基于可降解TMC/GA共聚物的三层梯度降解输尿管支架的体外性能研究

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：The in vitro degradation of a novel gradient-degradable ureteral stent based on copolymers of TMC and GA

本文报道了一种新型三层梯度可降解输尿管支架PTGGDG，其由TMC（碳酸三亚甲基酯）与GA（乙交酯）共聚物P(TMC-co-GA)（PTG）通过多层浸渍技术制备而成。研究系统探讨了不同比例下支架的分子化学结构与其宏观性能的关系，证实该支架在人工尿液（AU）和酶解环境（AP）中均能实现可控降解，其“外快内慢”的梯度设计有效延长了功能支撑时间并避免了结构突然失效，为优化可降解输尿管支架的材料与结构完整性提供了新见解。

　　

引言

上尿路梗阻性疾病，如结石、狭窄、肿瘤压迫和术后水肿等，可导致尿路阻塞并增加肾积水的风险。因此，输尿管支架被广泛用于确保充分引流和保护肾功能。然而，传统的不可降解输尿管支架通常需要进行二次取出，并存在形成结石、感染和膀胱刺激等并发症的风险。这些挑战凸显了研发可降解输尿管支架这一替代方案的必要性。理想的降解支架需兼具生物相容性、足够的支撑强度以及可控的降解速率。

当前用于制造输尿管支架的合成聚合物材料，如聚乳酸（PLA）、聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）和聚(L-丙交酯-co-ε-己内酯)（PLCL），仍存在不足。例如，PLA韧性有限；PLGA的玻璃化转变温度（T_g）超过37°C，可能导致体内膀胱刺激，且其高弹性模量可能增加膀胱破裂的风险。聚乙醇酸（PGA）模量高、亲水性强，在水中或体内降解迅速，但这可能导致结构不稳定、形成酸性降解产物等问题，限制了其在可降解输尿管支架中的应用。

碳酸三亚甲基酯（TMC）因其优异的生物相容性以及在增韧脆性材料方面的潜力而受到广泛关注。由TMC衍生的聚碳酸三亚甲基酯（PTMC）具有独特的降解行为，例如抵抗非酶水解、降解不产生酸性副产物，以及以表面侵蚀为主的降解机制，这些特性使其在可降解输尿管支架中具有良好前景。然而，PTMC容易发生蠕变，可能导致支架移位。为了增强形状稳定性并降低移位风险，需要引入具有高模量特性的GA来增强支架的机械支撑。这种组合能确保材料的韧性和刚度，同时结合TMC的表面侵蚀降解特性和GA的快速降解特性，使支架能在尿液环境中逐步降解以满足临床需求，并在整个降解过程中保持管腔通畅。此外，TMC降解不产生酸性副产物的特性有助于维持泌尿微环境的稳定。因此，GA和TMC的共聚被认为是调控P(TMC-co-GA)（PTG）性能的可行方法。

除了材料组成，制造工艺也是决定支架性能的关键因素。单材料或单层结构通常难以同时满足“早期稳定支撑”和“后续安全降解”的双重要求。例如，Uriprene?输尿管支架因快速碎裂导致暂时性梗阻而在临床应用中受到限制。为了解决这一问题，本研究提出采用多层浸渍策略开发具有三层设计的输尿管支架，旨在实现外层快速降解、内层保持足够机械性能以防止降解过程中突然塌陷的结构，从而避免大块碎片形成导致输尿管堵塞和肾积水。

实验部分

本研究以不同摩尔比（TMC:GA = 60:40, 50:50, 40:60）的TMC和GA单体为原料，以辛酸亚锡（Sn(Oct)₂）为催化剂，通过开环共聚合成了PTG共聚物，分别命名为PTG6040、PTG5050和PTG4060。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振氢谱（¹H NMR）对共聚物结构进行了表征，并通过凝胶渗透色谱（GPC）、差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）、静态水接触角测量、扫描电子显微镜（SEM）和拉伸性能测试等手段系统评估了其热性能、亲疏水性、微观形貌和机械性能。

