【作 者】秦靜，康亞紅，沈永，宋馨，駱紅宇，姜洪焱

1 上海微創(chuàng)醫(yī)療器械（集團(tuán)）有限公司，上海市，201203

2 山東省醫(yī)療器械產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心，濟(jì)南市，250000

聚乳酸（PLA）具有優(yōu)良的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和生物降解性，降解中間產(chǎn)物乳酸是體內(nèi)正常糖代謝產(chǎn)物，終產(chǎn)物是二氧化碳和水，對人體無毒害作用，具有良好的生物相容性和安全性[1]，因此是理想的醫(yī)療器械材料；還可通過攜帶藥物防止血管再狹窄發(fā)生[2]，被公認(rèn)為是最有前途的生物醫(yī)用材料，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[3-4]。

聚乳酸醫(yī)用材料的主要供應(yīng)商為荷蘭Corbion公司和德國Evonik公司[5]。國外供應(yīng)的進(jìn)口聚乳酸材料已在臨床中應(yīng)用，經(jīng)過臨床前生物學(xué)檢測和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，已確立生物相容性和臨床安全性。而國內(nèi)無供應(yīng)商能大量提供醫(yī)用聚乳酸材料，國內(nèi)醫(yī)療器械開發(fā)商存在供方單一、采購周期長、價(jià)格昂貴和供應(yīng)不足等潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此為降低PLA供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，需大力推進(jìn)PLA的國產(chǎn)化。

本研究通過聚合法間接合成聚乳酸，將聚乳酸國產(chǎn)化，并依據(jù)《醫(yī)療器械生物學(xué)評價(jià)和審查指南》規(guī)定[6]和GB/T 16886.18—2011[7]要求，對國產(chǎn)和進(jìn)口聚乳酸材料進(jìn)行化學(xué)表征，通過兩者的化學(xué)等同性說明國產(chǎn)PLA的使用安全性，為國產(chǎn)PLA作為合格的植入級醫(yī)療器械材料奠定基礎(chǔ)。

1 材料與測試方法

1.1 材料合成

《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》中對新一代生物醫(yī)用材料的期望是高端醫(yī)療植/介入器械原材料能夠國產(chǎn)化。目前生物可降解冠脈支架用PLA國內(nèi)基本依賴于進(jìn)口，為打破其壟斷，本研究采用圖1方式經(jīng)過乳酸聚合成環(huán)得到丙交酯，而后在催化劑的作用下，將丙交酯開環(huán)高溫聚合[4,8]得到高分子量聚乳酸。為驗(yàn)證其性能，與進(jìn)口（Corbion）PLA對比，依據(jù)YY/T 0661—2017[9]進(jìn)行化學(xué)等同性研究。由于兩供應(yīng)商的PLA均為粒子形態(tài)，本研究采用經(jīng)過相同工藝加工成的片材樣品進(jìn)行測試，相同工藝包括粒子擠出、管材切割、清洗、包裝和滅菌等。

圖1 聚乳酸合成反應(yīng)方程Fig.1 Polylactic acid synthesis reaction equation

1.2 測試方法

1.2.1 聚乳酸的表征

1.2.1.1 結(jié)構(gòu)表征

由于PLA為飽和線性聚酯結(jié)構(gòu)的均聚物，只含有一個(gè)甲基側(cè)基，不存在長鏈側(cè)基和分支，不存在交聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此不測試雙鍵、不飽和度、交聯(lián)度、側(cè)基及共聚物相關(guān)表征分析。按YY/T 0661—2017[9]標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)結(jié)構(gòu)用紅外（FT-IR）和核磁共振光譜（1H-NMR和13C-NMR）來鑒定表征。FT-IR以衰減全反射法（ATR）測定，NMR是以氘帶氯仿為溶劑，四甲基硅烷（TMS）做內(nèi)標(biāo)測定，分別通過觀察光譜的主要吸收峰，來比較表征國產(chǎn)和進(jìn)口PLA的材料特征譜圖是否一致，其他吸收峰表征已知或未知雜質(zhì)，包括殘留溶劑和殘留單體等。

1.2.1.2 分子量表征

分子量是每一種化學(xué)物質(zhì)的重要參數(shù)，PLA作為聚合物其分子量表征尤為重要。按ASTM F 1925—17[10]標(biāo)準(zhǔn)，用烏氏粘度計(jì)測特性粘度和凝膠滲透色譜（GPC）測重均相對分子量和分子量分散系數(shù)（PDI）來表征PLA的分子量特性。

