CN104146755A - 一种自增强薄壁微型球囊及其制备方法 - Google Patents

一种自增强薄壁微型球囊及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自增强薄壁微型球囊及其制备方法。本发明的球囊，由热塑性弹性体制成，长度为12mm-22mm，外径为8mm-12mm，球囊的环向强度与轴向强度之比为1-2。将热塑性弹性体管坯通过加热扩胀棒进行多次轴向环向扩胀后得到双轴扩胀取向管材；将球囊模具置于双轴扩胀取向管材内腔，加热后牵引管材两端向外侧拉伸，得到球囊管；将球囊管套入不锈钢气管，送入气体并加热使球囊管膨胀，冷却定型后得到球囊。本发明的方法，巧妙利用热塑性弹性体的软硬嵌段结构，经多次双轴扩胀取向使聚合物沿受力方向进行有序的取向排列，硬段相形成次晶或结晶结构，增加了物理交联数量，实现管材环向自增强，大大增强了制备的球囊的抗撕裂强度。

Description

一种自增强薄壁微型球囊及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物医用材料领域，涉及球囊及其制备方法，特别是一种用于椎体后凸成形术等微创手术中，通过工作通道恢复椎体高度、形成骨水泥灌注腔的配套器械，即可提供一种可在压缩性骨折中形成空腔的高韧性、薄壁椎体扩胀球囊及其制备方法。
背景技术
椎体骨折是临床上的常见病，多因骨折疏松、外伤等原因引起。椎体压缩性骨折会导致患者剧烈疼痛，出现神经功能障碍。经皮椎体成形术是近年来随着微创外科手术的发展而产生的用于骨质疏松性椎体骨折的微创介入治疗技术，如图1所示，经皮及椎弓根先将可膨胀球囊置入椎体，扩胀可膨胀球囊，挤压受损椎体，使塌陷椎体复位，并在塌陷椎体内制造一个安全有效空间，收瘪球囊退出并低压下注入骨水泥，骨水泥固化，恢复椎体高度和强度，消除疼痛，修复椎体。
经皮椎体成形术的关键在于微型、薄壁球囊的制备，需要球囊在骨刺环境中承受300psi以上的高压力，球囊在实际使用中环向强度不能低于轴向强度；同时要求球囊变形受限，椎体球囊在膨胀过程中，不能像气球那样一直胀大直至壁薄强度下降而破裂，在达到预定尺寸后尺寸稳定、压力增加，不再无限膨胀避免导致薄壁破裂。椎体球囊与导管的接口内径仅为2mm左右，球囊在膨胀过程中可达到外径2cm，这就要求球囊本身在管径变化的情况下要求轴心线(接口管的轴心和扩胀后球囊轴心)一致。
因此除了要选择合适的弹性材料外，加工技术非常关键。但迄今为止，关于椎体后凸成形术所用的可膨胀球囊的文献报道，大多是描述球囊材料、球囊和导管各部件的关系以及球囊导管的使用，鲜有文献公开过球囊的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自增强薄壁微型球囊及其制备方法。
本发明的第一方面，提供一种用于经皮椎体成形术的球囊，所述球囊由热塑性弹性体制成，扩胀定型后的球囊长度为12mm-22mm，扩胀定型后的球囊最大外径为8mm-12mm，且所述球囊的环向强度与轴向强度之比为1-2。
在另一优选例中，所述热塑性弹性体为热塑性聚氨酯弹性体TPU。
在另一优选例中，所述球囊的壁厚为0.15mm-0.25mm，膨胀后壁厚为0.001mm-0.003mm。
在另一优选例中，所述球囊膨胀至非膨胀态的130％-150％后膨胀受限，即膨胀状态的球囊长度为：15mm-33mm,膨胀状态的球囊最大外径为：10.4mm-18mm。
本发明的第二方面，提供第一方面所述的球囊的制备方法，所述方法包括以下步骤:
(a)提供热塑性弹性体管材，所述管材的长度为8cm-20cm，所述管材的外径为2.8mm-3.4mm，所述管材的壁厚为0.4mm-0.8mm；
(b)所述管材经进行2-5次轴向环向扩胀得到双轴扩胀取向管材；
