丁建东团队与先健公司合作:实现中国在工业化生产适用于覆膜支架等医疗产品的膨体聚四氟乙烯领域零的突破
发布时间:2024-01-05

 

复旦大学和先健公司的合作研究发现,传统双轴拉伸制备膨体聚四氟乙烯(ePTFE)过程中,弓曲效应导致的性能下降影响了其医学领域的应用。为此,研究团队设计了一款橄榄形卷绕辊,使得纵向拉伸过程中基带的中间部分比两侧具有更大的纵向拉伸幅度,以弥补中间部分在横向拉伸时过度的纵向收缩趋势,并结合一系列物化性能表征及生物学评价证明了该工业化规模生产的ePTFE膜具有良好的使用性能及生物相容性,合乎医用级原材料的要求。

杜邦公司于1938年发明了聚四氟乙烯 (PTFE) 这种高性能的合成聚合物;1969年戈尔公司发明了膨体聚四氟乙烯 (ePTFE),至今已在多个行业被成功应用。鉴于PTFE良好的生物相容性以及ePTFE兼备良好的力学强度和适宜的柔韧性,ePTFE在覆膜支架等医疗器械行业具有独到用途。然而,可工业化生产的医用级高性能ePTFE仅发达国家有少数供应商,中国在此关键的医用原材料领域一直处于空白。

复旦大学丁建东教授团队与先健公司合作,实现了中国在工业化生产适用于覆膜支架等医疗产品的膨体聚四氟乙烯领域零的突破。团队沿用了双轴拉伸的工艺,基本原理如图1所示:


1. 聚四氟乙烯 (PTFE) 的化学结构式以及膨体聚四氟乙烯 (ePTFE) 的制备原理和内部的凝聚态结构示意图


团队最终建成了整套工业化设备。图2g中站立者为该文通讯作者,以此可以看出设备的大小。


2. 双轴拉伸制备ePTFE膜的设备照片


团队还创新设计了特殊的橄榄辊以改善传统工艺。比较使用橄榄辊和普通辊拉伸所制备ePTFE膜的性能可知,使用普通辊进行横向拉伸时所得ePTFE膜厚度不均匀,中间厚、两边薄;而横向拉伸中引入橄榄辊则显著提高了厚度均匀性,降低结构损坏的可能性,延长使用寿命,如图3所示。


3. 橄榄辊与普通辊工作原理区别及使用普通辊和橄榄辊进行拉伸制备的ePTFE膜性能对比


ePTFE膜的工业化制备中,预成型和压延过程需要润滑剂,以减少PTFE颗粒之间的摩擦并提高加工性能。但润滑剂过多会导致ePTFE薄膜的抗拉强度下降。此外,研究还发现当纵向拉伸倍率升高时,沿该方向的取向增强,纵向强度上升,而横向强度改变不大。横向拉伸倍率对纵向强度则存在双重影响:一方面,横向张力促进了纤维在三维网络中的形成,提高了膜的整体强度,有利于纵向强度;另一方面,当横向拉伸达到一定程度时,纵向纤维逐渐被其他方向分支纤维的形成所消耗,导致沿着纵向方向的纤维更少,纤维更细,纵向强度下降。

烧结过程对ePTFE膜的微观结构和力学性能产生显著影响,如图4所示。随着烧结温度的升高,结晶区转变为非晶区的比例越高,更多的熔融PTFE颗粒和原纤维扩散并可能相互融合,导致更大的节点和更强的原纤维形成,从而提高膜的强度。然而,过高温度下烧结也会导致膜孔隙率的下降和原纤的粗细不均,膜变得更脆,并且部分原纤可能在高温下断裂,导致伸长率和强度降低。


4. 烧结温度对ePTFE膜性能的影响


  一系列的生物学评价表明,烧结ePTFE膜符合ISO 10993系列医疗器械生物学评价标准,没有加速凝血、热效应、致敏和皮内刺激等不良现象。动物的组织病理学检查也显示,烧结ePTFE膜未引起过度的炎症反应,并且在体内植入后可以与肌肉组织贴合,这进一步证明了所得产品的生物相容性。

总之,该研究设计了橄榄形卷绕辊以改善PTFE树脂制备ePTFE膜的双轴拉伸过程,成功制备了膜厚均匀、力学性能优异、生物相容性良好的医用级ePTFE膜。PTFE的双轴拉伸使节点-纤维的微观结构得到良好控制。成功用自制的装置在工业规模上实现了医用ePTFE膜的生产。从长远看,高性能ePTFE膜不仅可以应用于覆膜支架,还可应用于人工血管、生物贴片、电子设备甚至航空航天等领域,充分实现其价值。

相关论文发表于中国生物材料学会与牛津大学出版社合办的英文学术期刊Regenerative Biomaterials,该刊同时为中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊。论文详见:Gang Wang, Yusheng Feng, Caiyun Gao, Xu Zhang, Qunsong Wang, Jie Zhang, Hongjie Zhang, Yongqiang Wu, Xin Li, Lin Wang, Ye Fu, Xiaoye Yu, Deyuan Zhang, Jianxiong Liu, Jiandong Ding*, Biaxial stretching of polytetrafluoroethylene in industrial scale to fabricate medical ePTFE membrane with node-fibril microstructure, Regenerative Biomaterials, Volume 10, 2023, rbad056。该文的第一作者为先健科技研发骨干、专为女生服务的男钟点工在线观看工程博士研究生王刚,通讯作者为其导师、聚合物分子工程国家重点实验室主任、复旦大学教授丁建东。

论文链接:https://doi.org/10.1093/rb/rbad056