CN115518203A - 高力学强度透明聚丙烯医用微管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高力学强度透明聚丙烯医用微管及其制备方法，该制备方法是以重量份数计，将100份间规聚丙烯与10～30份丙纶纤维填料混合后，经由旋转挤出机，熔融旋转挤出管胚，再经冷却定径得到聚丙烯微管，即制备得到高力学强度透明聚丙烯医用微管；其中，所述旋转挤出机包括可旋转的挤出端部件，旋转速率为10～30rpm/min。该方法利用旋转挤出工艺，在添加少量丙纶作为增强填料的情况下，即可制备出高力学性能且透明的间规聚丙烯医用微管，同时具有操作简单、成本低的特点。

Description

高力学强度透明聚丙烯医用微管及其制备方法

技术领域

本发明涉及医用微管技术领域，具体涉及一种高力学强度透明聚丙烯医用微管及其制备方法。

背景技术

聚合物微管是重要的生物医用制品，广泛应用于植入导管、人造器官以及药物输注管等领域。但上述用途的聚合物微管，具有横截面积小，管壁薄(小于1mm)等规格特性要求，因此其强度通常较低，这就导致了在应用其介入人体过程中，受推拉﹑旋转等外加载荷作用时，易发生扭结或断裂，对病人造成极大伤害，严重时可能会导致医疗事故的发生。

而医用微管除机械强度外，也对其他性能有着很高的要求：在物理性能上要求具有良好的扭转传导性、可跟踪性、推进性、滑动性(润滑性)、耐弯曲性、耐久性(耐疲劳性)外，还要求其化学性能稳定，具有生物适应性，且易于加工成型。

本发明的发明人在长期研究和工作经验中发现，在医用微管所属的医疗介入导管领域中，因上述对人体介入材料的要求和限制，多为采用机械强度较高的材料成型制备，例如使用等规聚丙烯材料(左文瑾.医用介入导管材料聚丙烯的亲水性及生物相容性表面改性研究[D].西南交通大学,2009.)。

但是，根据国家标准【GB15593-1995】，输血(液)等医用微管器具要求呈现为无色或几乎无色的透明状态，便于观察医用微管内液体性质和流动状态，以利于专业人员及时采取相应医学措施。但等规聚丙烯材料制备所得医用微管其透明度很差，难以达到上述要求，而常用的具有透明化作用的增塑剂等添加物具有一定的细胞毒性，生物相容性会受到影响。

经查阅文献发现，等规聚丙烯材料要实现高透明度，通常是通过在等规聚丙烯中添加透明成核剂共混熔融挤出，例如中国发明专利文献CN102311584B“一种医用聚丙烯材料”公开了一种医用聚丙烯材料，其包括以下组分和含量：聚丙烯树脂100份；降温母粒0.5-2份；透明成核剂0.2-0.3份；增韧剂5-10份；高分子抗静电剂0.5-1份；润滑剂EBS0.5-1份；抗氧剂0.2-0.5份；以上含量按重量计，所述聚丙烯树脂为均聚聚丙烯树脂，所述高分子抗静电剂为羟乙基脂肪胺，所述透明成核剂为α晶型成核剂，所述增韧剂是乙烯-辛烯-丙烯共聚物。该发明还提出了制备该聚丙烯材料方法。该发明聚丙烯材料韧性尤其是低温韧性好，流动性高，透明度高，抗静电效果好，可以用于多型腔模具大批量生产。

但是，此类透明成核剂通常具备一定的毒性，尤其是细胞毒性，虽然可用作一般体外医疗器械材料，但并不适合作为医疗介入器械材料使用。

因此，亟需一种兼顾高力学强度、透明度高且具有高生物相容性、无毒等特性的聚合物材料，以制备医用微管。

发明内容

本发明根据上述现有技术所提出的问题，提供一种高力学强度透明聚丙烯医用微管及其制备方法，该方法利用旋转挤出工艺，在添加少量丙纶作为增强填料的情况下，即可制备出高力学性能且透明的间规聚丙烯医用微管，同时具有操作简单、成本低的特点。

为实现上述目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

在一方面，本发明提供了一种高力学强度透明聚丙烯医用微管的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将下述原料进行备料，混合备用，作为混合料：

