水合條件對血管內(nèi)導管力學性能影響的研究

陳洪建,黃麗萍,楊倩,艾沖沖,王常斌,李元彧,盧文博

(山東省醫(yī)療器械和藥品包裝檢驗研究院,國家藥品監(jiān)督管理局生物材料器械安全性評價重點實驗室 物理測試評價中心,山東 濟南 250101)

生物醫(yī)用材料和醫(yī)療器械的發(fā)展對人體健康的幫助越來越大,而醫(yī)療器械中的高分子材料往往具有:(1)無過敏反應(yīng),不會與血液或體液發(fā)生反應(yīng);(2)具有優(yōu)異的生物相容性,無致畸變作用;(3)良好的機械性能;(4)良好的回彈性、耐磨性;(5)易于加工成所需要的復(fù)雜的形狀等優(yōu)點[1-4]。

在眾多的醫(yī)療器械中,導管占有很高的比例,常見醫(yī)用導管所使用的高分子材料有聚氯乙烯、聚氨酯、硅橡膠、聚乙烯、聚丙烯等[5-6]。其中,聚氨酯、硅橡膠是最為常用的醫(yī)用導管原材料[7]。聚氨酯最早由德國科學家發(fā)現(xiàn)并逐漸開始應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域[8],目前,聚氨酯已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械行業(yè),如介入導管、人工心臟瓣膜、人造血管、人造皮膚、醫(yī)用敷料、骨科材料、可降解聚氨酯、聚氨酯控制藥物釋放等,在醫(yī)療器械領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用為重大疾病的醫(yī)治做出了重要的貢獻。硅橡膠是一種產(chǎn)量大,應(yīng)用范圍廣的合成材料,因其優(yōu)良的力學性能、耐腐蝕性好、易加工、生物相容性好的特點,可作為與人體經(jīng)常接觸的材料使用,如用于腦外科、泌尿科等[9-11]。

醫(yī)用聚氨酯憑借其優(yōu)異的材料性能,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械行業(yè),并繼續(xù)在聚合物生物材料中發(fā)揮重要作用。但現(xiàn)有的聚氨酯材料還不能完全滿足臨床應(yīng)用的要求,作為血液長期接觸的材料,聚氨酯的生物穩(wěn)定性和生物相容性仍不能取得令人滿意的臨床效果[12]。同樣,硅橡膠因其優(yōu)良的材料力學性能、生物活性差和良好的耐腐蝕性,可以長時間置入人體內(nèi)而無不良的排異反應(yīng)。但是由于硅橡膠表面的疏水性等特征易于細菌黏附,使其容易引發(fā)人體組織的感染[13]。除此之外,在長期植入人體內(nèi)后,聚氨酯和硅橡膠材料能否始終保持良好的力學性能也是備受關(guān)注的問題。

不同類型的血管內(nèi)導管在治療時留置在體內(nèi)的時間也不盡相同,例如中心靜脈導管(CVC)可留置2周～4周,經(jīng)外周靜脈置入中心靜脈導管(PICC)留置時間不超過1年,輸液港(PORT)導管可長期使用,適合6個月以上的治療需要[14-15]。長時間處于血液環(huán)境中的導管受水合作用的影響,可能會導致導管力學性能的下降,從而無法保證臨床使用時器械的安全性和有效性。

目前,導管自身的水合狀態(tài)對其力學性能影響的相關(guān)研究仍少有涉及,且在YY0285.1—2017[16]的標準中,“峰值拉力”試驗明確規(guī)定應(yīng)考慮導管水合這一試驗因素。標準中要求“浸泡臨床預(yù)期使用時間”,未明確導管的浸泡時間,這對于長期留置的血管內(nèi)導管來說缺乏檢驗的現(xiàn)實意義。因此研究水合條件對血管內(nèi)導管力學性能的影響,對指導企業(yè)生產(chǎn)及臨床使用具有重要的現(xiàn)實意義。選用醫(yī)用硅橡膠導管和聚氨酯導管,研究水合條件對血管內(nèi)導管力學性能的影響。

