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Biomedical Engineering

可吸收生物材料的拉伸强度

Overview

资料来源:佩曼·沙贝吉-鲁德波什蒂和西娜·沙赫巴兹莫哈马迪,康涅狄格大学生物医学工程系,康涅狄格州斯托尔斯

4000多年来,缝合线一直被用作医疗干预。最早的记录表明亚麻是首选的生物材料。据报道,在公元150年左右,Catgut仍在使用,用于治疗角斗士。今天,有许多材料被用于缝合。缝合按其组成(天然或合成)及其吸收(不可吸收或可吸收)进行分类。

可吸收(或可吸收)缝合线通过酶降解或由水与聚合物链中特定组相互作用引起的程序化降解在体内降解。这些缝合线通常是由合成材料(如聚甘油酸、聚二恶英和多碳酸酮)或天然生物材料(如丝绸)产生的。它们通常用于某些内部程序,如普通手术。可治愈的缝合线将伤口保持一段时间,足够长的时间愈合,但随后它们最终被身体分解。另一方面,不可吸收的缝合不会降解,必须提取。它们通常源自聚丙烯、尼龙和不锈钢。这些缝合线通常用于骨科和心脏手术,并要求医疗专业人员在以后将其移除。

在这里,两种可吸收缝合的抗拉强度将在暴露于中性、酸性和碱性溶液后进行测试,这些溶液对应于人体内不同的pH环境。测试将由两部分组成。首先,通过拉伸测试准备和分析控制样本。然后,在持续暴露于不同pH的溶液后,将测试样品。

Principles

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材料降解描述暴露于一个或多个环境因素后,性能的丧失和材料特性的变化,如拉伸强度、颜色和形状。这些因素包括热、光、机械力或化学暴露,如酸、碱或盐。控制退化的一个方法是表面工程。这是通过用保护层屏蔽表面或通过修改材料本身(例如,通过交联)来实现的。

在这里,市售样品的样品在测试机器中用力传感器进行测试。样品被牢固地放置在测试机 (UTM) 的夹具中,UTM 归零,并且位移速度为 6 mm/min,直到故障。发生故障后,将记录峰值力。实验设计如下图所示。

Figure 1
图1:实验设计。

本实验将使用两种可吸收缝合线:多糖化酸缝合线和多二恶英缝合线。合成多糖酸盐缝合线是从需要甘油和碳酸三酯的反应制备的。在形成聚(糖-共三聚碳酸碳酸盐)时,它们被聚合。这些聚糖化物的线性结构为(C8H10O7n,如图 2 所示。另一方面,PDS II 紫罗兰缝合线由多二恶英聚合物合成,其线性结构为 (C4H6O3n。聚二苯酚如下图3所示。

Figure 2
图2:用于聚合聚甘油酸缝合线的聚糖(甘油-共增碳碳酸酯)。

Figure 3
图3:用于聚合缝合的多二恶英。

两种缝合线都遵循水解反应,通过降解过程。对于多糖化糖,发生两步水解。首先,聚合物首先通过内部酯键的裂解转化为单体(甘油酸)。然后,对聚合物的结晶部分发生水解攻击。当晶体区域溶解时,聚合物会坍塌。同样,多二恶英缝合线通过酯基安全降解。两种缝合类型的降解化合物无毒,通过排尿或呼气安全分泌。

随着时间的推移,由于羟基离子的存在,溶液的酸性会更高。卡博基酸基产生于降解单体的末端,从而降低周围溶液的pH。最近的研究表明,多糖苷和多二恶英在体内降解的速度比体外快,由细胞酶活性2引起。在体外过程中,不观察到生物酶的存在。