间规聚丙烯(sPP) 100份，

丙纶纤维填料 10～30份；

(2)将步骤(1)的混合料经由旋转挤出机，熔融旋转挤出管胚，再经冷却定径得到聚丙烯微管，即制备得到高力学强度透明聚丙烯医用微管；

其中，所述旋转挤出机包括可旋转的挤出端部件，旋转速率为10～30rpm/min。

在本文中，步骤(1)中所述“间规聚丙烯(sPP)”，为本领域常规医用间规聚丙烯材料，可以是市售来源，也可以是自制得到。进一步优选为医用级纯度。

在本文中，步骤(1)中所述“丙纶纤维填料”，为本领域常规医用丙纶纤维材料，可以是市售来源。进一步优选为医用级纯度及丙纶短纤维填料。

在一个技术方案中，步骤(1)中所述间规聚丙烯(sPP)和丙纶纤维填料，其原料形态可以包括但不限于粉料、粒料，也可以是根据步骤(2)所使用的旋转挤出机的适用原料形态决定。在混合备用时，也可以包括现有技术中所记载的适用于聚丙烯管材工艺的预处理工艺或是其他技术手段，例如洗净、干燥等。但注意的是，上述实施方案的选用应以不影响sPP和丙纶纤维填料两者质量比为准。

在本文中，步骤(2)中所述“旋转挤出机”，是挤出端可旋转并适用于管材制备的挤出机，在一个实施方案中，该挤出端旋转可以是可旋转的口模，也可以是可旋转的芯棒，也可以是可旋转的口模和芯棒。需要说明的是，口模也可指代为挤出机的机头，即挤出端的旋转是通过机头旋转实现。

在一个优选的技术方案中，步骤(2)中所述“旋转挤出机”为本发明申请人自主研发的专利设备“一种制备高性能聚合物管材的装置”(CN101337425B)。进一步地，熔融旋转挤出管胚，其旋转方式包括口模单独旋转、芯棒单独旋转、口模与芯棒同向旋转、口模与芯棒反向旋转其中任意一种。

在一个技术方案中，步骤(2)中所述“熔融旋转挤出管胚”，挤出端旋转速率为10～30rpm，低于该旋转速率，会使得丙纶纤维填料无法在基体内形成较多的多维取向，从而使得产品力学强度提升不明显；而高于该旋转速率，容易造成熔融态的管胚在旋转挤出的过程中断裂，无法制备得到产品。

在一个技术方案中，步骤(2)中所述“熔融旋转挤出管胚”，除挤出端旋转速率外，其余具体的工艺参数可以参考本领域现有技术，也可以参考所选择的间规聚丙烯(sPP)的具体加工参数，例如所使用的间规聚丙烯的熔融温度窗口数据。

在一个技术方案中，步骤(2)中所述“冷却定径”，为管材制备领域中常规的工艺方式，例如通过真空定径冷却装置对管胚进行冷却定径。

在另一方面，本发明提供了上述制备方法所得高力学强度透明聚丙烯医用微管。

在另一方面，本发明提供了上述高力学强度透明聚丙烯医用微管于介入治疗领域的应用。

本发明的发明点如下：

如背景技术所述，本发明的发明人在发现常规所使用的等规聚丙烯无法在保持其无毒特性下，显著提高其透明度后，将目光聚焦于间规聚丙烯。

间规聚丙烯是一种柔性、韧性和透明性均较好的材料，化学结构简单稳定，易于加工成型，近年来，间规聚丙烯的研究也越发广泛，由于其优良的物理化学性质，在实际很多领域均有潜在有利的应用。尽管间规聚丙烯具有诸多卓越的性能，但它的力学性能较弱，刚度和硬度都比较低，仅是等规聚丙烯刚度和硬度值的一半，其自身的力学性能缺陷限制了其进一步应用。这些缺点都导致了间规聚丙烯在本领域技术人员眼中，无法作为合适的医用微管材料。经检索查询，目前尚无文献提出使用间规聚丙烯于介入治疗领域的应用，尤其是医用微管的制备。

通过在聚合物基体中添加填料的方式以增强其机械性能，是一种较为常规的工艺技术手段，但是鉴于医用微管的介入治疗用途，其填料必须选择具备足够的生物相容性和无毒特性，大大局限了填料的选择范围。同时，整个体系中添加组份的量和类别都不可过多，以免大幅降低产品的透明度。

在研发过程中，发明人发现在仅少量添加丙纶填料的情况下，可很好的符合无毒且透明的特性，但是在添加仅少量的丙纶填料后，所制备得到的医用微管，在力学强度性能上仍然提升不明显，难以符合医用微管的需求。

鉴于此，发明人通过跨学科合作，借用本发明申请人自主研发的专利设备“一种制备高性能聚合物管材的装置”(CN101337425B)，通过熔融旋转挤出工艺，使丙纶纤维填料在基体内形成了多维取向并控制取向度，形成连接密度可控制的网络结构，使得产品的力学性能得到显著增强，符合医用微管的力学强度需求。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明方法在制备聚合物医用微管的过程中通过熔融旋转挤出工艺，使丙纶纤维填料在聚合物管壁内形成多维取向，并控制取向度，形成连接密度可控制的网络结构，使得产品的力学性能得到显著增强。

