聚酯纺织品在人工器官配件中的应用

聚酯纺织品在人工器官配件中的应用摘要: 介绍了PET 在人造器官配件中的应用,详细介绍了医用聚酯纺织品采用的织造方法及其特点,对人工器官配件用聚酯纺织品的发展方向和策略进行了展望.关键词: 聚酯; 人工器官; 织造方法; 用纺织品生物医用材料作为一个高新技术领域的高附加值产品,已经成为发达国家重点发展的对象. 大量新型医用材料用于制作人造血管、人造心脏瓣膜、人工肾等,目前除了大脑以外,几乎所有的人体器官都可以用人造器官替代,因此,医用纺织品产业处于迅猛发展的时期. 据美国对1980～2000 年20 年间的一项调查表明:医疗纺织品正以11 %的年增长率快速发展; 1993 ～2001 年间,我国医疗用纺织品总的增长率为25 % ,预计到2010 年需求量将达到34 万t ,因此医用纺织品存在巨大的发展潜力,市场前景光明[ 1 - 2 ].众多生物医用材料中,随着人们对PET (聚对苯二甲酸乙二酯) 的认识不断深入,其在生物材料中占有越来越重要的地位. PET 作为一种惰性材料,可以应用传统的杀菌技术对其进行杀菌而不改变其本体性质;其次PET 具有良好的机械性能,低吸水性,对人体的体液具有高抗渗透性,具有良好的应用前景[ 3 ]. PET 在医用纺织品中的应用面很广,本文以人造器官为主,介绍PET 在医疗中的一些应用,并结合纺织品的特点介绍医用聚酯纺织品采用的织造方法及其特点.1 聚酯纺织品在人工器官配件中的应用111人工血管自1952 年世界上开始用高分子材料做人造血管进行动物试验以来,人造血管作为广泛用于临床的材料在医疗中起着重要的作用. 过去30 多年间,人造血管已成功地植入很多人体中,美国生产人造血管的工厂有新泽西州的Meadox 医药公司、佛罗里达州的Corvita 公司和马萨诸塞州的C. R. Bard 公司等[ 4 ].在国内,上海市胸科医院从1958 年开始与上海市纺织科学研究院、苏州织带厂和江苏纺织工业厅丝绸研究所等单位协作,以聚酯为基材,试制了多种不同口径和类型的人造血管;第二军医大学长海医院与东华大学纺织工程系采用机织方法合作研制腔内隔绝用人造血管,已得到013～216 cm 不同口径聚酯纤维人造血管,临床应用效果较好[ 5 ].人造血管替代人体血管作为输送血液的通道,必须具有良好的生物相容性及一定的机械性能. 生物相容性方面,要求其不引起异常的免疫、排异和过敏反应,对细胞的生长无不良影响,没有致畸、致变作用;机械性能方面,要求其具有较高的缝接强度,一定的弹性,其变形能力应和所替代的器官或组织相一致,具有长期使用的稳定性,无明显的生物降解现象,具有合理的孔隙度[ 6 ].惰性柔韧的PET 纤维制成的人工血管能较好满足上述各项要求,在人工血管中获得了广泛使用,但目前PET 材料人工血管常限于6 mm 以上直径;为了制作小口径人工血管,各国研究者开展了深入地研究,如日本科学家用甲基丙烯酸乙基磷酸胆碱酯( M PC) 对嵌段聚氨酯表面进行改性后将改性聚氨酯包附在直径为2 mm 的涤纶血管内壁,90 min 未发现凝血[ 7 ].112 人工心脏瓣膜[8 ]人工心脏瓣膜用于替换病变的心脏瓣膜保证心房与心室间的血液输送和人体的血液循环,其核心技术是先进的材料和瓣膜结构,它可以实现高度的抗凝血性能. 人工心脏瓣膜一般包括瓣膜、瓣环和缝合环.目前世界上用量最大的生物瓣是由美国Baxter Healt hcare 公司Edwards CV S 部生产的Carpentier2Edwards 猪主动瓣,其瓣架采用弹性合金钢丝,包以PET 织物以使瓣膜同周围组织缝合,也可使组织在瓣架上生长.人工心脏瓣膜缝合环作为人工心脏瓣膜的主要部分具有重要的作用. PET 作为人工心脏瓣膜缝合环也已经广泛应用于临床之中,如世界上最成功的双叶瓣———St . J ude Medical 双叶瓣即由全热解碳制成,采用PET 为缝合环.113膜间隔缺损封堵器膜间隔缺损封堵器用于动脉导管未闭合房、室间隔膜缺损的介入疗法,通过股静脉插管将封堵器送入病变部位,将未闭的动脉导管或缺损的房、室间隔封闭,以达到治愈某些先天性心脏病的效果.聚酯纤维是封堵器中使用封堵隔膜材料最普遍的一种原材料,上世纪90 年代末美国的A GA 公司发明的Amplatzer 封堵器,用有记忆性的镍钛合金材料密集编织而成,网内有3 层聚酯纤维片. 