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Procedure

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1. 样品制备

  1. 创建包含以下信息的六个标签,并将标签附加到螺钉顶部试管上。
    1. 日期:月份和日期
    2. 样品类型:多糖酸酯或多二恶英
    3. 溶液类型:酸性(A)、碱性(B)或中性(N)溶液,pH值范围在2-14之间。
  2. 打开缝合包装并取出缝合线。切断针头,将其丢弃到锐化容器中。
  3. 将缝合成 3 块,长约 10-12。
  4. 注意缝合线的颜色和物理特征。
  5. 使用卡钳测量每个缝合线的直径。
  6. 称量每个缝合线,并将一个样品放入每个试管中。
  7. 用足够的去离子水填充标有"N"的试管以覆盖缝合线,然后盖住试管。
  8. 使用移液器将标有"A"的试管填充足够的 0.001 M HCl 溶液以覆盖缝合线。记得把试管盖上。
  9. 使用移液器将标有"B"的试管填充足够的 0.001 M NaOH 溶液以覆盖缝合线。记得把试管盖上。
  10. 将所有六个试管放在 37 oC 的烤箱中的金属架中。

2. 控制样品拉伸测试

  1. 获得新的缝合线,控制样品,并将其放置在 UTM 的夹具中,并将其固定到位。
  2. 在试样上启动张力之前,通过按 F1(零力)和 F2(零分压)键将 UTM 归零。在数据单上记录位移速度设置。
  3. 确保在 UTM 显示面板上显示峰值保持。
  4. 按上箭头键启动 UTM。在 UTM 上,力和位移将开始改变。
  5. 加载试样,直到故障。然后停止 UTM。
  6. 从 UTM 显示屏记录峰值力。

3. 强度损失概况

  1. 每周从烤箱中取出一个样品(A、B 和 N),为期五周。
  2. 用pH纸测量试管中溶液的pH值。
  3. 用去离子水冲洗缝合线,并注意每个样品中材料的任何物理或颜色变化。
  4. 如有必要,用纸巾将样品拍干。
  5. 称量每个样品并记录新重量
  6. 将试样放在 UTM 的夹斗中,并将其锁定到位。
  7. 在试样上启动张力之前,通过按 F1(零力)和 F2(零分压)键将 UTM 归零。
  8. 确保在 UTM 显示面板上显示峰值保持,并验证 UTM 上的位移速度与测试控制样本时相同。
  9. 加载试样,直到故障。然后停止 UTM。
  10. 从 UTM 显示屏记录故障时的峰值力。

缝合剂已经用于医疗干预数千年,最早的材料是亚麻或猫肠。

今天使用的缝合线现在分为两个不同的类别,首先按成分,天然或合成材料,和吸收,无论是不可吸收的或可吸收的。可吸收材料在体内降解主要通过由水与聚合物链中特定化学群相互作用引起的程序性降解。因此,这些材料用于将伤口放在一起的时间范围足够长,无需去除即可愈合。

在本视频中,我们将讨论可吸收材料降解背后的机制,并演示如何评估材料在暴露于不同环境时随时间的变化。

可吸收材料主要通过氧化、水解和酶降解在体内降解。当身体对异物做出反应并释放氧化物种来攻击它时,材料可能在体内发生氧化。对聚合物的氧化作用会导致链条裂变,并导致降解。在水解降解中,水攻击聚合物中的易感键,产生寡聚物,最后产生单体。

聚酯素等聚酯通常用作可吸收材料,因为酯组很容易通过水解降解。材料植入后,开始吸收水分。然后,水解式剪光从材料与水接触的地方开始。亲水材料吸收更多的水,因此在整个过程中降解得更快。然而,疏水性材料吸收水的速度较慢,并且容易从外部降解。

体内的酶催化各种反应,从而催化材料的水解降解。水解反应由称为水解酶的酶催化,可使水解降解率提高多达 10 倍。随着材料的降解,材料的机械性能也会发生变化。

让我们来看看如何分析由于酸性、中性和碱性环境中的水解降解,可吸收材料的强度随时间的变化。

对于这个实验,获得两种类型的可吸收缝合。在这里,我们使用聚甘油酸酯和多二恶英。

准备六个螺帽样品管,每个试管上都标有样品将放入的日期、样品类型和溶液。每种样品类型应该有一个酸性、一个碱性和一个中性溶液。在这里,我们展示每个示例之一。但是,您应该为每个时间点准备三个缝合类型的样本。

