摘要：
在许多植入的聚醚聚氨酯弹性体中观察到降解开裂，通常称为“环境应力开裂”(ESC)。这种现象归因于植入材料表面的生物化学和细胞相互作用导致聚合物链断裂。这可能会导致表面开裂，然后是深裂缝。与聚合物的大量生物降解有关，导致机械强度损失和动脉瘤的形成。
这些开裂效应被认为是由于机械应力与巨噬细胞和巨细胞的氧化作用相结合，因为已观察到表面开裂直接发生在聚醚聚氨酯植入物上粘附的巨噬细胞下方。这些细胞构成身体免疫反应的一部分，它使用酶和活性氧（O2、O2、H2O和H2O2）来降解外来物质。
这些开裂效应被认为是由于机械应力与巨噬细胞和巨细胞的氧化作用相结合，因为已观察到表面开裂直接发生在聚醚聚氨酯植入物上粘附的巨噬细胞下方。这些细胞构成身体免疫反应的一部分，它使用酶和活性氧（O2、O2、H2O和H2O2）来降解外来物质。
我们描述了由Zhao等人开发的体外测试方法的改进。使用玻璃棉和过氧化氢/氯化钴(II)(H2-O2/CoCl2)混合物来复制体内巨噬细胞的氧化作用。进行这些修改是为了建立一个常规的生物降解抗性测试系统，该系统可用于筛选一系列设计用于微孔血管移植物的聚合物。通过Stokes等人设计的方法对移植物进行预应力。其中每个移植物在心轴上拉伸到预定的伸长率，并通过在心轴的每一端系上PTFE胶带来固定应变。
JOURNALOFBIOMATERIALSAPPLICATIONSVolume11-October
最初的对比测试使用两种材料制成具有相同尺寸和内径为5毫米的血管移植物。第一种是聚醚聚氨酯-EstaneF1（BFGoodrichSpecialtyPlasticsUKLtd.），其体外试验方法的加速因子约为体内试验的9倍，导致第六周发生灾难性故障。第二种材料是新一代聚碳酸酯基聚氨酯ChronoFlex（CardidTechInternationalLtd.），表现出出色的抗环境应力开裂性，在整个35周的测试期间保持其结构。这些结果将通过长期的体内植入研究来证实这些发现。
一、介绍
聚氨酯是医疗器械中用途最广泛的材料之一，临床意义重大的材料位于广泛的聚氨酯中。这些范围从在光谱一端具有广泛交联、链刚度和结晶度的硬质热固性泡沫，到另一端具有柔软的可混炼弹性体。聚氨酯由交替的硬链段和软链段组成，硬链段是异氰酸酯和聚乙二醇软链段。这些链段一起反应形成单元，然后通过称为扩链剂的其他分子连接。通过改变聚合物的组成部分，聚氨酯可以定制设计用于多种应用。它们出色的血液和组织生物相容性以及强度和耐弯曲性已在生物医学应用中得到广泛开发，从伤口敷料和导管到血管移植物和人造器官。
01.植入式起搏器导线
自年推出以来，聚氨酯一直用于永久植入的心脏起搏器引线，与有机硅相比，聚氨酯具有许多优势，因为它们可以制造更薄、更坚固且摩擦力更低的引线。但是，在某些情况下，退化是起搏器导线失效的原因。年，CardiacPacemakersInc.的Parins报告了第一次临床退化的发生，他描述了由聚醚聚氨酯Pellethane-80A制造的起搏器导线的表面开裂。In-termedicsInc.的Geurrant和McArthur证实了这一结果。Pande还验证了Parins获得的结果，并观察到较硬的Shore55D聚醚聚氨酯明显更稳定，与较软的同类产品相比，降解明显减少。
02.血管移植物要求
在患有严重肢体缺血的患者中，通过搭桥或中间移植成功的血运重建显然比截肢和随后的康复要便宜得多。该手术的最佳材料是自体大隐静脉，尽管在30%的患者中无法使用该静脉，因此必须寻找替代导管。因此，需要4-5毫米内径的人工血管移植物用于这种类型的远端动脉重建。