1 力學性能影響因素研究

1.1 實驗原理

在本次研究中基于YY0285.1—2017中的水合試驗方法,并以YY0285.1—2017中附錄B“峰值拉力試驗”為依據(jù)。

臨床意義上的水合作用:水合后的有效長度大于水合前有效長度的1%,或水合后外徑大于等于水合前外徑10%的狀態(tài)[16]。

峰值拉力試驗原理:將被測導管固定在拉力試驗儀上,使用合適的夾具夾持導管,以毫米標距為20 mm/min的單位應(yīng)變速率進行拉伸,直至導管分離成兩段或多段,記錄拉伸過程中導管的峰值拉力[16]。

1.2 浸泡時間對峰值拉力的影響

針對導管在溶液中的浸泡時間這一變量來設(shè)計相關(guān)實驗,分析不同浸泡時間對醫(yī)用導管峰值拉力的影響。

1.2.1 導管尺寸變化率

每一實驗組選取5個樣品,首先測量浸泡前實驗導管的長度和外徑,然后再將導管浸入(37±2)℃的水中保持2 h,1 d,3 d,7 d,15 d,30 d,90 d,180 d后,再次測量導管的長度和外徑。

通過表1～2的實驗數(shù)據(jù),我們可以看出,浸泡后導管長度變化率范圍為0%～0.60%,導管外徑變化率范圍為0%～1.39%,均低于標準中規(guī)定的有效長度1%和外徑變化率10%的要求,呈現(xiàn)出臨床意義上的非水合性。

表1 導管長度變化率 單位:%

1.2.2 導管峰值拉力

按照YY0285.1—2017中附錄B進行實驗,將未浸泡以及浸泡2 h,1 d,3 d,7 d,15 d,30 d,90 d,180 d后的被測導管固定在拉力試驗儀上進行試驗,記錄斷裂時導管的峰值拉力。取每一實驗組5個樣品的峰值拉力的平均值作為最終實驗結(jié)果,從圖 1中可以看出:

(1)浸泡時間對不同材料血管內(nèi)導管峰值拉力的影響差異較大。與硅橡膠導管相比,浸泡時間對聚氨酯導管峰值拉力的影響較顯著,在浸泡2 h～180 d時間段,隨著浸泡時間的增長,聚氨酯導管的峰值拉力呈現(xiàn)減小的趨勢;硅橡膠導管的峰值拉力比較穩(wěn)定,隨著浸泡時間的增長,未出現(xiàn)明顯的波動。

(2)在浸泡2 h～1 d時間段,聚氨酯導管的峰值拉力達到最大值。

(3)浸泡后聚氨酯導管和硅橡膠導管的峰值拉力均遠大于標準中要求的最小力值要求。依據(jù)YY0285.1—2017標準,外徑≥1.85 mm的導管,其最小峰值拉力為15 N[16],本次實驗中導管的最小峰值拉力平均值為81 N,為標準要求最小值的5.4倍。

圖1 浸泡時間對導管峰值拉力的影響

1.3 浸泡介質(zhì)對峰值拉力的影響

在本次研究中選用水、模擬血液溶液和PBS溶液,按照YY0285.1—2017中的水合試驗方法,并按照YY0285.1—2017中附錄B“峰值拉力試驗”進行實驗,分析不同浸泡介質(zhì)對醫(yī)用導管峰值拉力的影響。

1.3.1 導管尺寸變化率

每一實驗組選取5個樣品,首先測量浸泡前實驗導管的長度和外徑,然后再將導管浸入(37±2)℃的水、模擬血液和PBS溶液中保持一定時間后,再次測量導管的長度和外徑。浸泡后導管長度和外徑的變化率如表1和表2所示,從實驗結(jié)果可以看出,經(jīng)過在三種浸泡介質(zhì)中浸泡后,導管長度和外徑的變化率均低于臨床意義上水合時標準中要求的變化率,呈現(xiàn)出臨床意義上的非水合性。

