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可吸收生物材料的拉伸强度

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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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