动脉表现出称为顺应性的特性，其定义为移植物直径响应压力变化而变化。这种特性使动脉弹性回缩，在每次动脉脉搏通过后发生，从而增强血液流动。顺应性在低血压状态下特别显着，从而进一步增强了血液流动。迄今为止，所有假体移植物的顺应性都非常低，即它们是刚性的且非弹性的。增强小口径假体移植物的顺应性有望改善在这种情况下经常出现的低流量。此外，顺应性假体移植物将减少移植物和天然动脉之间的顺应性不匹配。低移植物顺应性和顺应性不匹配被认为是小口径假体移植物失败的重要因素。设计和开发顺应性的生物耐用聚氨酯血管移植物旨在消除移植失败的原因。
聚氨酯是用于血管移植物的理想材料，具有优异的血液和组织生物相容性，并具有良好的顺应性、自密封特性、相对较好的强度和有吸引力的内皮细胞接种表面。然而，与由Pellethane-80A制造的起搏器引线一样，由聚醚聚氨酯Estane-F1（Newtec血管产品）制造的植入式微孔血管移植物在长期体内测试期间也显示出表面开裂的迹象。这些聚醚聚氨酯生物稳定性受损的例子表明，必须仔细选择和测试设计用于关键应用医疗设备的新型材料。
03.生物稳定性测试
已经开发了许多测试程序，以帮助确定用于生物医学应用的材料的生物耐久性。这些测试范围从蛋白水解酶（如木瓜蛋白酶和脲酶）的生物混合物，到人体血浆和化学溶液（如硝酸银、过氧化氢和沸水）。尽管这些测试已被证明是退化的模型，但它们执行起来通常很费力或很耗时，而且难以复制。
Zaho等人，他们设计的测试，作为他们的早期，该论文描述了使用预应力聚醚氨基甲酸酯样品的测试，该样品最初在37°C下用人血浆处理，然后在50°C下用H-O-/CoCl溶液处理.该测试的局限性，例如样品浮选和样品表面层界面的不均匀开裂与较高温度导致该小组放弃使用等离子体并降低温度，以使测试更适合筛选目的。
我们描述了由Zaho等人开发的体外测试方法的改进。使用玻璃棉和H2O2/CoCl2混合物来测试用于血管移植物的微孔聚氨酯管。本研究旨在证明Chrono-Flex是一种为用于血管通路移植物而开发的聚碳酸酯基聚氨酯材料，以应对旨在模拟加速体内测试的腐蚀性化学环境的耐受性。
二、材料和方法
示例
获得聚氨酯ChronoFlex和Estane-F1样品并将其溶解在二甲基乙酰胺中。然后将该溶液用于制造适用于血管移植物的顺应性微孔管，其标称管腔直径为4.9-5.0mm。这是使用CardioTechInternationalLtd.使用的低应力、低温铸造方法进行的，该方法可最大限度地减少移植物中的剪切力和残余应力。使用Stokes等人开发的方法对所得的具有几乎相同结构和孔隙率的移植物进行预应力处理，其中使用Instron通用测试仪器Model和应变通过用PTFE带(2.0毫米)系住来固定。
CardioTech合成的血管移植物具有微孔结构（参见图1），并显示出与Zaho等人使用的实心管不同的机械特性。实心管和微孔血管移植物材料之间的主要差异在表面积与较低的断裂应变相结合，因此需要使用较低的测试应变。因此，使用由已知会表现出应力开裂的Estane材料制成的移植物进行了评估最佳溶液浓度和应变的初步研究。如上所述制备样品并经受不同浓度的H2O2CoCl2的条件；在各种应变。通过确定哪种混合物/应变组合给出最合理的降解时间来选择最佳条件，即显示初始开裂的时间（我们将其定义为似乎穿透超过1/4的裂缝穿过接枝厚度)和发生灾难性故障的时间（见图2）。选择的最佳条件是溶液浓度为1.63MH2O2/0.05MCoCl2；应变为50%。
图1.ChronoFlex横截面的SEM显微照片，显示微孔结构。
与Zaho等人使用的实心管中的应变相比，该测试中使用的应变要低得多。使用这种较低应变的主要原因是，在血管移植材料的微孔结构中，材料内的细丝会受到应力。如果许多这些细丝在降解过程中断裂，则周围细丝中的应力会增加，并且由于应力是降解过程的促进剂，因此增加应力会导致降解的传播。
图2.表格显示了Estane相对于溶液浓度和样品应变的开裂时间和断裂时间。
图3.照片显示了玻璃盘中的移植物排列。
