Degradation of warp knitted external vascular stent in vitro
Jin Yi-ming, Wang Wen-zu

Abstract
BACKGROUND: External stents made of degradable biomaterials are prone to be absorbed or excreted after the vascular restitution, leading no toxicity. Too rapid degradation velocity results in the poor retention of the force, affecting its role as an assist to the vascular restitution.
OBJECTIVE: To study the appearance, mass loss and compression force during in vitro degradation of the warp knitted external vascular stent made of degradable polydioxanone (PDS) fibers.
DESIGN, TIME AND SETTING: A controlled study in vitro was carried out in the Biomedical Textiles Research Center and Scanning Electron Microscope Laboratory of Material Sciences & Engineering College, Donghua University from November 2007 to April 2008.
MATERIALS: External vascular stents were self-made in Donghua University Textiles College by a 0.20-mm diameter of PDS monofilament on small-diameter circular warp knitting machine.
METHODS: According to GB/T 16886.13-2001 and YY/T 0473-2004, degradation experiments in vitro were performed in culture medium containing normal saline at pH 7.4.
MAIN OUTCOME MEASURES: The appearance, mass loss and elastic recovery of the stents were observed before and after the degradation.
RESULTS: The surface corrosion of the PDS stents was evident after 8 weeks of degradation, and there were some damages on the stents at 12 weeks. The mass loss of the stents increased abruptly after 12 weeks of degradation. Compression test showed that the elastic recovery of the PDS stents remained less change within 12 weeks.
CONCLUSION: PDS fiber has a relatively long degradable period. The manufactured stents with PDS fiber has a good compression property.

Jin YM, Wang WZ.Degradation of warp knitted external vascular stent in vitro.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(27):5248-5252 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-27/27k-5248(ps).pdf]

摘要
背景：用可降解生物材料制成的外支架能在血管重建之后被人体吸收或排泄，不会造成毒害，但若材料的降解速度过快，强力保持性能差，则无法起到辅助血管重建的作用。
目的：采用可降解纤维聚对二氧杂环己酮(polydioxanone, PDS)编织经编结构血管外支架，观察其在体外降解过程中的外观、质量损耗和径向压缩性能。
设计、时间及地点：观察对比体外实验，于2007-11/2008-04在东华大学生物医用纺织品研究中心及东华大学材料学院扫描电镜实验室完成。
材料：血管外支架由东华大学纺织学院自行制备，采用直径为0.20 mm 的PDS单丝在小口径圆筒形经编机上编织而成。
方法：选用pH值为7.4的生理盐水作为培养液，参照国标GB/T 16886.13-2001和国家食品药品监督管理局YY/T 0473-2004标准对试样进行体外降解实验。
主要观察指标：降解前后支架材料的外观形态、质量损失以及压缩回复性能的变化。
结果：表观观察发现，PDS支架在降解8周后表面有明显腐蚀痕迹，降解12周后有破坏痕迹；支架在降解12周后质量开始严重损失；压缩性能测试发现PDS支架在降解12周内的弹性回复率的稳定性较好。
结论：PDS纤维的降解时间较长，用其制作的支架压缩性能有较好的稳定性。
关键词：经编；血管外支架；体外降解；PDS纤维

金懿明，王文祖.经编结构血管外支架的体外降解性能[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(27):5248-5252 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-27/27k-5248(ps).pdf]

>>本文导读<<

课题背景：课题受国家自然科学基金资助，项目号30571847，项目名称“生物材料人工胸壁的实验研究”。本课题为此基金资助项目的子项目。实验旨在解决可生物降解医用材料聚对二氧杂环己酮用于血管外支架的制备，重点观察支架材料在体外降解过程中的外观变化情况、质量损失情况以及压缩性能。

同行评价：实验发现用可降解材料聚对二氧杂环己酮编织的血管外支架降解速度较缓，降解过程的压缩力学性能稳定。这一结论说明聚对二氧杂环己酮材料用于血管外支架的制备有着良好的前景，并为血管外支架制备原料的选择提供了依据。

偏倚或不足：实验的对象是纺织学与生物学交叉的产物，侧重于试样在体外降解过程中的物理性能，主要考察试样的压缩力学性能与血管外支架性能要求的符合程度。对于试样生物学性能方面的测试比较不足，有待于进一步的研究中解决。