(c)将球囊模具置于步骤(b)得到的所述双轴扩胀取向管材的内腔，加热后将管材的两端向外侧拉伸，得到球囊管；
(d)将步骤(c)得到的球囊管套入不锈钢气管，送入气体并加热使球囊管膨胀，冷却定型后得到所述球囊的成品。
在另一优选例中，所述热塑性弹性体管材为热塑性聚氨酯弹性体橡胶TPU管材，所述管材的环向强度与轴向强度之比0.4-0.8。
在另一优选例中，所述轴向环向扩胀是采用以下的步骤实现：
牵引所述管材的两端轴向拉伸管材进行轴向扩胀，同时将80℃-120℃的扩胀棒旋转伸入所述管材的内腔对所述管材进行环向扩胀，冷却后得到双轴扩胀取向管材，用于进行下一次轴向环向扩胀或者进行步骤(c)；
其中所述扩胀棒包括圆柱型的棒体和位于所述棒体一端的锥形体，所述棒体和所述锥形体是一体成型的。
在另一优选例中，所述锥形体的锥角角度为30-60°。
在另一优选例中，所述轴向环向扩胀时冷却温度为5℃-35℃。
在另一优选例中，所述轴向环向扩胀时先加热所述管材，再牵引所述管材的两端，所述加热温度为80-120℃。
在另一优选例中，所述轴向环向扩胀时，管材两端的牵引速度差为0.8m/min-1.6m/min。
在另一优选例中，所述轴向环向扩胀时，管材一端的牵引速度为2-5m/min，另一端的牵引速度为1.5m/min-4m/min。
在另一优选例中，所述扩胀棒的棒体的外径与待其扩胀的管材的内径之比为1-3，较佳地为1.2-2.5。
在另一优选例中，所述步骤(b)得到的双轴扩胀取向管材的内径为8.8mm-10.8mm，外径为9.0mm-11.0mm。
在另一优选例中，所述步骤(c)中，加热温度为80℃-110℃，所述球囊管的长度是所述双轴扩胀取向管材长度的120％-150％。
在另一优选例中，所述步骤(d)具有以下一个或多个特征：
(1)所述气体为空气、氮气、氩气；
(2)加热温度为80℃-120℃；
(3)冷却温度为5℃-35℃。
本发明的制备方法，巧妙利用热塑性聚氨酯弹性体的软-硬嵌段结构，经多次双向扩胀取向使聚合物沿受力方向进行有序的取向排列，聚氨酯的硬段相形成次晶或结晶结构，增加了物理交联的数量，实现管材环向自增强，得到的球囊的环向强度与轴向强度之比为1-2，大大增强了制备的球囊的抗撕裂强度。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1为经皮椎体后凸成形术的工作原理图。
图2为球囊成品示意图。
图3为双轴取向示意图。
图4为球囊制备过程示意图，其中(A)为模具塑形；(B)为热吹塑定型。
具体实施方式
本申请的发明人经过广泛而深入地研究，首次研发出一种新型的球囊及其制备方法。选取热塑性弹性体管材，巧妙利用热塑性聚氨酯弹性体的软-硬嵌段结构，通过锥形扩胀棒的旋转伸入形成的环向剪切力场，使聚合物分子链沿环向取向，多次双向扩胀取向使聚合物沿受力方向进行有序的取向排列，聚氨酯的硬段相形成次晶或结晶结构，增加了物理交联的数量，旋转的环向剪切和轴向拉伸的复合应力场，实现管材环向自增强，大大增强了制备的球囊的抗撕裂强度。在此基础上，完成了本发明。
球囊
如图2所示，本发明的球囊，包括：球囊囊体1，第一导管部2和第二导管部3，其中，所述第一导管部2和所述第二导管部3分别位于所述球囊囊体1的两端。
在另一优选例中，所述第一导管部2的内径为1.5mm-2mm，外径为2.5 mm-3mm，所述第二导管部3的内径为2.5mm-3mm，外径为2.8mm-3.5mm。
在另一优选例中，所述第一导管部2的内径为1.8mm，外径为2.6mm。
在另一优选例中，所述第二导管部3的内径为2.6mm，外径为3.0mm。
本发明的球囊由热塑性弹性体制成，扩胀定型后的球囊长度为12mm-22mm，扩胀定型后的球囊最大外径为8mm-12mm，且所述球囊的环向强度与轴向强度之比为1-2。在另一优选例中，所述热塑性弹性体为热塑性聚氨酯弹性体TPU。
