引用本文： 劉戈, 王黔, 楊慶華, 張玲, 董維瑋, 劉瑩, 郭蕊, 韓景健. 聚氨酯彈性體和 Medpor 作為人工耳支架材料的力學研究. 中國修復重建外科雜志, 2019, 33(4): 492-496. doi: 10.7507/1002-1892.201807004 復制
人工耳支架材料常因力學性能不達標而造成支架外露等并發癥[1]。因此，良好的人工耳支架材料關鍵之一就是其力學性能接近正常耳廓軟骨。對人工耳支架進行力學分析，并以正常耳廓軟骨作為對照標準，可以更好地評價人工耳支架的力學性能。高密度聚乙烯材料 Medpor 和聚氨酯彈性體是臨床常用的兩種植入支架材料，Medpor 耳支架已在臨床有大量應用[2]；而聚氨酯也被證明長期植入體內與組織相容性極佳，且已被廣泛應用于臨床的合成高分子材料，如人工氣管、心臟瓣膜、藥物緩釋載體等[3-4]；在組織工程及修復重建領域，聚氨酯也作為支架材料被廣泛使用和研究[5-7]。本研究通過測量人耳廓軟骨的生物力學性能，并與這兩種材料的力學性能比較，為選擇合適的人工耳支架材料提供理論基礎。
1 材料與方法
1.1 研究對象
人耳廓軟骨由中國醫學科學院整形外科醫院整形七科提供，供者為 6 歲左右學齡前（外耳再造最佳年齡）耳廓畸形（如招風耳、杯狀耳）兒童。手術前與供者家屬簽署知情同意書，取耳畸形術中獲得的多余耳廓軟骨組織備用。
聚氨酯彈性體由中國醫學科學院基礎醫學研究所生物醫學工程系許海燕教授課題組制備，由聚碳酸酯二醇和苯基甲烷二異氰酸酯合成。材料孔徑為 150～220 μm，孔隙率為 77.69%±3.14%。高密度聚乙烯材料由中國醫學科院整形外科醫院提供，來自用于臨床的 Medpor 假體。
1.2 試驗分組及樣本制作
將實驗材料分為 3 組，分別是人耳廓軟骨組（A 組）、聚氨酯彈性體組（B 組）和 Medpor 組（C 組），每組 6 個樣本，壓縮試驗和拉伸試驗各 3 個樣本。壓縮試驗樣本制作：將各組樣本制成長、寬約 4 mm，厚度約 2 mm；拉伸試驗樣本制作：將各組樣本制作成啞鈴型，長度約 15 mm，中間寬度約 2 mm。
1.3 測試方法
所有試驗均在 Instron5967 力學試驗機（Instron 公司，美國）上進行。試驗過程保持常溫（20～25℃），且利用加濕器保持 45%～70% 的房間濕度。試驗中用林格液間斷浸濕樣本以保持濕潤。壓縮試驗樣本厚度為試驗開始時游標卡尺測量試驗機抗壓盤間距而得；拉伸試驗樣本長度為試驗開始時游標卡尺測量試驗機兩夾具間距離而得。所得各樣本參數輸入 Bluehill3.22 測試軟件（Instron 公司，美國）使用。測試中 Instron5967 力學試驗機自動記錄傳感器載荷和位移。
1.3.1 壓縮試驗
采用 500 N 傳感器，將各組樣本置于壓縮盤中央位置，以 3 mm/min 速度均勻壓縮，直至樣本屈服。壓縮試驗需注意的是，樣本的上下平面應與加載裝置面保持平行，避免應力集中于樣本的某個局部，從而減小了被測物的整體力學強度。檢測以下指標：屈服應力，屈服載荷，彈性模量[7]，屈服壓縮率，2 MPa 壓縮率及 10% 應變時的壓縮應力。
1.3.2 拉伸試驗
采用 500 N 傳感器，將各組樣本固定于 Instron 力學試驗機的上下夾頭間，夾具夾持樣本，使樣本縱軸與上、下夾具中心連線相重合，并要求松緊適宜，以防樣本滑脫或斷在夾具內；以 3 mm/min 速度均勻拉伸直到樣本斷裂；若樣本斷裂在中間凹陷部分之外時，此樣本作廢，另取樣本補做試驗。檢測以下指標：屈服應力，屈服載荷，彈性模量，屈服伸長率，2 MPa 伸長率及 1% 應變時的拉伸應力。
1.4 統計學方法
采用 Originpro9.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用 Bonferroni 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
2 結果
2.1 壓縮試驗
B 組聚氨酯彈性體材料全程未見明顯屈服點及線性段，壓縮彈性模量無法測得，改用 2 MPa 壓縮率及 10% 應變壓縮應力進行評價；A 組人耳廓軟骨與 C 組 Medpor 材料可見明顯屈服點。見圖 1。A、C 組屈服應力、屈服載荷比較差異無統計學意義（P>0.05）；但 C 組屈服壓縮率顯著低于 A 組，彈性模量顯著高于 A 組，差異均有統計學意義（P<0.05）。3 組 2 MPa 壓縮率組間比較差異均有統計學意義（P<0.05）；C 組 10% 應變壓縮應力顯著高于 A、B 組，差異有統計學意義（P<0.05），A、B 組間差異無統計學意義（P>0.05）。見表 1。
表1
各組樣本壓縮試驗參數值（n=3，
）
Table1.
