微孔顺应性小口径血管移植物的研制
摘要：
目的：生产具有自密封特性的生物耐用小直径微孔血管移植物，用于血管通路、外周血管和潜在的冠状动脉搭桥。假体应使用独特的操作方式允许壁压缩以适应体积变化，从而保持原位顺应性和脉动流动。方法：我们利用高效的低温凝固技术开发了一系列独特的小直径微孔血管移植物，使用的是生物耐用的聚碳酸酯聚氨酯ChronoFlex。
结果：移植物经过了一系列体外和体内测试，显示出优异的物理和机械特性、自密封、保持顺应性和原位脉动流动以及长达22周的通畅性。
一、简介
本次交流的目的是描述我们设计、开发和生产自密封血管的方法，以及继续开发用于外周血管和可能用于冠状动脉搭桥的顺应性小直径血管假体。独特的专利制造工艺和新一代生物耐久的聚碳酸酯聚氨酯ChronoFlex。
二、聚氨酯接枝的发展状况
一段时间以来，聚氨酯已被认为是用于推进和制造小直径血管假体的极具吸引力且易于获得的材料范围。该材料的弹性特性，加上低血栓形成性和非常有吸引力的物理和机械特性，可以通过多种加工方法产生，在过去的二十年中已经引起了相当大的研究努力和支出，旨在聚氨酯血管移植物的发展。
对专利数据库和科学文献的检索将揭示世界各地的研究小组和商业公司使用的各种制造方法和聚氨酯材料的变体，目的是提高小直径移植物的性能，以达到更接近于反向大隐静脉的临床结果。
两个主要困难阻碍了几乎所有聚氨酯血管移植物的临床应用和随后的商业化：
聚氨酯的生物耐久性。
实验室加工方法无法有效和经济地生产出一致的高质量产品。
三、开发历史
从年到年，我们的实验室致力于根据Underwood等人的设计理念制造小直径顺应性血管假体的方法。与许多聚氨酯开发一样，对材料（聚醚-聚氨酯）长期稳定性的怀疑源于体内实验植入物，从而结束了该特定项目。
然而，在开发计划中证明了几个重要因素：
1.加工技术——可以制造出高质量和一致的产品，公差非常小。
2.允许维持顺应性以及在体内传递脉动流和能量的产品设计；允许较小直径的移植物增加流速。
3.消除缝线孔出血，大大提高了处理特性。
4.与e.PT.F.E.相比，12个月的通畅率显着提高。当植入狗的主动脉-髂旁路移植物时。
5.内皮细胞接种的有吸引力的表面。
四、聚氨酯降解
聚醚基嵌段聚氨酯在生物相容性和生物稳定性方面被认为是最先进的。然而，由醚聚氨酯制成的血管移植物在植入生命系统时表现出一定程度的聚合物降解。
年，Szycher首次提出聚醚-聚氨酯易受聚醚链体内氧化的影响。最易受影响的基团是醚氧的α位上的甲基，它发生氧化，最终导致链断裂，导致表面分子量显着降低并最终产生表面裂纹。
虽然通常不认为酶催化合成聚合物的降解，但存在醚基聚氨酯被酶降解的可能性。Williams指出，由于酶具有降低化学反应活化能的能力，因此降解反应通常仅在高温下或在光化辐射存在下发生。
在一项具有里程碑意义的研究中，Phua和Anderson通过体外暴露于酶测试了聚氨酯的生物降解。超薄样品在37°C下暴露于两种蛋白水解酶木瓜蛋白酶和尿酶中1到6个月。发现这两种酶都能够降解聚醚-聚氨酯。
由于木瓜蛋白酶与组织蛋白酶B密切相关，组织蛋白酶B是一种由炎症反应细胞释放的硫醇内肽酶，因此作者得出结论，分段聚醚-聚氨酯可以被炎症反应过程中存在的酶降解。
五、新一代聚氨酯
Capone和Szycher都报告说，聚碳酸酯基聚氨酯可在长达六个月的时间里抵抗生物氧化（表面开裂）。
聚碳酸酯聚氨酯弹性体被制成在芯轴上拉伸至%的管材，并植入实验动物的皮下。管子在3个月和6个月时被回收，由S.E.M.评估，和FTI.R分析，没有退化迹象。
Stokes使用“Stokes测试”在体内将ChronoFlex与Pellethane进行了比较，该测试旨在加速环境应力开裂，使用应变作为促进剂。挤出的管材在心轴上被拉伸至%的伸长率。ChronoFlex在植入后18个月没有显示环境应力开裂的证据。
ChronoFlex是第二代分段聚碳酸酯基聚氨酯，具有良好的机械性能和低弹性模量。这允许强度，但保持相对柔软和柔顺，使我们能够量身定制ChronoFlex配方，以提供成功开发小直径血管假体所需的物理和机械性能。
六、处理方法-血管移植物
我们的专利工艺涉及我们所说的“低温浇注凝固”。在该系统中，我们将聚合物溶液轻轻地挤出到芯轴的光滑表面上。芯轴和挤出头同步旋转，最大限度地减少剪切应力和残余应力，同时将一对2.5米长的芯轴通过双挤出头拉入保持在40°C的凝结剂中。