因此，较低的应变补偿了这种在实心管中不会经历的加速因素。使用与Zaho等人相同的溶液浓度。使我们能够更密切地比较我们的结果与实心管的结果。这种浓度也使Estane材料的初始开裂时间最长，我们认为这是有益的，因为它可以更准确地监测测试。
除了使用蒸馏水代替H2O2/CoCl2;混合物之外，每种聚氨酯的对照样品都经受与测试样品相同的条件。聚合物的干燥样品也被保留（在应力和非应力条件下）以在测试结束时提供比较。
用H2O2和CoCl2在玻璃纤维毛上进行测试
使用由Zaho等人设计的体外试验模型，将纵向预应力管试样和对照试样（长30mm×直径5mm）嵌入5-7mm厚的玻璃纤维棉层（来自Fisons科学设备）在毫米直径×75毫米高的玻璃(Simax)盘中（见图3）。使用Estane材料的初步调查表明，Zaho等人使用的浓度非常适合在此测试中使用。将体积为ml的1.63MH2O2和0.05M氯化钴(I)六水合物(CoC2·6H-O)98%A.C.S.（来自AldrichChemicalCo.Ltd.）的溶液倒在玻璃纤维棉上。1.63MH2O2由40VolH2O2制备，溶液含有mg/L的稳定剂Na2H2P2O7，焦磷酸二钠（来自FisonsScientificEquipment），化学品供应商将其掺入以抑制过氧化氢的自发分解。
玻璃盘用塑料薄膜覆盖以防止过度蒸发，并将样品在37°C±3°C的烘箱中培养长达天。玻璃棉每月更换一次，H2O2/CoCl2溶液每三到四天更换一次新鲜溶液。在每次溶液变化期间，在光学显微镜（高达40倍放大倍率）下检查样品是否有任何表面变化或裂纹发展的迹象。当样品显示出严重开裂、心轴突出或横穿油管壁的裂缝迹象时，测试结束。在整个处理过程中，每种聚合物的代表性样品在蒸馏水中冲洗并在空气中干燥，然后使用25KV扫描电子显微镜（SEM，Stereoscan，CambridgeIn-struments）进行详细分析。
三、结果
血管移植物的拉伸试验
对移植物进行的初始拉伸测试涉及在直至断裂点的一系列负载上测量应变。初步调查表明，50%的应变产生了足够的张力来观察Estane材料中的应力开裂。断裂应力和应变可以分别在图4和图5中观察到。所用材料的断裂应变范围从ChronoFLex的%到Estane的%，远高于测试中使用的50%的应变。
图4.ChronoFlex和Estane断裂应力比较图。
图5.ChronoFlex和Estane断裂应变比较图。
由于移植物具有几乎相等的尺寸，断裂应变的变化表明，当使用50%的应变时，移植物会承受不相等的应力。然而，对于Estane和ChronoFlex，两种材料的杨氏模量分别为0.MPa和1.MPa在50%应变下经历类似的应力。每种聚氨酯的应力松弛率是通过将移植物夹在Instron通用测试仪器上、将移植物拉出至50%的应变并在两小时内测量张力来确定的。观察到两种材料以相似的速率从初始张力经历指数应力松弛，大约两小时后达到平稳状态。
血管移植物中的应力开裂
据观察，唯一显示开裂的移植物是由Estane材料制成的移植物。显示开裂的平均时间是19天，随后是灾难性故障（以暴露心轴为特征），第一个样品发生在第47天，Estane移植物的所有样品在第天都失败了。
最初在哑铃形心轴的较宽区域上观察到管子开裂，尽管随着测试的进行，这种开裂会沿着样品的长度方向发展。从Estane的照片可以看出，移植物已经退化到似乎已经解体的程度，结构完整性丧失。在图6和图7中分别可以看到Estane中这种开裂和破损的细节。
图6.Estane接枝照片显示63天后出现开裂。
然而，ChronoFlex移植物（如图8所示）几乎没有退化迹象，只有轻微的表面开裂，在达到天的测试期间没有出现重大故障。
在蒸馏/去离子水中培养的对照样品均未显示出任何ESC迹象。
图7Estane移植物的照片显示在63天时发生破损。