聚酯纤维片能有效阻挡血液通过封堵器,封堵器释放后短时间内可有微量血液通过聚酯纤维片的孔隙,随着时间延长,纤维蛋白和血小板粘附在聚酯纤维片上,聚酯纤维片的孔隙被封闭,分流逐渐减少直至完全消失[ 9 - 10 ].2003 年, Thrill 发明的封堵器中,采用22 dtex 的聚酯长丝针织物作为封堵隔膜材料,比普通的平针织物体积小将近50 % ,适用于更小的传送导管[ 11 ].114人造气管气管因肿瘤、外伤、炎症及先天性疾病等需做环形切除及气道重建时,由于气管解剖学上的特点,如果切除长度超过直接吻合限度50 mm ,则需用代用品———人造气管来重建气管,以保证气道的连续性和通畅.著名气管外科专家Neville 教授指出,理想的气管替代物应该具备如下特征:管腔密封不漏气;易弯曲成形,但不致塌陷;良好的组织相容性,能与宿主组织紧密结合;炎症反应最小,无致癌性;内壁光滑,防止成纤维细胞和细菌的侵入;有利于气管粘膜上皮的生长[ 4 ].自20 世纪50 年代起,人们先后使用玻璃管、塑胶管、硅胶管及陶瓷材料等作为气管的代用品,但这类代用品无孔隙,腔内无上皮再生,不能直接缝合,易脱落引起窒息;不锈钢网管、钽丝网、Marlex 网(聚丙烯为原料,不可被人体吸收) 作为代用气管,虽有利于纤维组织长入,固定作用好,但易发生管内狭窄、内膜生长不全及渗漏、感染等并发症[ 4 ].为此,国内外的专家们进行了多种材料和结构的网状器官的尝试,如用聚酯织物制成网状假体并以聚脲醚热固定,将聚酯2聚氨酯网制成人工气管或单纯用聚酯纤维制成网状人工气管;东华大学已初步研制出采用针织结构编织管道骨架的生物复合材料人工气管,并在动物实验中获得基本成功[ 12 ].115人造韧带人造韧带指为修复伤残韧带而制作的代用假体. 人造韧带为条带状,两端多有环,以利于用皮质骨螺钉固定在骨体上,随人体组织长入条带结构的纤维间而与人体结合为一体,进而可以充分发挥韧带的功能. 生物聚酯人工韧带具有良好的生物性能和力学性能,优异的柔韧性和强度,复位固定确实,可使骨折断端及肩锁关节完全复位,诱发新韧带的形成,增强和巩固远期疗效[ 4 ,13 ].116人造皮肤传统的人工皮肤由合成纤维制成,一般由基底层和织物层结合而成,如织物层由PET 纤维组成,将纤维制成具有特殊的丝绒状或毛絮状表面,以使人体组织可以长入并固定[ 2 ].2 人工器官配件用聚酯纺织品的织造方法211机织[14 - 15 ]机织物是以经纬两系统的纱线在织机上按一定的规律相互交织而成的织物,其布面呈经向和纬向之分,结构紧密.通过调整机织物组织、经纬纱密度和收缩率的变化,可以得到无孔隙或微孔隙的结构,如能适应人体伸缩性的孔径均匀的蛇腹状织物;加工直径8 mm 以上的人造血管,空隙度低于经编血管,但较硬挺,拉伸变形能力差,常用于心脏周围高压区域.机织的隔膜材料空隙小,能减少血液从缝隙处渗漏,但同时也会妨碍组织生长,且机织物的厚度较大.在人造韧带、人工气管中,机织可作为其织造方法之一但并非最佳选择.212针织[11 ,14 - 15 ]在人工器官的生产中常用的织造结构为经编. 经编针织物是利用经编的方法,将纱线加工形成线圈,再把线圈相互串套而成的织物,质地松软,与机织物相比具有较大的延伸性、弹性,相对高的空隙度. 经编针织结构人造血管外观比较粗糙,表面有规律性的凹凸圈状结构,管壁比机织物略厚,具有弹性、手感柔软、不脱散性,结构稳定、缝制时扭曲现象少、管壁孔眼小、失血现象少、手术成功率高等特点. 特别是对于分叉人造血管,其分叉接头处可以利用多把梳栉轮流编织,使其既牢固又光滑,也能提高致密度,减少漏血量. 经编针织物适于加工成直径10 mm 以上的人造血,通常在编织中将其内外表面拉绒来填满孔隙以避免移植时可能会引起血液渗出.人造韧带需经受疲劳、磨损和骨质切割,对生物机械性要求较高,包括生理递增应力应变特性、低蠕变性、高剪切强度等;由于经编织物的应力应变性能和人的韧带相似,是人造韧带最合适的织造结构.针织的隔膜材料具有多孔结构,使得它与新组织能相容,但也可能导致血液从间隙中渗透出来,产生残余分流;针织物具有抗脱散性能差、自我支持结构不良、易塌陷、纵向和径向的顺应性差等缺点,随着非织造布的兴起,国内外开始使用聚酯非织造布作为新型封堵器内的隔膜材料.