1.2.1.3 物理性能測試

PLA物理性能主要包括光學(xué)特性、熱力學(xué)及結(jié)晶性等。由于光學(xué)活性不同，PLA聚集態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)有差異，會(huì)導(dǎo)致熱穩(wěn)定性不同；而結(jié)晶性能影響PLA力學(xué)性能和降解性能，甚至影響加工特性；因此按ASTM F 1925—17標(biāo)準(zhǔn)和美國藥典USP781，以氯仿為溶劑，用自動(dòng)旋光儀測定比旋光度；按標(biāo)準(zhǔn)YBB 00132003—2015密度測定法，以無水乙醇為浸漬液，用浸漬法測定密度；按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2918—1998[11]中7.1規(guī)定用差示掃描量熱儀（DSC）分別測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg、熔點(diǎn)及熔融熱焓；用X射線衍射儀（XRD）分析晶體結(jié)構(gòu)。

1.2.1.4 物質(zhì)殘留

由于PLA合成中加入單體丙交酯、催化劑、鏈引發(fā)劑和溶劑丙酮，未引入其它物質(zhì)，因此按YY/T 0661—2017標(biāo)準(zhǔn)，采用氣相色譜法（GC）測定丙交酯單體及丙酮?dú)埩袅?，以表征產(chǎn)品的純度；用等離子體發(fā)射光譜儀測定錫殘留量，以確保催化劑量對雙方聚合物影響的一致性；用馬弗爐、電子萬用爐和電子天平測定硫酸鹽灰分，以表征碳化后的殘留物；按美國藥典USP 231重金屬方法2，用馬弗爐測定重金屬殘留量，用等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）和超高壓微波系統(tǒng)測定重金屬組分殘留量，以表征重金屬對聚合物的影響程度。

1.2.2 可瀝濾物的分析

由于PLA合成中含有組分雜質(zhì)等可瀝濾物，如丙酮、丙交酯、乳酸和十二烷醇，它們均可溶于水或正己烷，因此按GB/T 16886.12—2017[12]，用浸提溫度為50oC，浸提時(shí)間為72 h，浸提比例為6 cm2/mL，浸提介質(zhì)為極性純水和非極性正己烷，對可瀝濾物進(jìn)行分析。純水和正己烷為浸提溶劑，頂空條件下，用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）分析揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）含量。純水為浸提溶劑，用ICP-MS分別對PLA浸提液及其用1%的稀硝酸稀釋10倍的稀釋液進(jìn)行全質(zhì)量數(shù)掃描分析重金屬含量。純水和正己烷為浸提溶劑，采用乙腈復(fù)溶進(jìn)樣，用高效液相色譜儀（HPLC）分析可瀝濾物類型。

1.2.3 降解性能

降解是PLA的重要性能，降解產(chǎn)物監(jiān)控和質(zhì)量損失是表征降解等同的重要指標(biāo)。依據(jù)YY/T 0474—2004[13]和GB/T 16886.13—2017標(biāo)準(zhǔn)[14]分析PLA降解和降解產(chǎn)物，測試加速降解特性，分析降解液產(chǎn)物和降解產(chǎn)物類型。擬采取加速降解溫度為70oC，溶劑為磷酸緩沖液，時(shí)間點(diǎn)為0、3 d、1周、4周、8周、12周和16周，得到降解檢驗(yàn)液，將檢驗(yàn)液用1%的稀硝酸稀釋10倍后得到稀釋液。取各時(shí)間點(diǎn)的降解液，過濾分離定容后進(jìn)行GPC、質(zhì)量損失分析，并用FT-IR測定各時(shí)間點(diǎn)的降解樣品，得到光譜主要吸收峰。用ICP-MS對檢驗(yàn)液及其稀釋液進(jìn)行全質(zhì)量數(shù)掃描分析降解液中重金屬含量。用GC-MS分析降解液中VOC的含量。用HPLC分析降解液中主要降解產(chǎn)物類型。

2 測試結(jié)果

2.1 化學(xué)表征結(jié)果

PLA化學(xué)表征測試結(jié)果，如表1所示。

2.2 可瀝濾物測試結(jié)果

國產(chǎn)和進(jìn)口PLA浸提液中VOC種類和含量一致；國產(chǎn)PLA重金屬種類和含量沒有顯著超過進(jìn)口PLA，國產(chǎn)PLA浸提液中無新的重金屬物質(zhì)出現(xiàn)；國產(chǎn)PLA浸提液中無新的可瀝濾物出現(xiàn)，且可瀝濾物含量均不超過進(jìn)口PLA。