所述球囊的壁厚为0.15mm-0.25mm，膨胀后壁厚为0.001mm-0.003mm。
本发明的球囊，膨胀至非膨胀态的130％-150％后膨胀受限，即膨胀状态的球囊长度为：15mm-33mm,膨胀状态的球囊最大外径为：10.4mm-18mm。
制备方法
本发明根据椎体微创治疗对可膨胀球囊的特殊要求，巧妙利用热塑性聚氨酯弹性体的软-硬嵌段结构，首次研发出分级扩胀结合模具塑形和热吹塑定型的制备球囊的方法。
本发明的制备方法，包括以下步骤：热塑性弹性体管坯经多级扩胀得到自增强的扩胀管；自增强扩胀管经球囊模具塑形得到球囊管；球囊管经同轴反向拉伸得到自增强球囊。
具体为选用聚氨酯热塑性弹性体管材(也称为管坯)，对管材进行2-5次轴向环向扩胀。以对管材进行2次轴向环向扩胀为例，描述轴向环向扩胀的方法。将管材10任选地加热到高弹态，对管材10进行牵引，两端牵引速度不同，牵引速度差轴向拉伸管坯10进行轴向扩胀，如图2所示，同时将加热的扩胀棒15旋转伸入高弹态管坯10内腔进行环向扩胀，I级双轴取向结束后冷却后定径取出，得到第I级双轴扩胀取向管材20。将第I级双轴扩胀取向管材20任选地加热到高弹态，对管材20进行牵引，两端牵引速度不同，牵引速度差轴向拉伸管坯进行轴向扩胀，同时将另一加热的扩胀棒25旋转伸入高弹态第I级双轴扩胀取向管材20内腔进行环向扩胀，II级双轴取向结束后冷却后定径，得到第II级双轴扩胀取向管材30。同理可进行III级、IV级或更多级双轴取向。
将得到的双轴扩胀取向管材加热，如图4中(A)所示，将球囊模具6伸入加热到高弹态的双轴扩胀取向管材内，将管材两端向外拉伸，冷却定型，得到自增强球囊7。如图4中(B)所示，将自增强球囊7套入不锈钢气管，送入气体并加热使球囊膨胀，冷却定型后得到自增强球囊成品。本发明可以采用现有技术中已知的各种球囊模具，没有特别的限制。
本发明的扩胀棒15(25)，如图3所示，包括圆柱型的棒体4(4’)和位于所述棒体一端的锥形体5(5’)，所述棒体4(4’)和所述锥形体5(5’)是一体成型的。本发明的扩胀棒，可由金属制成，如铜、不锈钢等。扩胀棒的棒体的外径与待其扩胀的管材的内径之比为1-3。
本发明提到的上述特征，或实施例提到的特征可以任意组合。本案说明书所揭示的所有特征可与任何组合物形式并用，说明书中所揭示的各个特征，可以被任何提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明，所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。
本发明的有益之处在于：本发明巧妙利用热塑性聚氨酯弹性体的软-硬嵌段结构，通过锥形扩胀棒的旋转伸入形成的环向剪切力场，使聚合物分子链沿环向取向，多次双向扩胀取向使聚合物沿受力方向进行有序的取向排列，聚氨酯的硬段相形成次晶或结晶结构，增加了物理交联的数量，旋转的环向剪切和轴向拉伸的复合应力场，实现管材环向自增强，大大增强了制备的球囊的抗撕裂强度。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件如Sambrook等人，分子克隆：实验室手册(New York:Cold Spring Harbor Laboratory Press,1989)中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1
截取φ3.2mm×0.6mm的热塑性聚氨酯原管100mm。将锥角为30°、锥长20mm、外径5mm、长200mm的铜质一级锥形扩胀棒加热至100℃。牵引原管的两端，前牵引速度为4m/min,后牵引速度为3m/min，将待扩胀原管牵引入旋转的一级扩胀棒并扩胀原管，将扩胀棒和原管一起放入5℃水浴冷却，退出一级扩胀棒，得到I级扩胀管。
