(yōu)異的高分子材料用于球囊的制作,為醫(yī)學的發(fā)展奠定很好的基礎。

3 國內外研究進展

LIX IAO WANG等人在一項美國專利的說明書中,首先介紹了一般的球囊成型方法[7],然后介紹了對這種成型方法的改進措施,它是將模具放在加熱好的導熱介質中,將熱塑性材料制成的管坯放在模具中,在吹脹球囊的同時拉伸管坯,進而形成球囊。MurthyV.Simhambhatla.等[8]介紹了另外一種稱為 overthe-wire的制作過程:首先將擠出的管坯以一個連續(xù)或半連續(xù)的過程被擴張從而形成一個擴張管;然后,這個擴張管在球囊模腔中進一步被擴張成球囊。奧勃斯醫(yī)學技術股份有限公司的M·H·賈拉卡尼研制出了一種特別適合經(jīng)皮冠狀動脈腔內成形術的球囊導管[9]。這種球囊導管主要包括一個導管體和一個延伸于遠端的可擴張球囊。它的近端體部是一個較硬的管狀體,一個較為柔軟的遠端體部,并且其中有一個柔軟的元件與近端體部和遠端體部相連并且延伸進入遠端體部。王兆華、杜慧等設計出了顯影球囊擴張器[10],它是將導管的一端封住,然后在導管上套上內外兩個球囊,并將兩頭扎緊密封,在兩個球囊之間放入顯影劑溶液,還有與之配套的充氣氣囊和壓力表。當這種球囊導管到達病變部位,給球囊充氣,內外球囊都擴張,顯影劑均勻的分散于兩個球囊之間,在 X光下可以清晰顯影,這樣醫(yī)生就可以直接看到狹窄部位的擴張情況。它適用于食道狹窄、大血管狹窄、心臟瓣膜狹窄部位的擴張。馬瑞坤提出了一種制作擴張球囊的方法,主要用于醫(yī)用聚乙烯球囊導管的制作[11]。用鈷源γ射線照射聚乙烯使其交聯(lián),然后把管子放在模具內,邊加熱邊充氣,在合適的溫度與壓力下,吹脹管子的同時進行拉伸,然后冷卻定型。用這種方法制作的球囊具有很優(yōu)良的性能,具有高強度和非膨脹性的特點,能用于治療肺動脈瓣狹窄以及其它瓣膜和血管狹窄性疾病。

雖然國內的一些專利上也有可以看到球囊的制作方法,但是由于起步較晚,與國外相比還有一定的差距。醫(yī)用的球囊導管,不管是生產(chǎn)環(huán)境還是生產(chǎn)材料都要求很高,生產(chǎn)技術也有一定的要求,生產(chǎn)難度較大[12]。由于受生產(chǎn)設備和配套工藝技術的制約,我國所使用的球囊還有很大一部分依賴進口。

4 醫(yī)用球囊的應用

球囊導管廣泛用于血管疾病的治療,較為常見的就是用于治療動脈狹窄。通過使用末端帶有擴張球囊的導管,醫(yī)生通過熒光透視,指引球囊導管進入血管,在血管病變處定位,然后通過加壓液體使球囊擴張,以達到治療的目的。利用球囊導管治療血管狹窄的優(yōu)點是:創(chuàng)傷小,操作簡便,并發(fā)癥少,利用內科介入的方法替代了外科手術,減少了病人的痛苦。

醫(yī)用球囊的最大的應用領域為經(jīng)皮穿刺冠脈成形術 (PTCA)。近年來,藥物支架的發(fā)明給醫(yī)用球囊?guī)砹烁蟮陌l(fā)展空間。以前球囊導管的主要用途是治療血管狹窄、擴張血管和塑形,現(xiàn)在的主要用途是支架的輸送、擴張,還用于支架置入前的預擴張和置入后的精確定形。在冠脈、顱內神經(jīng)、腎動脈、股動脈、膽道和胃腸系統(tǒng)都得到了廣泛的應用。醫(yī)用球囊在骨科中也得到了應用[13],對于骨質疏松椎體壓縮性骨折的病人,通常的治療方法只能是保守治療,非常痛苦且治療效果不好。但是利用醫(yī)用球囊,不但效果好而且最大限度的減小了病人的痛苦,也提高了治療的效果。一般是經(jīng)皮及椎弓根先將可膨脹性骨球囊置入椎體,球囊膨脹擴張,骨折椎體復位,在骨折椎體內制造一個安全有效空間,放氣后退出球囊并低壓下注入骨水泥。

