医用球囊的制备与成形过程的研究

医用球囊的制备与成形过程的研究

球囊导管的扩张治疗近年来，心脑血管疾病的发病率不断增加。作为治疗心脑血管疾病的重要工具，球袋导管在广泛和快速的基础上得到了开发。球囊主要用于血管的预扩张、塑形,比如用于治疗肺动脉瓣狭窄及其他鳞膜、血管狭窄性等疾病。球囊导管扩张治疗的方法虽然临床应用时间不长,但其创伤小,操作简便,扩张效果良好,并发症少,且复发率低。它还是支架的输送平台,以及用于支架置入后的精确定形,其在介入治疗中的重要性不言而喻。医用球囊作为球囊导管的心脏,一直是导管设计、开发、性能优化的焦点之一。医用球囊导管作为介入治疗的主要器械,是临床应用最多的一类导管,但国内对其相关理论研究报道较少。针对国内医用球囊导管的研究现状,本文首先对医用球囊的成形过程进行简单的介绍,并以尼龙12为例,对成形过程中的结构演变进行研究和探讨。1实验部分1.1试验设备与测试仪器生料管(尼龙12,美国Duke公司),球囊拉伸机(美国CPS-1000),球囊成形机(美国InterfaceBFM-3310),水压爆破仪(中山广仪电子仪器公司PT-500),万能拉力机(江苏天源试验设备有限公司10-50KN),数显游标卡尺(桂林量具刃具公司141-510S),光学显微镜(上海光学仪器厂XTZ-E),恒温水浴锅(上海精密仪器仪表有限公司HH.S11-4),激光测径仪(北京瑞德高科LDSMY-10B)。1.2球囊成形工艺成形过程路线如图1所示:下面以3530型球囊为例,详细介绍球囊的加工过程。首先用球囊拉伸机把生料管做成未拉伸长度为28mm的半成品。把半成品放入球囊成形机中,经过40s,温度达到110℃,压力达到105kPa,把拉伸距离设置为28mm,拉伸速度为100mm/s,进行第一次拉伸,按下“复位”键,通入循环冷却水进行冷却,当温度降为21℃时,取出球囊,此为一次成形的样品。经过第一次拉伸,将球囊成形机的温度设置为150℃,经过20s后,压力达到68kPa,拉伸距离设置为35mm,速度为30mm/s,进行二次拉伸,按下“复位”键,通入循环冷却水进行冷却,当温度降为21℃时,取出球囊,此为二次成形的样品。经过一次成形,二次成形后,将温度设置为120℃,压力设置为75kPa,经过20s,通入循环水开始冷却,当温度降为21℃时,取出球囊,即为最终成形的样品。1.3球囊的顺应性打开水压爆破仪、水浴锅、打印机和测径仪的电源开关,待水温升高到37℃并稳定后,将球囊导管连接到前面板压力输出口上,球囊固定于测径仪上,确保测量尺落下时能够压在球囊中部,开始测量。医用球囊在扩张过程中均会受到内部压力,由高分子材料的特性可知,此时球囊的尺寸或多或少均会变化,由此可以测得材料的应力-应变曲线。为了更好地说明球囊在特定压力下直径的变化,提出了球囊顺应性的概念,顺应性是指球囊在额定爆破压和额定压力下的直径之差与额定压力下直径的比值,用以表征球囊的直径随球囊充盈压力变化的程度,以式(1)表示Compliance:球囊的顺应性;ΦDExplosion:球囊额定爆破压下的直径,mm;ΦNormal:球囊额定压力下的直径,mm。式中,球囊的额定爆破压是指球囊的设计爆破压(低于真实爆破压),球囊的额定压力是指球囊的设计工作压力(球囊正常使用时所需的压力)。1.4材料浓度的变化表1.4.1cuk辐射样品的X射线衍射分析(XRD)在日本岛津公司生产的XD-3A型X射线衍射仪上进行,采用CuKα辐射,射线源λ=1.54056ue6a6,管电压30KV,管电流15mA,扫描范围2θ=80°~5°,步长为0.02°,扫描速度为6°/min。测试时将样品剪成长条,并排平铺于样品架上进行实验。1.4.2红外光谱测试样品红外透射光谱的测定采用德国Bruker公司生产的Tensor27型傅立叶变换红外光谱仪,KBr窗片,DLATGS中红检测器,仪器分辨率为4cm-1,每次测试扫描次数为128次。测试前样品用无水乙醇清洗后晾干,以除去表面粘附的杂质。测试时将样品剪成长条状,固定于样品架上,进行红外透射实验。1.4.3结晶度的测定样品的差热扫描实验在美国TAInstruments公司生产的910S型差示扫描量热仪上进行,保护气氛为N2,气体流速为40ml/min。测试时将样品剪碎并准确称取10mg,平铺于样品池。样品首先由室温以20℃/min的升温速率升高至210℃,恒温5min以消除热历史,然后样品再以50℃/min的降温速率降至室温,再以10℃/min的升温速率进行DSC测试。