在用于人造心脏瓣膜及缝合环中时,经编为其适宜的织造方式.213非织造非织造布可得到毛绒外观,有利于白蛋白附着,能促进假内膜生成,近年来其应用非常受人重视.在人造血管中,内皮细胞在内壁的生长可能会影响到血液的正常流动,且由于阻力增大血流受到限制,因此,对于内径小于6 mm 的人造窄腔血管,其内壁必须设计成微结构表面,使内皮细胞在表皮上依附. 非织造织物的组织符合这一要求[ 5 ].对于人工韧带而言,非织造布因强度不足,不宜采用.近年来,新研制成的封堵器开始采用非织造方法. 与相同面密度的梭织物或针织物相比,非织造材料的密度大且厚度薄,有利于减少封堵器的收缩体积和提高隔膜缺损处血液封堵的现象[ 11 ].214复合结构随着拉舍尔经编技术的发展,人们开始生产具有一定强度和伸长特性的三维结构织物.在人造血管中,这种复杂织造结构的研究更为显著和深入.德国亚琛莱因・威斯特法伦高等技术学校( RW TH Aachen) 所属的纺织技术研究所( I TA) 利用德国卡尔・迈耶公司生产的专用拉舍尔经编机,采用不同材料和不同粗细的纱线,生产出经编分枝管状织物;采用不同针距( E18 或E30) 的设备和不同粗细的纱线,得到了不同外观结构和厚度的织物;使用特殊的材料组合加工得到天鹅绒表面. 双梳栉拉舍尔机可根据所需产品的要求进行调整,生产可调节延伸率和多孔性的经编织物[ 16 ].美国新泽西州奥克兰的医疗研究所研制了3 层结构的人造血管,即将几个二维的编织层粘在一起或缝在一起. 3 层组织若由3 种材料组成,可在组织的内外表面实现所需的不同结构和功能特性. 人造血管内壁孔洞相对较小而外壁孔洞相对较大;内壁光滑且有较低的孔隙率,可阻止血液渗透,减少血栓和血凝块的形成;外壁的孔隙增进联结组织的生长,性能远远优于传统的单层编织组织[ 6 ].Cardial 公司采用环形编织和针织两种互补技术制造织物衬底:利用针织提高植入物的立体稳定性“丝绒”, 编织方法减少针织量,有助于更好地合成植入纺织品,使其有一定的柔韧度,使缝合更为方便. 就其作用而言,编织能防止针织过程中出现的一些缺陷,如织物边缘磨散、交接等. 应用于外科植入物的编织技术使衬底不易脱散,稳定性提高,遏制了血管扩张[ 17 ].医用聚酯纺织品作为人工器官配件,为成千上万的病人解除了痛苦,但目前依然存在人体器官配件与人体组织结合的牢固性、适应性和血液相容性不够理想等缺点;其进一步发展方向应为加强生物技术,结合材料自身的生物功能化、织造结构及织物机械性能等因素开发理想的人工器官配件.311聚酯的纳米改性纳米技术的应用为功能纤维的制备开辟了新途径. 目前的研究热点之一是在对聚酯纤维进行物理化学改性的同时,将纳米功能微粒(如ZnO 、TiO2) 与PET 的共混物或共聚物进行常规纺丝或复合纺丝,得到具有生物相容性和血液相容性的纳米功能纤维[ 18 ].笔者所在课题组以聚乙二醇为分散剂原位聚合含纳米ZnO 粉体的聚酯,结果表明纳米ZnO 改性聚酯薄膜的抗凝血性能优于纯聚酯薄膜,并率先提出了纳米微粒阻断Ca+ +的改性机理[ 19 ].312聚酯的等离子体表面改性表面改性是提高高分子生物材料生物相容性和血液相容性的一个重要途径. 表面改性的方法很多,其中等离子体技术凭借其改性效果显著、对材料本体无损害、装置简单等特点成为医用生物材料较为理想的表面处理技术,成为改善聚酯血液相容性的研究热点,并已取得了一定的成效. Piglowski 通过氩气和CF4等离子体处理PET 表面后,体外和动物体内的实验表明材料的血液相容性提高了[ 3 ] ;Bhuvanesh Gupta 等人通过等离子体辉光放电的方法在PET 表面引入官能团并接枝丙烯酸进而固定蛋白质,并研究其表面平滑肌细胞的粘附和生长[ 20 ];Thomas Chandy 通过等离子体放电在PET 表面形成活性基团,然后接枝上胶原蛋白,再将具有生物活性的分子如肝素、碳二亚胺等固定在PET 表面形成具有一定生理活性的表面[ 21 ];PA Ramires 通过氧气、氨气或它们的混合气体等离子体处理PET 表面后,种植内皮细胞,处理后的PET 材料并没有任何毒性反应,并且提高了生物相容性、血液相容性[ 22 ].