接下来,打开缝合包装并取出缝合线。切断缝合线,并将其处理在锐化容器中。将每个缝合线切成三块,长约 10 到 12 英寸。记下缝合线的物理特性。使用卡钳测量每个缝合线的直径并记下初始尺寸。

最后,称量每个缝合线,记录重量,并在每个样品管中放置一个缝合线。用足够的去离子水填充中性样品管,使缝合完全浸没,并盖住管子。然后用稀盐酸填充酸性管,用稀释氢氧化钠溶液填充碱性样品管。最后,将所有六个样品管放在37摄氏度的培养箱的架子中。

现在,让我们来看看如何使用拉伸测试确定缝合线的强度。拉伸测试通过拉伸样品直至失效来加载样品,从而确定材料强度。

首先,在测试溶液中测试尚未孵育的新鲜缝合线。将缝合线放在仪器的夹具中,并将其固定到位。控制样品的长度应与仪器的长度相同,约为 10 到 12 英寸。接下来,将仪器归零并记录位移速度设置。确保控制面板上显示峰值保持。然后在缝合线上启动张力。仪器上的力和位移将开始改变。加载缝合,直到失败。然后,关闭仪器并记录显示面板的峰值力。

现在,让我们测量暴露于不同pH值溶液的样品的拉伸强度。

在指定时间后,从烤箱中取出样品。使用 pH 纸测量每个管中溶液的 pH 值。测量完所有溶液的pH后,取出要测试的缝合线,然后用去离子水冲洗。记下材料的物理特性。

用纸巾将样品拍干,然后称量并记录新的质量。接下来,将试样放在拉伸测试仪的夹斗中,并将其锁定到位。将仪器归零,并确保位移速度与控制样本相同。还要检查是否显示峰值保持。现在,加载试样,直到失败。记录显示屏的峰值力。在时间研究过程中对每个样品重复拉伸测试。

现在,让我们看看如何分析数据以确定样本的强度。

首先,通过将峰力除以缝合的横截面面积来计算每个样本的平均拉伸应力。然后,使用所示公式计算缝合后缝合保持的拉伸强度百分比。每个样品随时间的抗拉强度图显示,在酸性、中性和碱性溶液中,这两种缝合线的强度随时间而降低。

多二苯酚结构在酸性溶液中降解较多,五周后仅保留原拉伸强度的41%,中性溶液和碱性溶液分别保留49%和78%的强度。五周后,在三种溶液中,多糖酸原结缝合线在酸性、中性、碱性溶液中保持约42%的强度,同样降解。预期结果,因为材料都具有酯键,易受水解剪发,这是在高和低pH增强。

现在,让我们来看看在生物医学工程领域使用可吸收材料的位置。

可吸收的材料,如在本视频中测试的缝合线最常用于外科手术,使手术部位愈合,同时无需缝合去除。然而,可吸收材料在组织工程中也扮演着作为工程组织支架的角色。可吸收的组织支架为组织提供初始的三维结构,但随着细胞的生长和自身结构材料的产生而缓慢降解。最终,不再需要初始支架,工程组织更类似于原生组织。

骨移植涉及更换缺失或受损的骨头,以帮助大骨折愈合。在这项研究中,研究人员通过钻一个五毫米的孔,在头骨中创造了一个缺陷。骨头碎片被分离,骨头移植物用纤维蛋白胶水附着在骨头上。虽然常用供体骨,但可吸收的材料是一种替代物,使移植物在原生骨骼生长时降解。

您刚刚观看了 JoVE 关于可吸收材料的介绍。现在,您应该了解这些材料如何在体内和体外降解,如何测试降解引起的强度变化,以及这些材料在生物医学工程领域的一些应用。感谢您的收看!