Parameter values of compression test for each group of samples (n=3, 
)
圖1
各組材料壓縮屈服曲線
Figure1.
Compression yield curves of materials in each group
2.2 拉伸試驗
B 組聚氨酯彈性體材料具有極強的伸長性能，而 A 組人耳廓軟骨和 C 組 Medpor 材料則表現為在較小應變下即出現了樣本斷裂。見圖 2。A、B 組屈服應力顯著高于 C 組，彈性模量及 1% 應變拉伸應力顯著低于 C 組，差異有統計學意義（P<0.05）；A、B 組間差異無統計學意義（P>0.05）。3 組間屈服載荷比較差異均無統計學意義（P>0.05），屈服伸長率 3 組間比較差異均有統計學意義（P<0.05）。B 組 2 MPa 伸長率顯著高于 A、C 組，差異有統計學意義（P<0.05）；A、C 組間差異無統計學意義（P>0.05）。見表 2。
表2
各組樣本抗拉強度參數值（n=3，
）
Table2.
Parameter values of tensile test for each group of samples (n=3, 
)
圖2
各組材料抗拉強度曲線
Figure2.
Tensile strength curves of materials in each group
3 討論
軟骨組織作為生物黏彈性材料，其力學性能與組織結構密切相關。耳廓軟骨是彈性軟骨，由軟骨細胞及其分泌的細胞外基質構成，無血管、淋巴、神經等其他成分[8]。軟骨基質主要含水、糖胺多糖、膠原纖維和彈力纖維。軟骨對壓力負荷的反應牽涉到兩種不同機制[9]：細胞外基質固有的力學成分，以及滲透壓和舒張壓驅動水分在細胞外基質流動產生的阻力。軟骨的生物力學，尤其是關節軟骨的生物力學特性，中外學者已有諸多研究。然而作為彈性軟骨的耳軟骨，其力學特性目前研究并不多見，且已有的研究主要是進行了壓縮試驗的分析[10-11]。
高分子聚合物材料是已知材料中力學特點表現范圍最寬的，即擁有力學性質的多樣性，如彈性、剛性、脆性、韌性、黏性等。歸因于聚合物的長鏈分子結構和空間結構，以及對溫度和時間有強烈的信賴性，聚合物的力學特性可以從純黏性經黏彈性到純彈性，為應用提供了廣闊的選擇余地[12-13]。除了優異的力學性能，高分子聚合物還擁有杰出的穩定性、生物相容性以及便于塑形等特性，因此被廣泛用作支架材料應用于組織器官的修復重建等生命健康領域[3, 14-15]。
本研究選擇比較的 3 種材料分別歸屬生物材料和聚合物材料。通過對 3 種材料進行非限制性壓縮試驗和拉伸試驗[16]，得到若干力學指標，用以比較 Medpor 材料和聚氨酯彈性體材料在力學性能上與耳軟骨的差異。在非限制性壓縮試驗中，通過對各指標結果的分析可以得出，雖然 Medpor 材料屈服應力與人耳廓軟骨無顯著差異，但是其彈性模量顯著高于人耳廓軟骨，體現了本身優異的對抗壓縮變形的能力；屈服壓縮率結果也從另一個角度說明了 Medpor 材料的耐壓強度。這與眾多利用高密度聚乙烯支架行耳再造的臨床觀察結果相符[17]。然而 Medpor 常溫環境下質地較硬，如無充足的皮下組織筋膜瓣或肌肉瓣包裹支架，容易發生外露[18]。而聚氨酯彈性體材料與 Medpor 材料不同，通過 2 MPa 壓縮率可以看出，當 3 組材料面對相同應力時，聚氨酯彈性體材料發生的應變率最大，人耳廓軟骨次之，Medpor 材料最小，說明 3 種材料中聚氨酯彈性體材料硬度最小，彈性最大。