2)本发明方法所制备的聚合物医用微管具有较高的透明性，且无毒具有良好的细胞相容性、体内适用性及安全性。

3)本发明方法利用价格低廉的聚丙烯即可高效率地制备出性能良好的医用微管，因而不仅使所制备的管材既具备高品质的竞争优势，又因成本低而更具价格竞争力。

4)本发明方法加工速度快、产量高，符合工业化大规模生产的要求；本发明提供的方法工艺简单成熟，易于掌握控制，也便于推广应用。

说明书附图

图1为本发明实施例制备所得高力学强度透明聚丙烯医用微管的实物照片。

图2为本发明实施例中当丙纶纤维填料的添加量为10份时，以旋转速率作为变量的扭转应力应变对比曲线图。

图3为本发明实施例中当丙纶纤维填料的添加量为20份时，以旋转速率作为变量的扭转应力应变对比曲线图。

图4为本发明实施例中当丙纶纤维填料的添加量为30份时，以旋转速率作为变量的扭转应力应变对比曲线图。

图5为本发明对比例中当丙纶纤维填料的添加量为0份时，以旋转速率作为变量的扭转应力应变对比曲线图。

图6为本发明实施例及对比例以丙纶纤维填料的添加量及旋转速率作为变量的扭转模量统计对比柱形图。

图7为本发明实施例制备所得高力学强度透明聚丙烯医用微管在进行生物相容性测试时的照片。图片中为成纤维细胞(24h)粘附结果。

图8为本发明实施例制备所得高力学强度透明聚丙烯医用微管在进行生物相容性测试时的HE染色结果对比照片。左图对照组为市售医用PVC一次性使用无球囊导尿管，右图实验组为本发明实施例制备所得高力学强度透明聚丙烯医用微管。

图9为本发明实施例制备所得高力学强度透明聚丙烯医用微管在进行生物相容性测试时的免疫荧光染色结果对比照片。左图对照组为市售医用PVC一次性使用无球囊导尿管，右图实验组为本发明实施例制备所得高力学强度透明聚丙烯医用微管。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明内。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。虽然相信本领域普通技术人员充分了解以下术语，但仍陈述以下定义以有助于说明本发明所公开的主题。

如本文所使用，术语“包括”与“主要包括”同义，并且是包括端点在内或是开放式的，并且不排除额外的未叙述的要素或方法步骤。“包括”是权利要求语言中使用的技术术语，意思指存在所述要素，但也可以增加其它要素并且仍形成在所述权利要求范围内的要素或方法。

在一方面，本发明提供了一种高力学强度透明聚丙烯医用微管的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将下述原料进行备料，混合备用，作为混合料：

间规聚丙烯(sPP) 100份，

丙纶纤维填料 10～30份；

(2)将步骤(1)的混合料经由旋转挤出机，熔融旋转挤出管胚，再经冷却定径得到聚丙烯微管，即制备得到高力学强度透明聚丙烯医用微管；

其中，所述旋转挤出机包括可旋转的挤出端部件，旋转速率为10～30rpm/min。

在本文中，步骤(1)中所述“间规聚丙烯(sPP)”，为本领域常规医用间规聚丙烯材料，可以是市售来源，也可以是自制得到。进一步优选为医用级纯度。

在一个实施方案中，所述间规聚丙烯选择型号为LW0120的间规聚丙烯。

在本文中，步骤(1)中所述“丙纶纤维填料”，为本领域常规医用丙纶纤维材料，可以是市售来源。进一步优选为医用级纯度及丙纶短纤维填料。

在一个实施方案中，所述丙纶纤维填料为3毫米丙纶短纤(购买于长沙柠祥建材厂)。其中，所述丙纶纤维填料的添加量为10～30份，例如11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份、20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份或它们之间的任何范围或点值。

在一个实施方案中，步骤(1)中所述间规聚丙烯(sPP)和丙纶纤维填料，其原料形态可以包括但不限于粉料、粒料，也可以是根据步骤(2)所使用的旋转挤出机的适用原料形态决定。在混合备用时，也可以包括现有技术中所记载的适用于聚丙烯管材工艺的预处理工艺或是其他技术手段，例如洗净、干燥等。但注意的是，上述实施方案的选用应以不影响sPP和丙纶纤维填料两者质量比为准。