芯轴旋转和横向速度、挤出头旋转速度和聚合物泵压力均由电子控制和协调，以使移植壁具有所需的结构和几何形状。
通过控制工艺条件，可以生产出具有广泛物理和机械特性的移植物；一个例子是非常多孔的移植物，允许细胞快速向内生长，这可能适用于静脉应用。
该聚合物溶液包含溶液级ChronoFlex、10-60％重量的水溶性填料和1-10％重量的表面活性剂。在分相凝固过程中，填料可防止结构坍塌，因为溶剂分散，填料溶解到凝固剂中，从而形成单层均匀的微孔结构，如图1所示。单层结构避免了分层和随后发生的危险，保持横截面并允许外科医生均匀、干净地切割移植物。
图1.S.E.M.ChronoFlexV.A.G.结构的横截面显微照片(50倍)，显示了单层结构。
孔隙度和渗透率受工艺条件控制。形成墙壁中间部分的开孔结构是作为产品设计的一部分创建的，以允许墙壁压缩。事实证明，这种独特的技术可以经济高效地生产产品，这些产品符合我们严格的设计规范，远远超过合成血管移植物的国际标准。
七、品质管控
我们采用内部检查和独立外部测试相结合的方式。测试按照适当的标准进行；我们目前正在遵循欧洲标准草案和修订后的A.A.M.I.标准，它更接近于作为标准发布，然后不幸的是已经准备了几年的其他三个草案血管移植标准中的任何一个。
01.品质控制检验
表面特性：内部和直接照明
内径：校准锥度规
长度：校准规则
壁厚：用校准的恒力计在两端的四个点测量
同心度：由壁厚数据计算得出
孔隙率：通过重量法计算
02.批量检测
由外部实验室对每个生产批次进行
物理：纵向和径向抗拉强度、渗透性和缝合保持力
残留物：评估工艺条件
微生物学:Bio-Burden
热原：EP/USP热原性测试
八、血管通路移植物-CHRONOFLEX
与外周移植物一样——血管通路移植物需要特殊的设计特征；它们用于要求苛刻的应用中，患者依靠它们进行常规的维持生命的透析。
血管通路移植物应该是：
生物稳定且生物相容
如果需要，可用于早期穿刺
技术上易于植入和穿刺，无需特殊准备或技术
自密封可最大限度地减少穿刺部位出血并防止血肿形成
能够随着时间的推移保持机械强度与穿刺抗扭结和抗压
人们普遍认为，在植入后十二个月时，e.PTFE仅占60%。血管通路移植物将保持通畅，并且60%的移植物将至少进行一次大修以恢复或保持通畅。
然而，E.PT.F.E.仍然是目前二级血管通路的选择，尽管它存在两个限制性的主要缺点，即术后愈合时间，建议穿刺前3到4周，以及透析针后达到止血的时间退出五到二十分钟。
ChronoFlex血管通路移植物可以克服Teflon在二级血管通路中的基本缺点，因为它不依赖组织侵入来进行穿刺部位的愈合（图2）。ChronoFlex的固有弹性赋予了“自我密封”的能力，从而最大限度地减少穿刺部位的失血，如果需要，可以更早地进行透析，从而提高血液透析的质量和便利性（图3）。
通过螺旋或单独的环进行外部加固以防止扭结增强了e.PT.F.E.的使用。作为前臂植入物的环状移植物。PolyGraft设计了ChronoFlexV.A.G的环形版本。半径为15毫米的环形是通过额外的加工步骤永久形成的。这消除了外部加固的需要，外部加固可以侵蚀覆盖的皮肤，也可以限制血栓切除术的进入。
移植物的材料、弹性和单层结构相结合，可消除缝合孔出血，最大限度地减少穿刺部位失血，保持圆形横截面，增强抗扭结和抗扭性，使移植物切割均匀。
通过体内研究，我们计划证明自密封通路移植物将降低与血液透析通路相关的总体并发症发生率，对其维护产生积极的经济影响，并提高透析患者的生活质量。
图2.ChronoFlex血管通路移植物笔直和预成环示意图。
图3.S.E.M.穿刺部位外表面的显微照片（20倍）。
CHRONOFLEX血管通路移植的规范。
一般安全测试
九、自密封
为了初步评估材料的自密封特性，我们使用了一个工作在mmHg压力下的人工回路，循环水温度为37°C。用16g透析针刺穿移植物，然后拔出针头。拔针后立即对穿刺部位进行拍照（图4）。由于泄漏量很小，我们没有尝试测量水的损失。
每平方厘米的穿刺次数：
模拟使用月份：
径向抗拉强度（平均N/mm）：2....81
证明在模拟透析使用18个月后保留的强度仍然大于产品释放规范。径向抗拉强度的实际降低为15%。
图4.穿刺部位渗漏评估试验示意图：(a)原位透析针；(b)拔出透析针。
十、实验性植入物-血管通路