這樣的力學特點雖然與耳軟骨的表現也完全不一致，但從耳廓形變的現實角度出發，聚氨酯彈性體支架比堅硬的 Medpor 支架更不容易造成壓力下支架表面包裹的皮膚軟組織破損。從 10% 應變壓縮應力結果可以更明顯地看出，聚氨酯彈性體材料的壓縮彈性性能與人耳廓軟骨最接近，對再造外耳的術后安全性更為有利。在拉伸試驗中，通過對各指標結果的分析可以得出，聚氨酯彈性體材料的力學性能相較 Medpor 材料優勢明顯。在屈服應力、彈性模量及 1% 應變拉伸應力方面，聚氨酯彈性體材料和人耳廓軟骨無顯著差異。在屈服伸長率及 2 MPa 伸長率方面，聚氨酯彈性體材料伸長率最大，Medpor 伸長率最小，說明聚氨酯彈性體材料拉伸性能最優，而 Medpor 幾乎不可拉伸。外耳廓的拉伸性能是其重要的生物力學特性，聚氨酯材料既能在高應力條件下表現出較大形變，又可以在低應變（1%）條件下保持與耳軟骨相似的拉伸性能，有利于維持其在生理條件下的彈性及強度，使得應用其再造的外耳廓彈性性能更加接近生理狀態的外耳。
我們通過非限制性壓縮試驗和拉伸試驗分析了人耳廓軟骨和兩種支架材料的力學性能，發現聚氨酯彈性體材料與 Medpor 相比，是一種在力學性能上更理想的耳廓人工支架。此外，兩種支架材料最終的使用方式是不同的，Medpor 支架是作為肋軟骨支架的替代品使用的，其覆蓋筋膜和皮膚植入人體后力學性能幾乎不再發生變化；而聚氨酯支架是可以作為組織工程支架使用的，在聚氨酯支架材料上形成的組織工程軟骨會重塑和補償支架的力學性能，使得單純支架的力學缺陷得到改善。
人工耳支架材料常因力學性能不達標而造成支架外露等并發癥[1]。因此，良好的人工耳支架材料關鍵之一就是其力學性能接近正常耳廓軟骨。對人工耳支架進行力學分析，并以正常耳廓軟骨作為對照標準，可以更好地評價人工耳支架的力學性能。高密度聚乙烯材料 Medpor 和聚氨酯彈性體是臨床常用的兩種植入支架材料，Medpor 耳支架已在臨床有大量應用[2]；而聚氨酯也被證明長期植入體內與組織相容性極佳，且已被廣泛應用于臨床的合成高分子材料，如人工氣管、心臟瓣膜、藥物緩釋載體等[3-4]；在組織工程及修復重建領域，聚氨酯也作為支架材料被廣泛使用和研究[5-7]。本研究通過測量人耳廓軟骨的生物力學性能，并與這兩種材料的力學性能比較，為選擇合適的人工耳支架材料提供理論基礎。
1 材料與方法
1.1 研究對象
人耳廓軟骨由中國醫學科學院整形外科醫院整形七科提供，供者為 6 歲左右學齡前（外耳再造最佳年齡）耳廓畸形（如招風耳、杯狀耳）兒童。手術前與供者家屬簽署知情同意書，取耳畸形術中獲得的多余耳廓軟骨組織備用。
聚氨酯彈性體由中國醫學科學院基礎醫學研究所生物醫學工程系許海燕教授課題組制備，由聚碳酸酯二醇和苯基甲烷二異氰酸酯合成。材料孔徑為 150～220 μm，孔隙率為 77.69%±3.14%。高密度聚乙烯材料由中國醫學科院整形外科醫院提供，來自用于臨床的 Medpor 假體。
1.2 試驗分組及樣本制作
將實驗材料分為 3 組，分別是人耳廓軟骨組（A 組）、聚氨酯彈性體組（B 組）和 Medpor 組（C 組），每組 6 個樣本，壓縮試驗和拉伸試驗各 3 個樣本。壓縮試驗樣本制作：將各組樣本制成長、寬約 4 mm，厚度約 2 mm；拉伸試驗樣本制作：將各組樣本制作成啞鈴型，長度約 15 mm，中間寬度約 2 mm。
1.3 測試方法
所有試驗均在 Instron5967 力學試驗機（Instron 公司，美國）上進行。試驗過程保持常溫（20～25℃），且利用加濕器保持 45%～70% 的房間濕度。試驗中用林格液間斷浸濕樣本以保持濕潤。壓縮試驗樣本厚度為試驗開始時游標卡尺測量試驗機抗壓盤間距而得；拉伸試驗樣本長度為試驗開始時游標卡尺測量試驗機兩夾具間距離而得。所得各樣本參數輸入 Bluehill3.22 測試軟件（Instron 公司，美國）使用。測試中 Instron5967 力學試驗機自動記錄傳感器載荷和位移。