并根据DSC测试结果,计算各样品的结晶度,计算方法如式(2)所示:XD:样品的结晶度,以百分比表示;ΔH样品:样品的熔融热;ΔH*:为该聚合物结晶度达到100%时的熔融热。2结果与讨论2.1球囊的直径随压力变化的变化图2所示为经过一次成形,二次成形和最终成形后,样品随着压强的增大球囊直径的变化。由上图可以看出在测试压力由额定压力(0.6MPa)逐步提高到到额定爆破压(1.6MPa)的过程中,一次成形后的样品,随着压强的增加,球囊的直径变化较大,二次成形和最终成形后的样品,随着压强的增大,球囊的直径变化不大。根据上述应力-应变测试结果和顺应性计算公式可知,一次成形后样品的顺应性数值为0.17,二次成形和最终成形后样品的顺应性数值为0.07。顺应性是指在外力作用下球囊的可扩张性,是静止条件下测得的每单位压力改变所产生的容积改变,是分析球囊弹性阻力的静态指标。顺应性数值越大,则在同样的压力下样品的形变越大,反之亦然,由上述数据可得,一次成形后,样品具有较高的顺应性,说明样品抵抗外力的能力降低,即高分子链之间的相互作用力降低,而二次成形和最终成形后,样品的顺应性明显降低,其抵抗外力的能力显著提高,即高分子链之间的相互作用力逐渐增加。在球囊的实际应用中,为防止扩张过度对血管壁造成损伤,在额定压力下球囊的直径必须稳定可靠,也就是要求球囊必须具有较低的顺应性。2.2x-射线衍射峰图3为尼龙12由原料经两次拉伸并最终成形过程中,各阶段样品的X射线衍射图。在室温时γ相是尼龙12所有晶相中最稳定的晶相。γ相存在两个重要的衍射峰,一个是(001)晶面,2θ=21.5°,另一个是(200)晶面,沿着链的b轴方向,2θ=5.8°[1~3]。如图3所示,通过X射线衍射实验可以确定尼龙12原料确实是以γ相的形式存在,其(001)晶面和(200)晶面的衍射峰(图1中虚线所示)与文献中报道一致。从图3中还可以看出,尼龙12原料(001)晶面的衍射峰(2θ=21.5°)较为尖锐且被隆拱起,表明试样中具有晶态和非晶态两相存在,且差别明显。与原料相比,经过两次拉伸和最后的成形过程,(001)晶面的衍射峰(2θ=21.5°)发生了明显的偏移,该衍射峰先是经一次成形后向小角度偏移,而后再二次成形和最终成形过程中向大角度偏移,其2θ分别为21.32°、22.16°和22.8°。X射线衍射峰发生偏移,说明材料内部的晶格参数发生了变化,根据布拉格方程2dsinθ=λ,向小角度偏移,说明面间距d变大;向大角度偏移,说明面间距d变小。由此可知,经过一次成形过程中的热处理和拉伸,尼龙12的γ相晶格参数变大,分子结构变得松散,而经过二次成形和最后的成形过程,晶格参数减小,内部结构趋于紧密,使分子链更加规整。表1中的玻璃化转变温度(Tg)的变化规律也可以说明此种变化。由此可见,在球囊加工过程中,经过加热加压,一次成形后,原来的晶型被破坏,由图3可知,经一次成形的处理后,样品γ相的衍射角由21.5°减小为21.32°,由上述讨论可知,样品γ相晶面间距增大,分子结构变得松散,分子链具有更大的活动能力。由表1所示的样品结晶度测试结果可知,经过二次成形到最终成形的处理,其结晶度与一次成形的样品相比明显提高,即样品在上述处理过程中又发生了重新结晶,由图3所示样品XRD衍射角的偏移可知经过二次成形和最终成形的处理,样品中晶面间距减小,说明其内部结构更紧密,分子链更加规整有序,这时候内部应力将急剧增加。球囊具有最大的强度,即使增加压力球囊直径也不会进一步扩张。由图3还可以看出,在最终成形后样品在22.16°处的衍射峰比一次和二次成形后样品的在此处的衍射峰更为尖锐,该峰强度的增大,说明样品中γ相的尼龙12的晶型发生了转化,其具体晶型的变化将在红外光谱解析部分详细讨论。2.3次成形后的结晶度变化图4为尼龙12由原料经两次拉伸并最终成形过程中,各阶段样品的差示扫描量热曲线(DSC)图。通过对样品玻璃化转变温度测定,可以确定尼龙12原料、一次成形、二次成形以及最终成形后的样品的玻璃化温度Tg如表1所示。由表1可知,经过一次成形,尼龙12的玻璃化温度明显降低,对于高分子材料,玻璃化温度降低,说明高分子链之间的相互作用力减弱,分子链具有更大的活动能力,可以更容易拉伸和变形。这样有利于对原料进行加工与塑型,使生料管加工成适合人体需要的球囊导管。但是经过二次成形和最终的成形过程的处理,样品的玻璃化温度又有所升高,这说明经过此步骤的样品,高分子链之间的作用力又开始增强,降低了分子链的活动能力,球囊的应力将急剧增加,尼龙12的强度也急剧增大。