将锥角为45°、锥长20mm、外径8mm、长200mm的铜质二级锥形扩胀棒加热至100℃。牵引I级扩胀管的两端，前牵引速度为3m/min,后牵引速度为2.2m/min，将I级扩胀管牵引入旋转的二级扩胀棒并扩胀I级扩胀管，将扩胀棒和扩胀管一起放入35℃水浴冷却，退出扩胀棒，得到II级扩胀管。
将锥角为45°、锥长20mm、外径10mm、长200mm的铜质三级扩胀棒加热至100℃。牵引II级扩胀管的两端，前牵引速度为4m/min,后牵引速度为3m/min，将II级扩胀管牵引入旋转的三级扩胀棒并扩胀II级扩胀管，将扩胀棒和扩胀管一起放入20℃水浴冷却，退出扩胀棒，得到III级扩胀管。
将球囊模具置入III级扩胀管内，将模具和扩胀管一起放入80℃热浴中加热20s，用夹具固定并夹紧扩胀管两端向外侧拉伸直至扩胀管端口直径分别缩至2.6mm、3mm，退出球囊模具，得到球囊管；将自增强球囊管套入不锈钢气管，送入120Psi氮气并加热至80℃使球囊膨胀，于20℃冷却得到自增强球囊成品。
自增强球囊成品：长度为15mm，外径为10mm，壁厚为0.2mm(膨胀后壁厚为0.003mm)，环向强度为400Psi，轴向强度为300Psi。
实施例2
截取φ3.0mm×0.5mm的热塑性聚氨酯原管150mm。将锥角为40°、锥长20mm、外径4mm、长200mm的铜质一级锥形扩胀棒加热至100℃。牵引原管的两端，前牵引速度为4.6m/min,后牵引速度为3.5m/min，将待扩胀原管牵引入旋转的一级扩胀棒并扩胀原管，将扩胀棒和原管一起放入20℃水浴冷却，退出一级扩胀棒，得到I级扩胀管。
将锥角为55°、锥长20mm、外径6mm、长200mm的铜质二级锥形扩胀棒加热至110℃。牵引I级扩胀管的两端，前牵引速度为3m/min,后牵引速度为1.6m/min，将I级扩胀管牵引入旋转的二级扩胀棒并扩胀I级扩胀管，将扩胀棒和扩胀管一起放入35℃水浴冷却，退出扩胀棒，得到II级扩胀管。
将锥角为45°、锥长20mm、外径8mm、长200mm的铜质三级扩胀棒加热至90℃。牵引II级扩胀管的两端，前牵引速度为4m/min,后牵引速度为3m/min，将II级扩胀管牵引入旋转的三级扩胀棒并扩胀II级扩胀管，将扩胀棒和扩胀管一起放入10℃水浴冷却，退出扩胀棒，得到III级扩胀管。
将锥角为50°、锥长20mm、外径11mm、长200mm的铜质四级扩胀棒加热至90℃。牵引III级扩胀管的两端，前牵引速度为3.5m/min,后牵引速度为2m/min，将III级扩胀管牵引入旋转的四级扩胀棒并扩胀III级扩胀管，将扩胀棒和扩胀管一起放入20℃水浴冷却，退出扩胀棒，得到IV级扩胀管。
将球囊模具置入IV级扩胀管内，将模具和扩胀管一起放入100℃热浴中加热15s，用夹具固定并夹紧扩胀管两端向外侧拉伸直至扩胀管端口直径分别缩至2.8mm、3.2mm，退出球囊模具，得到球囊管；将自增强球囊管套入不锈钢气管，送入100Psi氩气并加热至100℃使球囊膨胀，于10℃冷却得到自增强球囊成品。
自增强球囊成品：长度为22mm，外径为15mm，壁厚为0.16mm(膨胀后壁厚为0.002mm)，环向强度为450Psi，轴向强度为310Psi。
实施例3
本实施例的步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，在各步骤牵引前，对原管、I级扩胀管和II级扩胀管进行加热，加热温度分别为115℃、100℃和85℃。
得到的球囊成品的环向强度为420Psi，轴向强度为305Psi。
对比例1