笔者所在课题组以聚酯纺织品为基材,通过等离子体技术和紫外照射接枝相结合,或等离子体技术和B PO 化学引发接枝相结合在其表面接枝丙烯酸和聚乙二醇,实验结果表明改性聚酯材料的血液相容性有了明显改善.313医用聚酯纺织品的织物结构设计生产织物人造器官配件的公司和研究者基本都将研究的重点放在聚酯的生物功能化方面,却忽略了纺织品的生物相容性及生物力学性能与其织造结构的相关性. 研究表明:纤维直径和截面轮廓不同,织造方法和组织结构不同,织物后整理工艺不同,纺织品的生物相容性和生物力学性能也会大不相同[ 23 - 24 ].如笔者所在课题组的实验结果表明:机织物三原组织及针织物基本组织对聚酯纺织品血液相容性的影响不同[ 25 - 26 ].随着研究的深入,将来的人造器官将不再是简单的惰性人造器官织物,而会将织物的织造结构、织物的机械性能和具有生物分子的化学衬底结合起来,通过人造器官配件与病人身体局部的相互作用,使得植入物具有生物功能性.目前,针对梭织、针织以及非织造布的聚酯纺织品的特点研究人员进行了广泛的探讨,同时许多公司如前所述推出了多样的复合结构,以期使得医用聚酯纺织品具有理想的生物相容性和机械性能.4 结束语医用聚酯纺织品科技含量高,涉及学科广,是纺织技术与高分子材料学、临床医学、检验分析学和其它现代科学的相互融合及渗透,具有广泛的应用前景和发展潜力. 纵观国内外医用纺织品的发展,尽管国内在医用材料的研发和投入方面都得到了长足的发展,但国内生产的医用纺织品中低附加值的产品占绝大多数,对于人工器官这样的高端医用纺织品市场,国外品牌占绝对优势. 为了提升我国医用纺织品的研发技术水平,需要医生、生物医学专家,纺织工程专家及从事材料研发的专家们进行密切合作、精诚合作.参考文献[ 1 ] 刘永建. 医用纺织品[J ] . 产业用纺织品,1994 ,12 (6) :33 - 38 .[ 2 ] 王春红,徐先林. 高性能医疗用纺织品的应用与发展[J ] . 纺织导报,2005 ,23(9) :40 - 44 .[ 3 ] PI GLOWSKI J , GANCARZA I , STAN ISZWSKA K J , et al. Influence of plasma modification on biological properties ofpolyet hylene terep ht halate[J ] . Biomaterials , 1994 ;15 (11) :909 - 915 .[ 4 ] 张艳明,邱冠雄. 医疗纺织品在人体内的应用[J ] . 产业用纺织品,2004 ,22 (6) :9 - 13 .[ 5 ] 吴长福,王文祖. 人造血管的发展与应用[J ] . 产业用纺织品,2003 ,21 (8) :4 - 7 .[ 6 ] 吴湘济. 人造血管的研制[J ] . 合成纤维,2004 (增刊) :39 - 41.[ 7 ] 张丽,王庆珠,吕宏亮. 高性能医用纺织品的新发展[J ] . 现代纺织技术,2005 ,14 (5) :51 - 53 .[ 8 ] 徐志云. 人工心脏瓣膜的进展[J ] . 继续医学教育,2006 ,20 (10) :63 - 65 .[ 9 ] 李波. 膜间隔缺损封堵器中纺织隔膜材料的发展[J ] . 产业用纺织品,2006 ,24 (6) :8 - 11 .[ 10 ] PAUL KAS. Pereutaneous cat heter directed const ricting occlusion device[ P ] . USP :5944738 A , 1999 .[ 11 ] THILL G A ,V ADNAISH M N. Septal defect occluder[ P ] . USP : 655 134 B2 ,2003 .[ 12 ] 徐艳,张佩华,王文祖. 纺织结构生物复合材料人工气管的开发[J ] . 产业用纺织品,2004 ,22 (4) :11 - 13 .[ 13 ] 赫明堂,宋树钧. 生物聚酯人工韧带重建喙锁韧带术[J ] . 骨与关节损伤杂志,2001 , 16 (5) :384 - 385 .[ 14 ] S. 阿达纳. 威灵顿产业用纺织品手册[ M ] . 