这样制作的球囊具有最大的强度,即使增加压力球囊直径也不会进一步扩张。这由上面的应力-应变曲线测试结果也可以得到证明。据文献报道,尼龙12完全结晶时的融化焓为25.83J/g,根据DSC测试结果和完全结晶时的融化焓,可由上述式(2)计算得出各样品的结晶度,具体数值如表1所示。由各样品的结晶度数值可知,未经加工的原料具有最大的结晶度,可达57.9%,经过一次成形后的样品,结晶度迅速降至16.7%,经过进一步的二次成形的处理后,结晶度又升高至33.6%,经过最终成形的样品,结晶度最终稳定在28.7%。由各样品结晶度的变化可以说明在经过一次成形后,原料中呈晶态的分子链得到活化,其活动能力得到增强。经过二次成形的处理后,样品结晶度提高,表明在一次成形中得到活化的分子链经过加热和拉伸,变得更加规整,由图2中该样品的应力-应变曲线的变化规律及球囊顺应性的结果可以说明二次成形后的样品强度明显增强。经过最终成形后,样品的结晶度稍有降低,但强度与二次成形后的样品基本保持一致,说明经过最终成形的处理,在保证样品强度不变的情况下,提高了内部分子链的运动活性,使最终制得的球囊更加柔软,上述结晶度的变化规律也与样品的Tg变化规律一致。由此可见,经过一次成形的处理,尼龙12分子链的活动性增强,更易于发生形变,提高了材料的可加工性能,经过二次成形处理,进一步提高了材料的机械强度,而最终的成形过程不仅保证了材料的机械强度,而且使材料更加柔软。从图4中还可以看出,尼龙12原料经过一次成形后,从77℃开始,有一较强的放热峰,此峰较为尖锐,这主要是因为高分子加热到Tg以上,局部链段的运动使分子链向低能态转变,形成新的凝聚缠结,同时释放能量。因此在曲线中会出现一个放热峰。由于发生了新的凝聚缠结,使材料的结晶度提高。以峰前沿最大斜率点的切线与扫描基线的交点作为熔点,得到此时的结晶温度为77.67℃。而在此四种样品中,只有原料经过一次成形以后,再加热时产生了此结晶峰,说明经过一次成形,原料从原有的γ晶型发生了变化,出现了新的晶型α相。具体细节将在红外光谱解析部分详细分析。2.4加工过程的进行及其对尼龙12材料结晶度的影响如图5所示是尼龙12在不同处理阶段的傅立叶变换红外(FTIR)透射实验的对比图。因尼龙12原料密度较大,且管壁较厚,所以在透射实验中,透光率低,未观察到明显的吸收峰,所以图5只列出了原料经一次成形、二次成形以及最终成形过程后的红外光谱对比图,不包含原料。如图5(a)所示,在3084cm-1处,随着一次成形、二次成形以及最终成形的处理,此处的吸收强度不断增强,而尼龙12的两种晶型α相和γ相在附近都有吸收峰,其吸收峰分别为3084cm-1和3090cm-1,结合表1中结晶度测试的结果可知,随着加工过程的进行尼龙12材料的结晶度逐渐提高。如图5(b)所示,在1416cm-1处的吸收峰随着加工过程的进行,吸收强度不断加强,结合表2可知,此吸收峰为α相的尼龙12特有,γ相的尼龙12在此处并无明显吸收峰,由此可知,随着加工过程的进行,尼龙12向α晶型转变。如图5(c)所示,720cm-1处有一变化明显的的吸收峰,而α相和γ相的尼龙12在此处均具有吸收峰,该吸收峰随着加工过程的进行,其吸收强度不断增强,结合上述分析可知,随着加工过程的进行,γ相逐渐向α相转变,从而可以推断出此处的吸收峰应该归属为α相,且此α相不断增强,从另一方面也说明了随着加工过程的进行,材料的结晶度有了明显的提高。628cm-1处的表示的是尼龙12的γ相Amide(VI)(γ)面外N-H弯曲振动峰此吸收峰随着加工过程的进行,吸收强度不断减弱,结合表2可知,此吸收峰为γ相的尼龙12特有,α相的尼龙12在此处并无明显吸收峰,从而再次证明随着加工过程的进行,尼龙12的γ相的含量不断减小,结合图5(b)结果可知,随着γ相的含量减少,α相的含量不断增大,说明在加工处理过程中发生了尼龙12的γ相向α相的转变。3次成形到最终成形生料管(尼龙12原料)经过加热加压,进行第一次成形后,(001)晶面的衍射峰(2θ=21.5°)向小角度偏移,样品的玻璃化转变温度Tg和结晶度明显降低,由红外光谱可知,尼龙12出现α相,即经过第一次加热拉伸后,原来的晶型被破坏,高分子链之间的相互作用力减弱,材料内部高分子链活动性提高,分子结构变得松散,分子链具有更大的活动能力。应力-应变测试结果也表明,经过一次成形的处理后,使尼龙12材料的机械强度降低,顺应