1.3.1 壓縮試驗
采用 500 N 傳感器，將各組樣本置于壓縮盤中央位置，以 3 mm/min 速度均勻壓縮，直至樣本屈服。壓縮試驗需注意的是，樣本的上下平面應與加載裝置面保持平行，避免應力集中于樣本的某個局部，從而減小了被測物的整體力學強度。檢測以下指標：屈服應力，屈服載荷，彈性模量[7]，屈服壓縮率，2 MPa 壓縮率及 10% 應變時的壓縮應力。
1.3.2 拉伸試驗
采用 500 N 傳感器，將各組樣本固定于 Instron 力學試驗機的上下夾頭間，夾具夾持樣本，使樣本縱軸與上、下夾具中心連線相重合，并要求松緊適宜，以防樣本滑脫或斷在夾具內；以 3 mm/min 速度均勻拉伸直到樣本斷裂；若樣本斷裂在中間凹陷部分之外時，此樣本作廢，另取樣本補做試驗。檢測以下指標：屈服應力，屈服載荷，彈性模量，屈服伸長率，2 MPa 伸長率及 1% 應變時的拉伸應力。
1.4 統計學方法
采用 Originpro9.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用 Bonferroni 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
2 結果
2.1 壓縮試驗
B 組聚氨酯彈性體材料全程未見明顯屈服點及線性段，壓縮彈性模量無法測得，改用 2 MPa 壓縮率及 10% 應變壓縮應力進行評價；A 組人耳廓軟骨與 C 組 Medpor 材料可見明顯屈服點。見圖 1。A、C 組屈服應力、屈服載荷比較差異無統計學意義（P>0.05）；但 C 組屈服壓縮率顯著低于 A 組，彈性模量顯著高于 A 組，差異均有統計學意義（P<0.05）。3 組 2 MPa 壓縮率組間比較差異均有統計學意義（P<0.05）；C 組 10% 應變壓縮應力顯著高于 A、B 組，差異有統計學意義（P<0.05），A、B 組間差異無統計學意義（P>0.05）。見表 1。
表1
各組樣本壓縮試驗參數值（n=3，）
Table1.
Parameter values of compression test for each group of samples (n=3, )
圖1
各組材料壓縮屈服曲線
Figure1.
Compression yield curves of materials in each group
2.2 拉伸試驗
B 組聚氨酯彈性體材料具有極強的伸長性能，而 A 組人耳廓軟骨和 C 組 Medpor 材料則表現為在較小應變下即出現了樣本斷裂。見圖 2。A、B 組屈服應力顯著高于 C 組，彈性模量及 1% 應變拉伸應力顯著低于 C 組，差異有統計學意義（P<0.05）；A、B 組間差異無統計學意義（P>0.05）。3 組間屈服載荷比較差異均無統計學意義（P>0.05），屈服伸長率 3 組間比較差異均有統計學意義（P<0.05）。B 組 2 MPa 伸長率顯著高于 A、C 組，差異有統計學意義（P<0.05）；A、C 組間差異無統計學意義（P>0.05）。見表 2。
表2
各組樣本抗拉強度參數值（n=3，）
Table2.
Parameter values of tensile test for each group of samples (n=3, )
圖2
各組材料抗拉強度曲線
Figure2.