2.3 降解性能測試結(jié)果

各降解時(shí)間點(diǎn)分析得到國產(chǎn)和進(jìn)口PLA分子量下降曲線一致，降解后分子量損失率一致，PDI均≤2.5。國產(chǎn)和進(jìn)口PLA質(zhì)量損失曲線一致，說明降解趨勢一致。PLA分子量下降曲線和質(zhì)量損失曲線見圖3。國產(chǎn)和進(jìn)口PLA的各降解時(shí)間點(diǎn)樣品的紅外光譜主要吸收峰一致。

表1 PLA表征測試結(jié)果Tab.1 Test results of PLA chemical characterization

圖2 紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra

圖3 PLA分子量和質(zhì)量丟失曲線Fig.3 Curves of molecular weight decrease and mass loss of PLA

國產(chǎn)和進(jìn)口PLA降解液中VOC、重金屬在類型和含量上均一致；國產(chǎn)PLA降解液中VOC含量、重金屬含量均沒有顯著超過進(jìn)口PLA；國產(chǎn)和進(jìn)口PLA降解液中主要降解產(chǎn)物均為乳酸，其它液相色譜峰位置均一致，國產(chǎn)PLA降解液中無新物質(zhì)出現(xiàn)。

3 討論與分析

從紅外、核磁譜圖峰一致證明了進(jìn)口和國產(chǎn)PLA材料兩者是同系物，并沒有出現(xiàn)新的物質(zhì)；從平均分子量和特性粘數(shù)一致表明平均分子大小等同；從旋光度證明了聚合物內(nèi)結(jié)構(gòu)單元的手性結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變；廣角X-射線譜圖一致以及熱分析結(jié)果說明結(jié)晶度和晶型一致，表明分子堆積、排列方式一致；從重金屬、可揮發(fā)物、可濾物分析可以看出沒有出現(xiàn)新的物質(zhì)，且殘留量很低，符合質(zhì)控要求；因此從高分子科學(xué)的角度可以認(rèn)定國產(chǎn)聚乳酸材料和對照的進(jìn)口材料具有等同性。

支架PLA材料在70 ℃加速降解條件下，無論是質(zhì)量丟失還是重均分子量丟失，降解曲線吻合度都很好，表明降解行為基本一致；降解產(chǎn)物分析中，進(jìn)口材料和國產(chǎn)材料降解液的VOC類型和含量一致，國產(chǎn)材料降解液中未產(chǎn)生新物質(zhì)，符合聚乳酸材料的安全性要求； 兩個(gè)供方材料降解液中主要降解產(chǎn)物為乳酸，其它液相色譜峰位置一致；國產(chǎn)PLA材料降解液中沒有產(chǎn)生新的物質(zhì)，降解液的色譜峰強(qiáng)度與進(jìn)口材料相似，表明國產(chǎn)材料和進(jìn)口材料在降解行為和降解產(chǎn)物方面是一致的。

PLA制造工藝中使用有機(jī)錫類催化劑，而有機(jī)錫化合物對人體有一定的危害性，為確保PLA在人體中使用的安全性，需對錫殘留進(jìn)行監(jiān)測。聚乳酸基外科植入物的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（YY/T 0661—2017[9]、ASTM F1925-17[10]、ASTM F2313-10[15]）規(guī)定外科植入物中錫殘留量應(yīng)低于200 μg/g，ASTM F2579-10[16]中規(guī)定錫殘留量的限量水平為≤150 μg/g。由錫殘留檢測結(jié)果可知，國產(chǎn)PLA錫殘留量均值為7.93 μg/g，雖比進(jìn)口PLA高出2.03 μg/g，但仍處于相同水平，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限量水平，所以國產(chǎn)PLA錫殘留的風(fēng)險(xiǎn)可忽略。

4 結(jié)論

綜合以上分析，國產(chǎn)PLA的各項(xiàng)化學(xué)表征結(jié)果較進(jìn)口PLA均無顯著性差異，充分說明兩者具有化學(xué)等同性特征，證實(shí)國產(chǎn)PLA合成方法的有效性、可靠性和適用性。根據(jù)GB/T 16886.1—2011第4.1部分[17]和《醫(yī)療器械生物學(xué)評價(jià)和審查指南》[6]規(guī)定，在進(jìn)行生物學(xué)試驗(yàn)之前，對材料化學(xué)表征、可瀝濾物等進(jìn)行測試，得到材料化學(xué)表征信息，為醫(yī)療器械材料進(jìn)一步豁免生物學(xué)試驗(yàn)等提供資料性數(shù)據(jù)。因此，本研究預(yù)測國產(chǎn)與進(jìn)口PLA的生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)相同，進(jìn)一步為國產(chǎn)化聚乳酸在植入級醫(yī)療器械上應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。