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Results

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在五个星期内,对所有经过处理的标本进行测试和分析。从总体试验中,使用公式 1 计算平均拉伸强度:

Equation 1(1)

还计算了与缝合类型和溶液环境有关的所有失效力的标准偏差。最后,使用平均拉伸强度确定保留的拉伸强度百分比。下面是显示代表性结果的图表。

Equation 2(2)

前四周,所有pH范围内的多糖酸酯缝合线的平均强度损失分布分别为81%、76%、66%和54%。在实验的前四周,此配置文件与制造商对这些缝合线的声明几乎相同。同样明显的是,原来的多糖酸盐轮廓的降解速度比实验性体外缝合线略快。这是由于制造商在体内进行了测试,其中存在酶降解等因素。生物酶的存在可以大大提高生物材料的降解和再吸收率。体内测试使标本承受体外程序所缺乏的不同压力和生化相互作用。体内测试通常比体外测试更可取,因为它允许观察实验对活体受试者的总体影响。

Figure 4
图4:酸性溶液:缝合拉伸强度。

Figure 5
图5:中性溶液,缝合拉伸强度。

Figure 6
图6:碱性溶液,缝合拉伸强度。

Figure 7
图7:酸溶液,保持拉伸强度百分比。

Figure 8
图 8:中性溶液,保持拉伸强度百分比。

Figure 9
图 9:基本解决方案,保持拉伸强度百分比。

控制 7 天 14 天
平均 pH 平均 pH 平均 pH
不适用 中性 基地 中性 基地
5 6 8 4 6 9
力 (N) 力 (N) 力 (N)
93.63 83.67 85.67 78.40 74.63 83.53 78.40
102.07 98.53 93.50 82.77 71.73 77.30 80.83
101.43 78.13 81.03 86.77 75.08 81.73 80.33
97.80 79.50 75.73 82.40 76.50 74.67 81.17
86.43 79.93 81.63 75.33 67.00 87.10 94.80
94.23 96.80 98.07 89.27 91.43 87.47
21 天 28 天 35 天
平均 pH 平均 pH 平均 pH
中性 基地 中性 基地 中性 基地
4 6 9 4 6 8 4 6 8
力 (N) 力 (N) 力 (N)
56.53 58.70 85.97 51.53 58.57 73.22 36.37 38.77 74.67
60.73 65.33 75.80 49.70 51.43 72.20 24.20 34.83 67.70
58.27 63.53 69.23 56.87 72.20 83.20 36.30 42.37 73.27
64.93 66.83 81.60 40.63 28.40 72.90 21.60 36.83 74.63
68.57 63.90 81.90 29.70 58.70 80.93 42.00 40.97 75.67
75.20 76.17 61.63 20.83 69.47 83.33 31.37 45.33 81.77
85.63 94.17 85.00 36.37 78.13 76.73 87.53 90.77 81.83
60.33 75.83 80.47 52.33 66.67 85.83

表1:整体5周二恶英缝合数据,失效时力

控制 7 天 14 天
平均 pH 平均 pH 平均 pH
不适用 中性 基地 中性 基地
4 6 9 4 6 9
力 (N) 力 (N) 力 (N)
170.80 131.37 147.03 146.23 122.07 117.87 135.17
170.93 147.70 142.60 152.63 129.30 132.13 129.87
167.70 134.00 153.80 120.13 107.93 113.13 101.57
162.37 112.90 102.87 111.07 139.63 120.47 111.20
156.70 153.20 124.63 103.80 123.80 131.47 129.57
152.87 145.90 123.33 143.57 146.13 144.57
21 天 28 天 35 天
平均 pH 平均 pH 平均 pH
中性 基地 中性 基地 中性 基地
4 6 8 4 6 8 4 5 7
力 (N) 力 (N) 力 (N)
110.63 109.13 115.27 93.67 93.40 74.57 50.43 54.03 44.80
115.10 113.13 87.90 75.40 100.50 77.93 82.47 78.67 78.70
120.50 128.93 116.37 111.43 108.00 109.73 80.47 42.83 80.20
114.03 116.43 101.03 84.23 87.17 80.10 69.40 81.13 77.10
118.83 110.93 107.43 51.47 66.90 81.60 68.70 81.50 46.97
78.33 87.90 115.57 59.87 93.77 61.07 76.87 82.73 82.53
131.20 141.07 107.83 105.60 111.73 112.21 68.00 57.27 86.23
80.47 122.70 91.67 103.67 110.10 105.67