为了评估初始生物反应，我们将四个5毫米ID移植物植入两只狗作为颈动脉介入移植物。植入物被预期分配在六周时进行外植，并且没有显示出意外事件。所有移植物在外植体都是专利的。光学显微镜显示（图5）在移植物的吻合区域内衬有发育良好的新内膜，没有明显的管腔缩小。周围的包膜由组织巨噬细胞和异物型巨细胞组成。
图5.ChronoFlex移植物在吻合区冠状面切片的光学显微照片(x)，在颈动脉介入移植后6周取出。有一个从相邻动脉延伸到移植物的形成良好的新内膜。尽管直径不匹配（ChronoFlex5毫米LD.，犬颈动脉3毫米），吻合区域内没有管腔缩小，这表明较大移植物的细胞基质发生了结构重塑。
为了评估短期通畅性，我们将5mmIDChronoFlex移植物植入两只成年比格犬体内。每只动物都接受了双侧主动脉-股动脉搭桥术，髂动脉被绑住。每月通过颜色编码的Duplex检查监测通畅性。一只动物的两个移植物在24周时仍保持专利状态，而在另一只动物中，由于近端吻合口狭窄，两个移植物分别在18周和16周失败。
另外两只动物接受了双侧颈动脉介入移植物；其中两个移植物在22周时保持专利状态，另外两个在15周时保持专利状态。
十一、符合动脉假体的设计
传统上，血管移植物来自技术转让，主要采用具有工业应用的材料并制造管子，凭借材料特性，该管子具有旁路移植物所需的一些特性。除了材料特性之外，设计在移植物开发中的重要性并不高。
JamesC.Stanley描述的血管移植物的理想特性是：生物相容性、非血栓形成、物理耐用、隐静脉的弹性特性、抗感染性和技术上易于植入。
血管假体应该模仿天然动脉的特征也是合乎逻辑的。毕竟，我们正在生产一种动脉替代物，从物理和机械的角度来看，它应该成为整个心血管系统的一部分，而不是孤立地发挥作用。
顺应性被许多人视为将假体与动脉树匹配的重要属性，并且可能是改善小直径移植物临床性能的重要贡献者，特别是在低流量情况下，例如膝下动脉旁路。获得长期顺应性一直是一个难以实现的目标，因为大多数移植物依赖于整体外部扩张，而这会被血管周围向内生长迅速阻止，从而导致顺应性丧失。
设计方法是制造一种假体，除其他特点外，该假体将在体内保持顺应性和脉动流动，从而实现能量传输和更好的流动质量。这是通过一种壁压缩机制来实现的，该机制可以适应体积的增加，而无需外部扩张（图6）。
图6.独特的操作方式图示，通过壁压缩实现管腔扩张，无需外部扩张。
我们通过由密苏里州Dynatek实验室提供的校准的、高度准确的正位移机制在一系列ChronoFlex移植物中评估了动态顺应性，压力偏移为80mmHg至mmHg，循环速率为每分钟七十二下。2.75-10.5%径向顺应性的结果表明我们有能力通过控制加工条件和ChronoFlex配方来改变顺应性（图7和8）。这将使我们能够定制生产具有特定位置的人造血管。
图7.不同ChronoFlex移植物的%径向顺应性与压力偏移的图表。
图8.不同ChronoFlex移植物的半径与压力图表。
通过对径向顺应性为6%的植入ChronoFlex移植物的双重随访，我们能够证明原位顺应性和脉动流动（图9）。扫描显示一个月后ChronoFlex移植物的中部有脉动流动-op(DogAorta-Fem)，验证能够维持脉动的设计特征。
图9.DuplexScanDog主动脉-股骨旁路30天。
通过使用数字减影血管造影术测量血流和顺应性的新技术，Seifalian等人证实，ChronoFlex移植物比e.PT.F.E.更顺应，e.PT.F.E.是目前用于下肢动脉旁路的较小直径血管移植物的选择。
临床上成功的小直径血管假体将在诸如远端和冠状动脉搭桥等要求苛刻的应用中提供更接近隐静脉的结果，这将来自技术的组合。虽然合规性将是我们开发计划中的一个非常重要的特征，但我们也在调查和评估其他提高性能的潜在方法；例如，将血小板抑制药物结合在内表面提供药理支持，利用先进的表面分析和工程技术提供适合内皮细胞附着的表面，解决锥形移植物与扭结和抗压性相结合的问题。
十二、结论
我们已经介绍了我们用于制造自密封血管通路移植物的方法和材料，并详细介绍了我们开发用于下肢动脉和冠状动脉旁路的小直径顺应性血管假体的计划的细节。我们预计，经过验证的技术、产品设计和第二代聚碳酸酯生物耐用型聚氨酯ChronoFlex的使用相结合，将导致临床上成功的顺应性聚氨酯血管移植物成为可用
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