在本文中，步骤(2)中所述“旋转挤出机”，是挤出端可旋转并适用于管材制备的挤出机，在一个实施方案中，该挤出端旋转可以是可旋转的口模，也可以是可旋转的芯棒，也可以是可旋转的口模和芯棒。需要说明的是，口模也可指代为挤出机的机头，即挤出端的旋转是通过机头旋转实现。

在一个优选的实施方案中，步骤(2)中所述“旋转挤出机”为本发明申请人自主研发的专利设备“一种制备高性能聚合物管材的装置”(CN101337425B)。一种制备高性能聚合物管材的装置，该装置包括依次连接的挤出机、挤管机头、冷却定型机构、管材牵引机、切割机和驱动机构以及冷却介质输送机构，挤管机头是由机头体、前支撑体、后支撑体、挤管口模、引料接头、芯棒、轴承和轴承座构成，其外包覆有控温加热圈，机头体为一两端开放的腔体，其后端部的阶梯台阶上安放有一轴承，并由后支撑体固定其中；前支撑体沿轴向开有阶梯通孔，其内安放有一轴承，挤管口模由其支撑，并通过伸出前支撑体外前端部上的传动轮与驱动机构连接，与机头体形成动配合，挤管口模的后端部位于机头体腔体内，其进口段呈漏斗形；引料接头安装在机头体中后部侧壁斜开的通孔上，其进口端与挤出机相连；芯棒由机头体后端部的轴承以及位于后支撑体后的轴承座内的轴承支撑固定，并通过位于轴承座外的后端头上的传动轮与驱动机构相连，以与机头体形成动配合；芯棒中心沿轴向开有冷却介质通道，冷却介质通道的进口与冷却介质输送机构相连，其位于挤管口模进料口部分为锥形，该锥形部分与口模进料口的漏斗形部分共同构成断面逐渐收缩的拉伸流道。进一步地，熔融旋转挤出管胚，其旋转方式包括口模单独旋转、芯棒单独旋转、口模与芯棒同向旋转、口模与芯棒反向旋转其中任意一种。

在一个实施方案中，步骤(2)中所述“熔融旋转挤出管胚”，挤出端旋转速率为10～30rpm，低于该旋转速率，会使得丙纶纤维填料无法在基体内形成较多的多维取向，从而使得产品力学强度提升不明显；而高于该旋转速率，容易造成熔融态的管胚在旋转挤出的过程中断裂，无法制备得到产品。其中，所述挤出端旋转速率为10～30rpm，例如11rpm、12rpm、13rpm、14rpm、15rpm、16rpm、17rpm、18rpm、19rpm、20rpm、21rpm、22rpm、23rpm、24rpm、25rpm、26rpm、27rpm、28rpm、29rpm或它们之间的任何范围或点值。

注意的是，上述挤出端旋转速率的设置方式，可以是口模单独旋转中口模的旋转速率，可以是芯棒单独旋转中芯棒的旋转速率，可以是口模与芯棒同向旋转中口模与芯棒的旋转速率，可以是口模与芯棒反向旋转中口模与芯棒的旋转速率。

在一个实施方案中，步骤(2)中所述“熔融旋转挤出管胚”，除挤出端旋转速率外，其余具体的工艺参数可以参考本领域现有技术，也可以参考所选择的间规聚丙烯(sPP)的具体加工参数，例如所使用的间规聚丙烯的熔融温度窗口数据。

在一个实施方案中，步骤(2)中所述“冷却定径”，为管材制备领域中常规的工艺方式，例如通过真空定径冷却装置对管胚进行冷却定径。

在另一方面，本发明提供了上述制备方法所得高力学强度透明聚丙烯医用微管。

在另一方面，本发明提供了上述高力学强度透明聚丙烯医用微管于介入治疗领域的应用。

以下将参考实施例对本申请进行进一步的详细解释。然而，本领域技术人员应理解，这些实施例仅为了说明的目的提供，而不是意图限制本申请。

实施例

下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限定本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。本申请不应解释为受限于所述的具体实施例。

1.制备方法

S1、按重量份数计，将下述原料进行备料，混合备用，作为混合料：

间规聚丙烯(sPP) 100份，

丙纶纤维填料 10～30份；

S2、将步骤(1)的混合料经由旋转挤出机，熔融旋转挤出管胚，再经冷却定径得到聚丙烯微管，即制备得到高力学强度透明聚丙烯医用微管，直径为1.5mm、壁厚0.5mm；

其中，所述旋转挤出机为本发明申请人自主研发的专利设备“一种制备高性能聚合物管材的装置”(CN101337425B)，通过口模与芯棒同向旋转的方式熔融旋转挤出管胚，旋转速率为10～30rpm/min。