表 2:整体 5 周聚甘油酸水原形数据,故障时力

随着时间的推移,所有缝合标本的拉伸强度都有所下降。此外,对于多二恶烷缝合线,酸性环境的损害最大,因为仅保留了原始抗拉强度的41.46%,而碱性和多脂酮缝合线保留了78.58%和48.95%的原始抗拉强度。中性解决方案。另一方面,不同pH溶液中多糖酸酯缝合线随时间的增强度保留百分比都相似。在中性环境中观察到多糖酸酯缝合的拉伸强度下降幅度最大,只有41.22%的原始强度被保留。在酸性和碱性环境中,多糖酸缝合线分别保留了原拉伸强度的42.79%和42.81%。

如果缝合线在较高温度下孵育,由于系统内固有的能量增加,缝合线会更快地退化。这将允许更多的自发去聚合到单体发生。换句话说,随着温度的升高,拉伸强度将受到负面影响。此外,如果缝合线保持在恒定的压力,腐烂的机会也会增加。这将是由于蠕变变形;拉伸缝合线会产生较弱的局部区域,这些区域是吸收的黄金地段。如果缝合线被绑成结,也会发生类似的情况。

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Applications and Summary

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本实验对不同pH环境下缝合的抗拉强度进行了评价。在五周内,在接触酸性、碱性和中性溶液后,探索了两种不同类型的缝合的抗拉强度。结果表明,在任何pH环境中,生物吸收缝合线会随着时间的推移而降解。

虽然多糖酸盐缝合线以更快的速度降解,但与多二体素缝合线相比,其降解力仍然更强。实验结果还表明,在较长的时间范围内,多二体素缝合线比多糖酸盐缝合线保留更多的强度,因为多晶体缝合线的降解速度越来越明显。然而,由于实验是在体外进行的,因此在更积极的生化模型中,对于多糖化酸或多二恶英缝合线的有效性,目前尚无实质性结论。酶降解是必须考虑的一个关键方面。不管怎样,这两个缝合线都是外科手术的可行候选者。这项研究证实了这类研究的重要性。

可治愈的缝合线提供暂时的伤口支持,使伤口愈合良好,足以承受正常力量。一般来说,可吸收缝合用于内部程序,因此不需要额外的外科手术来去除缝合线。解体后,缝合的痕迹很少或根本没有留下。可复发的缝合也用于不能返回缝合切除程序的患者。另一方面,不可吸收的缝合线通常用于表皮会闭合,在一定时间后可以轻松去除缝合线。此外,不可吸收缝合也经常用于紧张的内部环境,当可吸收缝合不能提供足够的伤口支持。心脏等内部结构,一贯承受各种压力和运动,需要不可吸收的缝合。不可吸收缝合的其他应用包括骨科手术和心脏手术的胸腔闭合。由于可吸收缝合用于身体内部和更关键的部位,因此测试其强度并分析产品质量非常重要。

材料列表

名字 公司 目录号 评论
设备
缝合
统治者
剪刀
卡钳
镊子
规模
蒂尼乌斯·奥尔森测试仪
烤箱
示例容器
烧杯
吸管
移液器填料
移液管
玻璃 器皿
化学品
去离子水
盐酸
氢氧化钠(NaOH)

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References

  1. Wise, Donald L., et al. Encyclopedic Handbook of Biomaterials and Bioengineering. Marcel Dekker, Inc., New York. 1995. 567-569.
  2. Dattilo, P.P., King, M.W., Cassill, N.L., et al. Medical Textiles: Application of an Absorbable Barbed Bi-directional Surgical Suture. J. Text. & App., Tech. & Mgmt. 2002, 2, 1
可吸收生物材料的拉伸强度
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