0 引言

当人体血管由于动脉硬化，血管老化或破损等原因而不能正常工作时，需要进行血管移植[1-2]。自体静脉移植是目前动脉粥样硬化等血管阻塞疾病的主要治疗手段之一。但由于静脉与动脉之间结构、尺寸与力学性能等方面的不同，移植静脉往往出现扩张、充血、炎症等重建反应，影响到移植静脉的通畅率[3]。
自1963年Parsonnet等[4]发表关于移植静脉外支架的研究报告，发现外支架能够成功地限制动脉化过程中静脉桥的过度扩张之后，大量研究表明[5-11]，在移植静脉外加人工材料的外支架是一种有效的减轻内膜增厚的方法，对移植静脉的重建过程有很好的引导辅助作用，使得重建后移植静脉的力学、几何性质和宿主动脉类似，大大提高其通畅率。
本文采用聚对二氧杂环己酮（Polydioxanone，PDS）纤维在小口径圆筒形经编机上对血管外支架进行了编织，并对其进行了体外降解，通过试验对其在降解过程中的外观、质量损耗，径向压缩性能等进行观察。

1 材料和方法

设计：观察对比实验。
时间及地点：实验于2007-11/2008-04在东华大学生物医用纺织品研究中心及东华大学材料学院扫描电镜实验室完成。
材料：血管外支架由东华大学纺织学院自行制备，采用直径为0.20 mm 的PDS单丝编织而成。

方法：
试样制备：采用直径为0.20 mm的PDS单丝在小口径高速圆筒经编机上进行编织，通过对针筒尺寸和牵拉密度等的合理设置，将支架口径控制为6 mm。编织出来的试样经清洗、消毒等处理后分为未涂层组和涂层组，其中未涂层组为未涂层原始试样，而涂层组使用3.5%甲壳胺浆液进行涂层处理。
降解实验：选用pH值为7.4的生理盐水作为培养液进行体外降解实验。实验参照国标GB/T 16886.13-2001和国家食品药品监督管理局YY/T 0473-2004标准进行。首先将试样放入洁净工作台进行消毒，之后放入CO2细胞培养箱进行体外降解，然后在相应时间内取出，利用冷冻干燥机对试样进行干燥后进行性能测试。
表观观察：采用扫描电镜对经编支架试样在降解过程中的外观形态进行表征分析。
质量损失：按照ISO 15814：1999，MOD的标准对经编支架在不同的降解阶段的质量损失情况进行了测定，并分别按照公式（1）、（2）对试样质量的保持率及损失率进行了计算。整个试验周期为15周，测试时间节点为每周1次。



其中，MASS REMAIN为试样质量保持率；MASS LOSS 为试样的质量损失率；mi为试样的原始干重；mj为经第j周降解后试样的干重。
压缩性能测试：取长度为50 mm的试样，在标准温湿度条件下，采用LLY-06型压缩仪进行定压缩量的径向压缩性能测试，最大压缩量设定为支架口径的一半，即压缩率为50%，记录压缩过程中的最大径向压缩力和压缩过程中的载荷-变形曲线，并由公式（3）[12]计算支架的弹性回复率。压缩仪的工作原理，见图1。

其中，L0为试样原始直径（mm）；L1为压缩至指定压缩量时试样的最小直径（mm）；L2为去除载荷30 s后试样的最小直径（mm）。

主要观察指标：降解前后支架材料的外观形态、质量损失以及压缩回复性能的变化。
设计、实施、评估者：实验设计为第一、二作者，实施为第一作者，评估为第二作者。
统计学分析：实验数据用x(_)±s表示，曲线采用OriginPro 7.5软件处理。

2 结果

2.1 外观形态观测结果 经涂层的试样在降解0~6周时表面涂层逐步分解，薄膜出现破洞和脱落，8周之后质地开始变得疏松，10周之后涂层覆膜几乎完全降解。而未涂层的试样其结构也在8周降解后开始逐渐疏松，在降解12周后试样纱线有断裂。当降解的周数大于12周后，无论未涂层或经涂层的试样均开始出现破洞。
对于未涂层支架试样，降解前的试样表面光滑平整，见图2。

降解4周后表面开始出现横向和纵向裂纹，纤维表面被划分成大的裂块，见图3。

降解8周后试样表面裂纹数量增多，大裂块被分布密集的丝瓜瓤状小裂纹所取代，纤维表面还出现须状毛刺，见图4。

经过12周的降解，试样表面形成不规则的细纹，低倍放大照片显示已有部分纤维（主要在纤维相互串套部位）出现劈裂，支架结构开始发生破坏解体，见图5。

对于经涂层试样，降解前试样表面涂层均匀、光滑，见图6。

降解4周后，涂层薄膜上出现严重裂痕，涂层对纤维表面的包覆不再完整，部分纤维表面也开始出现裂纹，见图7。

降解8周后，试样内的涂层部分基本上已完全分解，纤维表面的裂纹增多，见图8。

降解12周后，试样表面裂痕加深，并有部分表层裂块开始剥落，见图9。

2.2 质量损失结果 降解过程中的质量损失测试结果见图10和图11。

从图10可以看出，降解过程中试样的质量是逐渐降低的，降解到12周，剩余质量仅为原有质量的40%~50%。

从图11可以看出，降解过程中的质量减少速度并不是恒定的，涂层和未涂层支架试样的质量损失速度都呈现出类似的变化规律：在初始阶段（1周内）的质量损失速率低，在2~4周质量损失速率有一个小峰值，之后降解质量损失速率出现类似于线形增加的趋势，在12周前后突然出现一个拐点，质量损速度快速增大。经涂层的试样在2~6周出的峰值波动更大些，但最终降解速率的变化规律与未涂层试样相同。
2.3 径向压缩性能结果 支架在降解过程中的径向压缩弹性回复率及最大径向压力见表1。