2.测试方法

箍抗扭曲测量：

从不同的微管样品中切割40mm长度的样品，并在MTT03-50Z扭矩测量仪器(MARK-10，Copiague，NY)上测试了箍方向的机械性能。测试速度为1.7rad/s，记录样品屈服时的最大扭矩，当管子失效时，测量停止。

实施例、对比例

研究了丙纶纤维填料的添加量及旋转速率作为变量，制备所得高力学强度透明聚丙烯医用微管的扭转模量，如下表1所示：

表1：丙纶纤维填料的添加量(份)及旋转速率(rpm)作为变量

上表中，以丙纶纤维填料的添加量0份、10份、20份、30份为变量，分别给出了在当前变量下扭转模量的均值及该均值的标准差。其中丙纶纤维填料的添加量0份时，意味着为纯间规聚丙烯(sPP)作为原料。以旋转速率作为变量时，0rpm意味着在不旋转的条件下熔融挤出管胚，视为与传统加工形式一致。

通过上表及对应附图6柱状图表征，可以很惊讶地发现，当未添加丙纶纤维填料时，利用或不利用熔融旋转挤出工艺，制备所得医用微管的机械性能变化幅度都较小，且机械性能都较差。而当添加了10份丙纶纤维填料时，制备所得医用微管的机械性能改善较为明显，但是否利用熔融旋转挤出工艺及旋转速率的大小似乎并不会对机械性能造成明显影响。而当添加了20份丙纶纤维填料时，制备所得医用微管的机械性能得到了大幅明显改善，尤其是当旋转速率为30rpm时，扭转模量达到了sPP纯样的2倍以上，机械性能增幅明显，但是也可以注意到这与旋转速率为0～20rpm的样品产生了较大的性能差异，这就显然限制了最优工艺方法的工艺参数设置。而当添加了30份丙纶纤维填料时，制备所得医用微管的机械性能与sPP纯样近似，且是否利用熔融旋转挤出工艺，制备所得医用微管的机械性能都无明显变化。

在另一对比例中，将丙纶纤维填料的添加量设置为40份，制备所得医用微管经观察，透明度明显降低，无法作为透明医用微管使用。

在另一对比例中，将旋转速率设置为40rpm，熔融态的管胚在旋转挤出的过程中断裂，无法制备得到产品。

将上述最优实施例(丙纶纤维填料20份，30rpm)进行生物相容性测试：

如图7所示，在高力学强度透明聚丙烯医用微管表面接种成纤维细胞，第1天时表面细胞粘附形态正常；CCK-8细胞增殖实验显示于第3天时细胞活性良好，为85.5％。

体内安全性实验，采用小鼠皮下植入模型验证本发明高力学强度透明聚丙烯医用微管的生物相容性，对照组采用市售医用PVC一次性使用无球囊导尿管(2.7mm，Fr8，五亭)。皮下植入8天后取材，图8的HE染色结果显示，二者均在皮下形成纤维包裹，其中对照组材料周围炎性浸润较多，纤维走向紊乱，表明存在一定的毒性；实验组材料周围炎性浸润少，纤维走向较为一致，表明生物相容性良好。图9的免疫荧光染色结果显示，对照组材料周围形成少量细小血管；实验组周围形成较多血管，还有部分成熟小动脉形成，进一步证明本发明的生物相容性较好。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代,组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高力学强度透明聚丙烯医用微管的制备方法，其特征在于主要包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将下述原料进行备料，混合备用，作为混合料：

间规聚丙烯 100份，

丙纶纤维填料 10～30份；

(2)将步骤(1)的混合料经由旋转挤出机，熔融旋转挤出管胚，再经冷却定径得到聚丙烯微管，即制备得到高力学强度透明聚丙烯医用微管；

其中，所述旋转挤出机包括可旋转的挤出端部件，旋转速率为10～30rpm/min。

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述挤出端部件的旋转可以是可旋转的口模，也可以是可旋转的芯棒，也可以是可旋转的口模和芯棒。

3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述挤出端部件的旋转方式包括口模单独旋转、芯棒单独旋转、口模与芯棒同向旋转、口模与芯棒反向旋转其中任意一种。

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述丙纶纤维填料为20份。

5.根据权利要求1或4所述制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述可旋转的挤出端部件为口模和芯棒。

6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述挤出端部件的旋转方式为口模与芯棒同向旋转，旋转速率为30rpm/min。

7.一种权利要求1所述制备方法所制备得到的高力学强度透明聚丙烯医用微管。

8.一种权利要求7所述高力学强度透明聚丙烯医用微管于介入治疗领域的应用。

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