Tensile strength curves of materials in each group
3 討論
軟骨組織作為生物黏彈性材料，其力學性能與組織結構密切相關。耳廓軟骨是彈性軟骨，由軟骨細胞及其分泌的細胞外基質構成，無血管、淋巴、神經等其他成分[8]。軟骨基質主要含水、糖胺多糖、膠原纖維和彈力纖維。軟骨對壓力負荷的反應牽涉到兩種不同機制[9]：細胞外基質固有的力學成分，以及滲透壓和舒張壓驅動水分在細胞外基質流動產生的阻力。軟骨的生物力學，尤其是關節軟骨的生物力學特性，中外學者已有諸多研究。然而作為彈性軟骨的耳軟骨，其力學特性目前研究并不多見，且已有的研究主要是進行了壓縮試驗的分析[10-11]。
高分子聚合物材料是已知材料中力學特點表現范圍最寬的，即擁有力學性質的多樣性，如彈性、剛性、脆性、韌性、黏性等。歸因于聚合物的長鏈分子結構和空間結構，以及對溫度和時間有強烈的信賴性，聚合物的力學特性可以從純黏性經黏彈性到純彈性，為應用提供了廣闊的選擇余地[12-13]。除了優異的力學性能，高分子聚合物還擁有杰出的穩定性、生物相容性以及便于塑形等特性，因此被廣泛用作支架材料應用于組織器官的修復重建等生命健康領域[3, 14-15]。
本研究選擇比較的 3 種材料分別歸屬生物材料和聚合物材料。通過對 3 種材料進行非限制性壓縮試驗和拉伸試驗[16]，得到若干力學指標，用以比較 Medpor 材料和聚氨酯彈性體材料在力學性能上與耳軟骨的差異。在非限制性壓縮試驗中，通過對各指標結果的分析可以得出，雖然 Medpor 材料屈服應力與人耳廓軟骨無顯著差異，但是其彈性模量顯著高于人耳廓軟骨，體現了本身優異的對抗壓縮變形的能力；屈服壓縮率結果也從另一個角度說明了 Medpor 材料的耐壓強度。這與眾多利用高密度聚乙烯支架行耳再造的臨床觀察結果相符[17]。然而 Medpor 常溫環境下質地較硬，如無充足的皮下組織筋膜瓣或肌肉瓣包裹支架，容易發生外露[18]。而聚氨酯彈性體材料與 Medpor 材料不同，通過 2 MPa 壓縮率可以看出，當 3 組材料面對相同應力時，聚氨酯彈性體材料發生的應變率最大，人耳廓軟骨次之，Medpor 材料最小，說明 3 種材料中聚氨酯彈性體材料硬度最小，彈性最大。這樣的力學特點雖然與耳軟骨的表現也完全不一致，但從耳廓形變的現實角度出發，聚氨酯彈性體支架比堅硬的 Medpor 支架更不容易造成壓力下支架表面包裹的皮膚軟組織破損。從 10% 應變壓縮應力結果可以更明顯地看出，聚氨酯彈性體材料的壓縮彈性性能與人耳廓軟骨最接近，對再造外耳的術后安全性更為有利。在拉伸試驗中，通過對各指標結果的分析可以得出，聚氨酯彈性體材料的力學性能相較 Medpor 材料優勢明顯。在屈服應力、彈性模量及 1% 應變拉伸應力方面，聚氨酯彈性體材料和人耳廓軟骨無顯著差異。在屈服伸長率及 2 MPa 伸長率方面，聚氨酯彈性體材料伸長率最大，Medpor 伸長率最小，說明聚氨酯彈性體材料拉伸性能最優，而 Medpor 幾乎不可拉伸。外耳廓的拉伸性能是其重要的生物力學特性，聚氨酯材料既能在高應力條件下表現出較大形變，又可以在低應變（1%）條件下保持與耳軟骨相似的拉伸性能，有利于維持其在生理條件下的彈性及強度，使得應用其再造的外耳廓彈性性能更加接近生理狀態的外耳。
我們通過非限制性壓縮試驗和拉伸試驗分析了人耳廓軟骨和兩種支架材料的力學性能，發現聚氨酯彈性體材料與 Medpor 相比，是一種在力學性能上更理想的耳廓人工支架。此外，兩種支架材料最終的使用方式是不同的，Medpor 支架是作為肋軟骨支架的替代品使用的，其覆蓋筋膜和皮膚植入人體后力學性能幾乎不再發生變化；而聚氨酯支架是可以作為組織工程支架使用的，在聚氨酯支架材料上形成的組織工程軟骨會重塑和補償支架的力學性能，使得單純支架的力學缺陷得到改善。