采用多层浸渍技术制备了梯度可降解输尿管支架（PTGGDG）。具体而言，将不同比例的PTG溶解在六氟异丙醇（HFIP）中，使用聚四氟乙烯（PTFE）管作为浸渍模具，依次浸入PTG6040、PTG5050和PTG4060溶液各9次，形成从内到外的三层梯度结构，随后在标准大气条件下使溶剂充分挥发。

支架的体外降解行为分别在人工尿液（AU）和米曲霉脂肪酶-磷酸盐缓冲液（AP）中进行评估。定期取样监测质量损失、吸水率、pH值变化，并通过SEM观察表面形貌变化，利用GPC和DSC分析分子量、分子量分布及玻璃化转变温度（T_g）的变化。

结果与讨论

PTG的合成与结构表征

通过¹H NMR和FT-IR分析证实成功合成了预期结构的PTG随机共聚物，其实际组成与初始投料比基本一致。GPC分析显示，随着TMC含量增加，PTG分子量呈下降趋势，这主要归因于高TMC含量样品中单体的不完全转化。

PTG的性能

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  亲疏水性：水接触角测量表明，随着GA含量增加，共聚物的亲水性增强。PTG4060的接触角为70.2°±0.5°，而PTG6040降至47.8°±0.5°。
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  热性能：TGA结果显示，TMC含量从40 mol%增加到60 mol%使PTG的起始分解温度从326.7°C提高到340.7°C，表明更高的TMC含量增强了共聚物的热稳定性。DSC测定的T_g随GA含量增加而升高，PTG6040、PTG5050和PTG4060的T_g分别为-1.10°C、12.65°C和18.10°C，均低于生理温度，表明材料具有良好的体内应用柔韧性。
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  机械性能：随着GA含量增加，PTG的拉伸强度从PTG6040的14.49 MPa提高到PTG4060的49.62 MPa，但断裂应变从106%下降到44%，表明高TMC含量赋予材料更好的柔韧性。通过多层浸渍技术制备的梯度降解支架（PTGGDG）展现出34.69 MPa的拉伸强度和53%的应变，不仅满足商用输尿管支架（20-40 MPa）的初始机械强度要求，也有助于降低患者不适风险。

体外降解行为

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  在人工尿液（AU）中的水解降解：
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    宏观形态与质量损失：在AU中，支架的降解速率主要由GA比例决定。PTG4060降解最快，在第4周完全碎裂；PTG5050在第5周碎裂；PTG6040和PTGGDG则能保持结构完整性至第6周。PTGGDG在42天时质量损失达55.96%±1.70%，其外层PTG4060优先发生水解降解，中间的PTG5050层起到缓冲作用，内层PTG6040降解最慢，确保了管腔通畅和降解碎片随尿液排出，这种“外快内慢”的设计能有效防止碎片堵塞。
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    吸水率与pH值：所有PTG支架的吸水率随时间增加，GA含量高的样品吸水率更高。在整个降解过程中，支架环境pH值维持在5.5-6.0之间，处于正常尿液pH生理范围，虽然GA水解会产生酸性产物，但不太可能引起显著酸中毒或组织刺激。
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    微观形貌：SEM观察显示，随着降解时间延长，PTG4060和PTGGDG样品表面逐渐粗糙并出现裂纹。至第3周，GA含量越高的样品表面腐蚀越明显。有趣的是，PTG6040表面出现了结石结晶迹象，而PTGGDG组则因外层降解而未观察到明显结壳，表明其多层结构能有效降低结石形成风险。
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    分子量与T_g变化：在AU中，PTG支架的分子量在前14天急剧下降，而质量损失在此阶段相对较小，符合聚酯材料的内在降解模式。分子量分布系数（?_M）在降解过程中呈上升趋势，这是由于低分子量降解产物在溶解前的积累所致。随着PGA链段优先降解，共聚物的T_g在降解过程中逐渐降低。
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  在脂肪酶溶液（AP）中的酶促降解：
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    质量损失与降解动力学：在AP中，降解主要由TMC驱动的酶促表面侵蚀主导。质量损失程度与TMC链段含量正相关。PTG6040在10天时质量损失达66.12%±1.60%，而PTG4060同期仅损失8.64%±1.33%。计算得到的降解速率常数k显示，随着TMC含量增加（从PTG4060到PTG6040），降解速率显著加快，且降解过程符合一级动力学方程。
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    宏观形态与微观形貌：PTG6040在10天时完全碎裂，PTGGDG和PTG5050在13天时完全碎裂，而PTG4060在13天时未完全碎裂。SEM显示，在AP中仅1天，PTG6040和PTGGDG表面就变得粗糙；第4天出现裂纹；第7天裂纹和凹坑显著增多。TMC含量越高，表面腐蚀越严重。
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    分子量与T_g变化：在AP中，PTG支架的分子量在6天内急剧下降。分子量分布系数（?_M）缓慢增加，表明存在表面侵蚀和不完全的内在降解共存机制。T_g在降解初期（前4天）因TMC链段优先降解而上升，随后因GA在PBS中发生水解降解以及小分子降解产物的增塑作用而下降。