隨著高分子材料和醫(yī)用球囊制作技術的進一步提高,使得醫(yī)用球囊的應用越來越廣泛。醫(yī)用球囊一些新的應用是用于激光導管及光活化治療[14]和藥物輸送導管[10]等。用于激光導管及光活化治療的球囊材料都是由透明的,使用對光低吸收性的材料來制作。在球囊的內部安裝上激光器,在球囊的錐部和管段涂上一層不能透光的物質,只有在工作段可以透過激光。使用時,球囊導管在病變部位定位后,先擴張球囊,然后把激光激活來治療病變部位。這種方法能有效的控制治療區(qū)域,并且對未病變部位不會有影響。醫(yī)用球囊在應用于藥物輸送導管中,主要是針對那些昂貴的且副作用很大的藥物。藥物輸送導管和普通球囊導管的不同點就是:藥物輸送導管的球囊表面有很多微孔,并且微孔是有一定嚴格要求的,當球囊在病變部位擴張以后,微孔的大小恰好能使藥物通過,對局部病變部位進行藥物治療,當球囊泄壓以后,藥物可以重新回到球囊,這不僅減少了用藥量,還避免了對正常機體的傷害。

展望:

隨著對高分子材料的不斷探索和球囊制作技術的不斷提高,醫(yī)用球囊的應用將會得到更大的發(fā)展。未來的醫(yī)用球囊導管應用的發(fā)展重點將集中在腫瘤的介入治療、心臟介入技術、神經(jīng)介入技術、非血管內介入技術、門脈高壓癥血管內介入治療、非腫瘤性病變及周圍血管病變的血管內介入治療技術、急診出血的動脈內栓塞治療細胞、分子 (基因)水平的介入治療等。

醫(yī)用球囊的發(fā)展方向是性能更加優(yōu)良和精細化。性能優(yōu)良是指管壁越來越薄,耐壓越來越好,并且柔軟度好,這些都有利于球囊的推送和擴張。但是這三個方面又是相互制約的,在未來的研究中希望能夠找到三者的平衡點。由于各個領域使用的球囊用途不同,要求也不同,所以球囊的制作將會更加精細化和專門化。

[1]陳星榮.選擇性血管造影[M].上海:上海科學技術出版社,1990:1-38.

[2]錢火紅,徐琴,邱群等.中心靜脈導管置換術的臨床應用[J].中華護理雜志,2004,39:143-144.

[3]白木,周杰.塑料在醫(yī)療衛(wèi)生領域的應用[J].工程塑料應用,2003,31:47-49.

[4]Mark A.Saab.Applications of high-polymerBalloons in the Medical Device Industry[J].Device&Diagnostic Industry.2000.

[5]陳俊,陳劍玲等.PET結晶行為研究進展 [J].高分子通報,2005,1:20-24.

[6]楊海,石秀鳳.2007年第一屆全國介入醫(yī)學工程學術會議論文匯編[C].2007:97-103.

[7]L. Wang, P. Miller,D. Horn et.al, PROCESS IMPROVEMENTS FOR PREPAR ING CATHETER BALLLONS[P].Google Patents,1998.

[8]M Simhambhatla,Method of making a catheter balloon[P].Google Patents,2001.

[9]M H賈拉卡尼.球囊導管[P].中國專利:03815912.0,2005-09-07.

[10]王兆華,杜慧.顯影球囊擴張器 [P].中國專利:94235559.8,1995-09-27.

[11]馬瑞伸.醫(yī)用聚乙烯擴張球囊的制作[P].中國專利:89107579.8,1990-03-28.

[12]郭麗華,王婉,王斌修.醫(yī)用介入導管的擴口模具設計[J].塑料,2005,34(4):72-74.

[13]楊惠林.球囊擴張椎體后凸成形術治療骨質疏松性椎體壓縮骨折[J].蘇州大學學報:醫(yī)學版,2002,22(4):406-409.

[14]James J. Glazier,MD,Alice J et al. Laser balloon angioplasty combined with localintracoronary heparin therapy: Immediate and short-term follow-up results[J].American Heart Journal,1997,134.

The Research Progress of theM edical Balloon Materials and Form ing Techn iques

XU Li-xia,LU Chun-lan,L IXin-yue

(College of Environmental and Chemical Engineering,Dalian University,Dalian116622,China)

In recent years,there has been growing incidence of cardiovascular and cerebrovascular disease,As an importantmedical equipment for the treatment of cardiovascular and cerebrovascular disease,the balloon catheter have found wide applications and rapid development. In this paper,the research progress of the medical balloon for ming technique,the basic requirements of balloon materials and the selection of balloon materials are summarized respectively.In the final section,some applications of the medical balloon in the clinical disease treatment and the future developent of balloon catheters are forecasted.

balloon catheter;Material Processing;clinical application

O175.29 < class="emphasis_bold">文獻標識碼:A文章編號:

1008-2395(2010)06-0081-03

2010-11-07