截取φ10mm×0.2mm的热塑性聚氨酯原管50mm，将球囊模具置入原管内，将模具和原管一起放入80℃热浴中加热20s，用夹具固定并夹紧扩胀管两端向外侧拉伸直至扩胀管端口直径分别缩至2.6mm、3mm，退出球囊模具，得到球囊管；将球囊套入不锈钢气管，送入110Psi气体并加热至80℃使球囊膨胀，于20℃冷却得到球囊成品。
长度为20mm，壁厚为0.18mm(膨胀后壁厚为0.003mm)，环向强度为130Psi，轴向强度为200Psi。
综上，采用本发明的方法，可以实现管材环向自增强，得到的球囊的环向强度与轴向强度之比为1-2，从而可增强球囊的抗撕裂强度，提高其耐用性。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种用于经皮椎体成形术的球囊，其特征在于，所述球囊由热塑性弹性体制成，扩胀定型后的球囊长度为12mm-22mm，扩胀定型后的球囊最大外径为8mm-12mm，且所述球囊的环向强度与轴向强度之比为1-2。
2.如权利要求1所述的球囊，其特征在于，所述球囊的壁厚为0.15mm-0.25mm，膨胀后壁厚为0.001mm-0.003mm。
3.如权利要求1或2所述的球囊的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
(a)提供热塑性弹性体管材，所述管材的长度为8cm-20cm，所述管材的外径为2.8mm-3.4mm，所述管材的壁厚为0.4mm-0.8mm；
(b)所述管材经进行2-5次轴向环向扩胀得到双轴扩胀取向管材；
(c)将球囊模具置于步骤(b)得到的所述双轴扩胀取向管材的内腔，加热后将管材的两端向外侧拉伸，得到球囊管；
(d)将步骤(c)得到的球囊管套入不锈钢气管，送入气体并加热使球囊管膨胀，冷却定型后得到所述球囊的成品。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述热塑性弹性体管材为热塑性聚氨酯弹性体TPU管材，所述管材的环向强度与轴向强度之比0.4-0.8。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述轴向环向扩胀是采用以下的步骤实现：
牵引所述管材的两端轴向拉伸管材进行轴向扩胀，同时将80℃-120℃的扩胀棒旋转伸入所述管材的内腔对所述管材进行环向扩胀，冷却后得到双轴扩胀取向管材，用于进行下一次轴向环向扩胀或者进行步骤(c)；
其中所述扩胀棒包括圆柱型的棒体和位于所述棒体一端的锥形体，所述棒体和所述锥形体是一体成型的。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述轴向环向扩胀时冷却温度为5℃-35℃。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述轴向环向扩胀时，管材两端的牵引速度差为0.8m/min-1.6m/min。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述扩胀棒的棒体的外径与待其扩胀的管材的内径之比为1-3。
9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(c)中，加热温度为80℃-110℃，所述球囊管的长度是所述双轴扩胀取向管材长度的120％-150％。
10.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(d)具有以下一个或多个特征：
(1)所述气体为空气、氮气、氩气；
(2)加热温度为80℃-120℃；
(3)冷却温度为5℃-35℃。
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