从结果来看，降解前后，无论是经过涂层或未涂层的支架，其弹性回复率没有明显差异，但是，经过涂层的支架的弹性回复率整体较未涂层支架的大，且经过涂层的支架其弹性回复率的变化较未涂层的小，即涂层支架的弹性回复率有更好的稳定性。
对于径向压力，在降解前，未涂层的试样在压缩到50%的变形过程中所能承受的最大压缩力为40 cN左右，而涂层试样所承受的最大压缩力为85 cN左右，较未涂层试样提高了一倍多。
在降解前2周，试样的最大径向压力都基本维持原样。未涂层试样的径向压力在3周后有一次突降，之后基本维持在30 cN左右，而经涂层试样的径向压力在2周后直线下降，4周之后趋缓，10周后基本与未涂层试样稳定在一个数值上。
总体来说，未用涂层支架的径向压缩性能在整个降解过程中变化不明显，涂层支架的弹性回复率的稳定性很好，径向压力在降解初期随降解时间的推移有显著变化。

3 讨论

以往血管支架往往采用缝合法，由于缝合部位力学性能不稳定，现在已经基本不采用，目前的血管支架主要以整体成型的机织结构和编织结构为主。但是机织支架的顺应性差，而编织支架存在空隙大、易脱散等问题，为了解决这些问题，本文编织的血管支架采用了针织经编结构。
长久以来，血管支架的制作材料为金属和涤纶、ePTFE等不可降解的纤维材料[13-16]，这些材料制成的支架作为一种永久性异物在体内长期存留会与组织器官等产生排斥，并有释放毒性的潜在危险，比较而言，采用生物可降解材料制成的血管支架可以在体内生理环境下逐渐降解被机体吸收代谢，并且大部分可降解医用材料的组成单元或降解产物是生物体内自身存在的小分子，比非降解材料具有更好的生物相容性和生物安全性[17]，因而现在很多研究的重点都放在可降解血管支架材料的结构设计和制造方法的改进上。本文选择体内反应小，自身强度大，理化性能优良，柔顺性好的PDS单丝[18-19]作为编织血管外支架的原料。
体外降解实验中的形态观察说明纤维降解为一个从外向内逐渐刻蚀的过程。由于水解反应是随机在分子链段上进行的，因而其先表现为开裂和逐步降解。水分子最先进入结构松散的无定形区，使得无定形区内大分子链的缠结度降低，因而在纤维表面形成较大的裂块；随着分子链水解程度的加深，更多的缚结分子链都发生降解，因此导致原纤间非晶区的密度和取向大部分遭到破坏，纤维的特性黏度急剧下降，在纤维表面表现为丝瓜瓤形态；最后，结晶区开始水解，变得疏松，部分裂解为碎片脱落，纤维承受能力大大下降，甚至出现纤维绞缠部位的部分纤维劈裂现象。
支架的质量损失也符合这一降解过程。对于未涂层的支架，初期仅是降解成小分子的部分溶于水，引起质量下降；中期随着裂纹的增加，与水接触的表面积逐渐增大，因而引起降解速度的小幅增加；之后，由于非结晶区域的减少，剩余的部分多为结晶区域，降解速度有所放缓；到后期，由于碎片脱落和纤维劈裂等现象的出现，质量损失速度加快。对于经涂层的支架，试样上的涂层代替纤维与培养液直接接触，所以首先降解的是甲壳胺涂层，其对纤维的降解过程有一定的影响，但是在涂层完全降解后，这种影响也随之消除，两类试样表现出类似的性能。
压缩和压缩回复过程中支架的力学表现并未随着降解时间的推移而发生较大变化，这也许与支架的受力方式有关。压缩过程纤维主要为承受弯曲载荷，虽然降解使得纤维表面出现裂纹和刻蚀，造成纤维的拉伸断裂强度降低[20]，但是在纤维未断裂的情况下，其抗弯能力的变化不明显，这证明降解材料在很长一段降解时期后仍能在小载荷情况下保持较好的抗弯性能。
静脉移植用外支架材料的研究到目前为止仍然处于试验阶段，本文研究的PDS经编支架材料，结构稳定并具有较好的压缩回复性能，体外降解试验表明其在8周内保持较为稳定的降解速率和较好的力学性能，是一种理想的血管支架材料。

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