Regbio前沿 复旦大学丁建东团队与先健公司合作实现了中国在工业化生产适于覆膜支架等的医用级膨体聚四氟乙烯领域零的突破

　　从长远看，高性能ePTFE膜不但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。

　　在传统的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严重影响了其医学领域的应用。为此，中国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。结果表明，经改进的双轴拉伸ePTFE膜的厚度均匀，同时，具有适宜的节点-纤维结构，力学性能优异。研究还表明，烧结温度显著影响ePTFE膜的节点-纤维状微观结构，进而影响ePTFE膜的力学性能。按照国际标准所开展的系列生物学评价的结果表明，该工业化规模生产的改进ePTFE膜具有良好的生物相容性，合乎医用级原材料的要求。

　　美国杜邦公司于1938年发明了聚四氟乙烯(PTFE)这种高性能的合成聚合物；1969年美国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在医疗器械行业有独到用途。然而，可工业化生产的、性能优良的医用级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：

　　图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。

　　团队还新设计了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，如图3所示。膜的良好均匀性可为后续使用提供安全保障，降低结构损坏的可能性，延长使用寿命。

　　图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

　　在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，结果如图4所示。

　　该研究还揭示了纵向和横向拉伸倍率对膜材性能的影响规律，如图5和图6所示。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的影响则是双重的：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7所示。随着烧结温度的升高，结晶区转变为非晶区的比例提高，更多的熔融PTFE颗粒和原纤维扩散、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，过高温度下的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ePTFE膜的伸长率和强度降低。

　　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，部分结果如图8和图9所示。

　　动物的组织病理学检验表明，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，如图10所示。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，最终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膜不仅能应用于覆膜支架，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。

　　该文的第一作者为先健科学技术研发骨干、复旦大学高分子科学系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。

　　丁建东教授，复旦大学高分子科学系教授、博士生导师，聚合物分子工程国家重点实验室主任。复旦大学生命科学院学士、材料科学系硕士、高分子科学系博士，英国剑桥大学材料系博士后。入选多个国家级人才计划项目；曾担任973项目首席科学家；为全国外科植入物和矫形器械标准化技术委员会/组织工程医疗器械产品分技术委员会委员；当选中国生物材料学会常务理事以及国际生物材料科学与工程学会联合会会士等。发表200余篇期刊论文，被国内外同行引用一万余次。获得中国青年科技奖、教育部自然科学一等奖、日内瓦国际发明金奖等。2022年出三部专著（科学出版社）：《生物医用高分子材料（上）》《生物医用高分子材料（下）》《生物材料表界面与表面改性》；参与研究的一项国际标准被ISO批准。所领导的团队在探讨生物医用高分子的结构性能关系以及解析细胞与材料相互作用基本规律方面作出了一些决定性实验，丰富了具有适宜细胞响应的再生生物材料的理论体系；基础研究引领的全链条合作所致的生物材料类产品“获得了中国和欧盟的医疗器械注册证，在国内外进行了大规模示范应用”。