北京:中国纺织出版社,2000 .[ 15 ] O GL E BM. Manipulation of remodeling pat hways to enhance t he mechonical properties of a tissue engineered blood vessel[J ] . J Biomech Eng ,2002 ,124 (6) :724 - 733 .[ 16 ] B ERND E ,唐思维译. 新型医用织物[J ] . 国外纺织技术,2002 , (1) :30 - 32 .[ 17 ] 法国新颖医疗织物简介[J ] . 中国医疗器械杂志,2001 ,25 (6) :362 - 364 .[ 18 ] 鲁险峰,赵国,王晓春,等. 纳米ZnO 改性聚酯抗凝血性能研究[J ] . 合成纤维工业, 2005 ,28 (3) :13 - 15 .[ 19 ] 许海军,赵国,王晓春,等. 纳米ZnO/ 聚乙二醇改性聚酯的抗凝血性能研究[J ] . 聚酯工业,2006 ,19 (1) :21 - 24 .[ 20 ] BHUV AN ESH G , CHRISTOPHER P , ISAB ELL E B , et al. Plasma2induced graft polymerization of acrylic acid onto poly(et hylene terepht halate) films : characterization and human smoot h muscle cell growt h on grafted films [J ] . Biomaterials ,2002 ,23 : 863 - 871 .[ 21 ] THOMAS C , GLADWIN S D , ROB ER T F , et al. Use of plasma glow for surface2engineering biomolecules to enhance bloodcompatibilit y of Dacron and PTFE vascular prost hesis[J ] . Biomaterials ,2000 ,21 :699 - 712 .[ 22 ] RAM IRES P A , M IREN GHI L , ROMANO A R , et al. Plasma2t reated PET surface improve biocompatibilit y of human en2dot helial cells[J ] . J Biomed Mater Res , 2000 , 52 : 536 - 539 .[ 23 ] ROB ER T G , MAR TIN W K , DAN IEL M , et al. Textile arterial prost hesis : Is water permeabilit y equivalent to porosity[J ] . Journal of Biomedical Materials Research , 1986 ,21 (1) :65 - 87 .[ 24 ] MAR TIN W K. YV ES M , ROB ER T G , et al. Evaluating t he dialine vascular prost hesis knitted from an alternative source© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 4 期王晓春等: 聚酯纺织品在人工器官配件中的应用of polyester yarn s[J ] . Journal of Biomedical Materials Research ,1994 ,29 (5) :595 - 610 .[ 25 ] 许海军,赵国,王晓春,等. 涤纶织物结构与其血液相容性及生物力学[J ] . 纺织学报,2007 ,28 (5) :55 - 58 .51[ 26 ] 黄丽,赵国,王晓春. 聚酯纤维织物的抗凝血性能研究[J ] . 北京服装学院学报(自然科学版) ,2007 ,27 (2) :8 - 12.。