局限性与展望

本研究基于浸渍技术制备PTG输尿管支架，因浸渍时间误差可能导致支架厚度存在微小差异，进而影响降解周期。此外，制备中使用的溶剂HFIP对人体有毒，尽管支架中的HFIP已充分挥发，但仍无法完全避免残留，因此需要进行生物相容性实验评估支架安全性。PTGGDG支架在体内的降解周期及其功能梯度降解特性也有待验证，未来将继续开展相关的体外和动物实验。

PTGGDG输尿管支架的三层结构有助于降低表面钙化风险并增强整体结构稳定性，其梯度分层特性也为载药提供了明显优势。未来可根据临床需要，在中层负载不同的抗肿瘤、抗菌或抗狭窄药物，用于治疗输尿管肿瘤、抑制支架表面生物膜形成和预防输尿管狭窄。同时，三层结构能在一定程度上防止药物突释，实现更可控的释放过程。未来将开展抗菌药物负载研究，以进一步验证该支架的抗突释效果和抗生物膜性能。总之，通过浸渍技术制备的三层结构梯度可降解PTGGDG输尿管支架展现出显著的应用潜力和良好的临床转化前景。

结论

本研究针对临床不可降解输尿管支架需二次取出以及易引发感染、结石形成和刺激等并发症的挑战，提出了一种利用TMC和GA调控力学性能和降解行为的新策略。通过Sn(Oct)₂催化开环共聚合成了PTG6040、PTG5050和PTG4060，并采用多层浸渍技术开发了三层梯度支架（PTGGDG），实现了从外层PTG4060到内层PTG6040的“外快内慢”降解结构。结构表征证实所得PTG为无规共聚物。热分析表明所有样品的T_g均低于生理温度，支持体内顺应性。梯度支架展现出34.69 MPa的拉伸强度和53%的应变，满足了支撑与柔顺性的双重临床需求。体外降解研究表明，在AU中，降解主要由GA驱动的水解主导，降解速率随GA浓度增加而加快；PTGGDG支架通过渐进式降解提供延长支撑，降低了突然塌陷和大颗粒堵塞的风险，整体降解时间约42天，且pH维持在正常人体尿液范围（5.5–6.0）。而在AP中，降解则主要为TMC驱动的酶促表面侵蚀，降解速率随TMC含量增加而加快，降解周期约为13天。总体而言，TMC/GA梯度设计为在保持管腔通畅的同时实现可控、温和的降解提供了一种有前景的解决方案，为可降解输尿管支架的材料与结构优化开辟了新途径。