表2 導管外徑變化率 單位:%

1.3.2 導管峰值拉力

將浸泡2 h,1 d,3 d,7 d,15 d,30 d,90 d,180 d后的被測導管固定在拉力試驗儀上進行試驗,記錄拉伸過程中導管的峰值拉力。

圖2 浸泡介質(zhì)對聚氨酯導管峰值拉力的影響

圖3 浸泡介質(zhì)對硅橡膠導管峰值拉力的影響

取每一實驗組5個樣品的峰值拉力的平均值作為最終實驗結(jié)果,從圖 2和圖 3中可以看出:

(1)不同的浸泡介質(zhì)對血管內(nèi)導管的峰值拉力無明顯影響;浸泡時間和浸泡介質(zhì)對硅橡膠導管的峰值拉力均無明顯影響;與浸泡介質(zhì)相比,浸泡時間對聚氨酯導管峰值拉力的影響較顯著。

(2)不同浸泡介質(zhì)浸泡后聚氨酯導管和硅橡膠導管的峰值拉力均遠大于標準中要求的最小力值要求。其中聚氨酯導管在水中浸泡后的峰值拉力為81～108 N,在模擬血液溶液和PBS溶液中浸泡后的峰值拉力分別為81～109 N和82～109 N;硅橡膠導管在水中浸泡后的峰值拉力為113～117 N,在模擬血液和PBS溶液中浸泡后的峰值拉力分別為112～116 N和112～117 N,依據(jù)YY0285.1—2017標準的要求,外徑≥1.85 mm的導管,其最小峰值拉力為15 N[16],本次實驗中導管的最小峰值拉力平均值為81 N,為標準要求最小值的5.4倍。

2 結(jié)論

文章基于YY0285.1—2017中水合性試驗和峰值拉力試驗的測試方法,分析了水合條件對血管內(nèi)導管力學性能的影響規(guī)律,針對不同浸泡時間和浸泡介質(zhì)下的試驗結(jié)果進行了對比分析。主要結(jié)論如下:

(1)浸泡時間對不同材料血管內(nèi)導管峰值拉力的影響差異較大。與硅橡膠導管相比,浸泡時間對聚氨酯導管峰值拉力的影響較顯著,在浸泡2 h～180 d時間段,隨著浸泡時間的增長,聚氨酯導管的峰值拉力呈現(xiàn)減小的趨勢;硅橡膠導管的峰值拉力比較穩(wěn)定,隨著浸泡時間的增長,未出現(xiàn)明顯的波動。但浸泡后聚氨酯導管和硅橡膠導管的峰值拉力均遠大于YY0285.1—2017中要求的最小峰值拉力[16]。

(2)在浸泡時間2 h～1 d時間段,聚氨酯導管的峰值拉力到達生產(chǎn)企業(yè)所要求的最佳力學性能,但隨著浸泡時間的增長,其峰值拉力出現(xiàn)減小趨勢。所以生產(chǎn)企業(yè)在制定產(chǎn)品使用說明書時,應(yīng)根據(jù)不同產(chǎn)品臨床使用的具體情況,充分驗證浸泡時間對導管力學性能的影響。

(3)標準ISO 10555-1 ADM1:2017中將浸泡時間已改為“保持(37±2)℃至相應(yīng)的臨床使用時長或至少2 h”,所以生產(chǎn)企業(yè)在進行型式試驗驗證和制定使用說明書時,不能將浸泡時間均制定為2 h,應(yīng)結(jié)合臨床使用充分驗證浸泡時間這一影響因素,確保其安全使用性。

(4)文章浸泡時間最長時間選為180 d,浸泡介質(zhì)選為水、模擬血液溶液和PBS溶液,不能充分涵蓋所有水合條件對血管內(nèi)導管力學性能的影響,生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)根據(jù)不同產(chǎn)品臨床使用的復(fù)雜情況,選定適宜的水合條件進行試驗。