图8.ChronoFlex在天时的照片。
四、讨论
在植入的聚醚聚氨酯中观察到的表面开裂和开裂现象归因于植入材料表面的生化和细胞相互作用导致聚合物链断裂。这些开裂效应被认为是由于机械应力（内在的和外在的）与巨噬细胞和巨细胞的氧化作用相结合，因为已经观察到表面开裂直接发生在聚醚聚氨酯植入物上粘附的巨噬细胞下方。这些细胞构成身体免疫反应的一部分，并被认为使用酶和氧（O2、O2.、H2O和H2O2）来降解异物。
众所周知，铁、铜和钴等过渡金属离子会催化过氧化氢的降解，导致产生高反应性自由基、超氧离子和氧。Zaho等人假设除了机械应力之外,聚氨酯材料与氧或氧物种之间的界面反应需要在聚氨酯中产生应力开裂，他们设计了一种使用过氧化氢(H2O2)和钴的严重氧化混合物的utro测试系统。II)玻璃纤维棉上的氯化物(CoCl2)，以创建体内加速条件的模型。在实验中，玻璃纤维棉用于将这些物质捕获在泡沫中，以确保与聚合物并以蒸气状态呈现反应物，因为当它们被巨噬细胞利用时，它们被认为在微观水平上以这种状态存在。
Zhao等人设计的测试被选为可重复的、常规的生物降解抗性测试系统，可用于筛选设计用于微孔血管移植物的一系列聚合物。尽管体外试验可用作体内性能的指标，但应该注意的是，没有任何一项试验可以替代长期植入试验来评估生物稳定性的必要性。
尽管测试的两个样品都显示出ESC的迹象，但由ChronoFlex制造的移植物中的轻微开裂似乎很浅且仅限于表面，而Estane材料中的开裂继续穿过移植物的壁，导致灾难性的失败。两种聚合物响应不同的原因之一可能是因为Estane材料基于聚醚氨聚氨酯，而ChronoFlex基于聚碳酸酯氨聚氨酯。据信，聚醚氨基甲酸酯可能含有一定量的酯键，这些酯键会氧化成酸，从而导致潜在的自催化效应，其中酸基团会促进聚合物链的氧化和断裂。观察到基于氧化稳定的聚碳酸酯聚氨酯的ChronoFlex聚合物不会受到在Estane聚合物中观察到的降解作用。
使用植入主动脉-股骨旁路位置的Estane移植物的体内测试数据显示，只有10%的移植移植物在12个月时出现结构变化。通过凝胶渗透色谱法测量，这种变化表现为广泛的裂解以及分子量的显着降低。Tyler和Ratner在他们关于Ethicon的Biomer医用级聚醚聚氨酯的氧化降解的论文中也记录了由于氧化导致的聚氨酯分子量降低。
Stokes等人观察到ChronoFlexAL55D具有出色的耐用性，并且在兔子皮下植入18个月后没有退化的迹象。唯一注意到的变化是由于水合导致的完全可逆的机械变化，这会导致聚氨酯发生一定程度的增塑。他们还指出，在青春期大鼠皮下植入后没有发生矿化。
Zaho等人建议，他们的体外试验给出的加速因子大约是体内试验模型的七倍。他们对ChronoFlexAL80A进行了测试，发现其生物耐久性比Pellethane提高了六倍，而ChronoFlexAL55D在整个测试期间没有出现退化迹象。
本研究中使用的ChronoFlex，用于CardioTechInt.Ltd的血管通路移植应用。目前公认的血管通路移植物的平均工作寿命约为18个月，然后才需要进行翻修手术。根据本文提出的结果并得到其他研究结果的证实，我们预计在此期间不会观察到基于ChronoFlex的移植物的降解迹象。
五、总结
此处描述的用于比较评估微孔血管移植物的体外试验提供了一种已知会导致聚醚聚氨酯降解的腐蚀性氧化环境，类似于在体内情况下观察到的情况。该系统的加速因子大约是体内试验（Estane材料）的9倍，在体外试验的第6周和体内试验的第52周发生灾难性故障。然而，新一代聚碳酸酯基聚氨酯ChronoFlex表现出比较出色的抗环境应力开裂性，在35周的整个测试期间保持其结构。因此，使用这种方法可以合理地表明聚合物在体内测试期间的性能，并允许开发一种有效、方便的筛选过程，以确定潜在的医用级聚合物的生物耐久性。