医用球囊研究进展.pdf

1、医用球 囊 研究进展 杨海 石秀 凤 微创医疗器械(上海)有限公司 上海市浦东新区张江高科技园区牛顿路 501 号 201203 E-mail: 摘要 ： 本文简 述了医用球 囊 材 料的 应用 进展， 球 囊的分类 ；目前 医用球 囊 在介入手 术中的 应用情 况 ，新结构 球囊及其 在部 分新 领域 中的 应 用。 关 键词 球囊 球囊 材料 结构 应用 1. 前 言 1977年， 瑞典医生Gruentzing 成功进行首例经皮冠状动脉腔内成形术 （PTCA ） ， 标志着介入 医 学的开端 1 。 介入治疗 作为一种年轻而充满活力的专业技术， 以其创 伤小、 安全、 可靠等优 点越来

2、越受到人们的关注。 在过去30年中， 特别是近10年里， 介入治疗得到了飞速发展， 据统计， 目前全 球约有250万患者接受了冠脉介入治疗 2 。 同时 ， 介入治疗的范围已从原来的冠脉发展到颅内神经、 颈动脉、肾动脉及静脉，甚至全身几乎所有的血管。 作为腔内介入治疗的主要器械之一的球囊导管， 不仅用于血管的预扩张、 塑形， 还是支架的输 送平台， 以及用于支架置入后的精确定形， 其在介入治疗中的重要性不言而喻。 医用球囊作为球囊 导管的心脏， 一直是导管设计、 开发、 性能优化的焦点之一。 随着设计、 制造技术的进步， 医用球 囊的性能有了长足的提高， 其在医疗器械中的应用也更加广泛。 本文

3、从医用球囊材料的发展、 球囊 的分类及其应用进行介绍。 2. 球囊材 料 的发展及医用球 囊的分类 球囊材料的发展 到目前为止， 医用球囊绝大多数是由高分子材料制作的。 最初的医用球囊是用软质聚氯乙烯 （PVC ） 制作， 跟今天的球囊相比， 这种球囊 具有较厚的壁， 但耐压 能力却低。 随着科学家 在高分子材料中的不断筛选、探索，在 80 年代初期 到中期 3 ，交联聚乙烯 （PE ）和聚对苯二甲酸乙二醇 酯（PET）制作的球囊因其耐压能力和壁厚得到了很大改善，在很大程度上取代了 PVC 成 为了新 的球囊材料。PET 制作 的球囊耐压最高可以达到 27atm ，而壁厚却可低至 0.0002

4、“ 到 0.002“ ；而交 联 PE 制作的球囊虽然耐压不能和 PET 相比， 但其形状稳定性极佳， 当交联度达到一定水平后， 在 使用压力范围内， 其直 径和长度的变化低于 5%。虽 然 PET 和交联 PE 部分解决了球囊耐压和形状 保持能力， 但其硬度太大， 而球囊在完成扩张前通常都要经过弯曲复杂的血管， 若不能顺利到达病 变部位， 再好的耐压能力和形状保持能力也是枉然。 在 80 年代末至 90 年代初， 尼龙和聚亚安酯材 料开始应用于球囊的制作， 尼龙球囊强度比 PET 球囊低， 形状保持能力比交联 PE 低， 但比他们都 要柔软， 同时其耐压能力和形状保持能力完全能满足医用球囊的

5、要求， 目前尼龙在球囊材料中占有 很大的份额。 新的球囊材料主要是上述材料的共聚物或共混物， 共聚物多为刚性链 段 （PET、 尼龙） 和柔 性 链段 （烯烃、 酯链） 共 聚而成， 通过调节刚性和柔性链段的比例来调节材料的强度和柔软度， 而共 混物则是具有相容性的两种聚合物的简单混合， 以此来调节球囊的性能， 在强度和柔软度之间寻找 平衡。 球囊的分类 球囊的性能很大程度上 是由其材质决定的，所 以对球囊的分类，也是 对球囊材料的分类。目 前球囊的分类并没有一个通用的准则，业内多数人认可的球囊分类方法有两种：1）根据球囊的 耐 压和形状保持能力分为高压球囊和低压球囊；2）根据球囊的顺应性分为

6、非顺应性球囊、半顺应 性 球囊和顺应性球囊。 高压球囊多由、 尼龙这类非顺应性或低 顺应性材料经拉伸吹塑 成形，其主要特点是在 额定压力范围内能保持其设计形状和尺寸， 球囊的拉伸强度高， 延伸率低； 其主要功能是在高压流 体的作用下， 对血管进行扩张或扩张支架， 根据不同的需要， 高压球囊的额定压力范围为 2-20atm 。低压球囊多由、 尼龙弹性体、 乳胶、 硅橡胶等顺应性材料经吹塑或浸渍成形， 这类球囊在内 压力作用下容易变形， 在使用压力下的尺寸可能是设计尺寸的好几倍， 泄压后几乎能回复为最初的 形状和尺寸，主要应用于定位或起密封作用，部分耐压高的顺应性球囊也用于管腔扩张。 医用球囊在扩

7、张过程中 均会受到内部压力，由 高分子材料的特性可知 ，此时球囊的尺寸或多 或少均会变化，由此提出了球囊顺应性的概念，用以表征球囊的直径随球囊充盈压力变化的程度， 以（1）表示。 Compliance D RBP / D Normal（1 ） Compliance 球囊的顺应性 D RBP 球囊额度压 力下的直径，mm D Normal 球囊名义 压力下的直径，mm 球囊的顺应性为 1.05-1.10 时，称为非顺应性球囊，顺应性为 1.18-1.30 时，称为半顺应性球 囊， 由此可知， 非顺应性球囊和半顺应性球囊都是高压球囊。 对于低压球囊， 因其在内压作用下形 状发生变化，通常体积的变化

8、范围在 100600% ，所以低压球囊也被称为顺应性球囊。 3. 球囊 的 应用 标准球囊的结构 标准球囊由三部分组成 ，如图所示。中间为 圆柱体，在扩张过程中 对血管壁或支架施加扩 张力， 为手术中实际起作用的部分， 称为工作段； 两端管段的作用是和导管其余部分进行连接； 锥 部是管段与工作段的过渡区。 目前商用的球囊多数是标准球囊， 不同公司球囊结构的差异仅仅是锥 部的角度 A 、B 略有不 同和管段的内外径尺寸有区别。 由于球囊的应用领域越来越宽广， 出现了一些新结构的球囊，部分已有商品销售，部分仍存于实验室或仅为一个想法。 图 1 标准球囊的结构 医用球囊在管 腔成形 中的应用 标准球

9、囊在管 腔内介入手术中的 应用 目前医用球囊的 最大的 应用领域为经皮 穿刺冠 脉成形术(PTCA) 。近 年来，由于药 物支架 的 应用给 PTCA 手术带来了革命性的进步，使得目前医用球囊的主要用途由血管扩张、塑形变为支 架的输送、 扩张； 其次是支架置入术前血管的预扩张和支架置入后的精确定形， 单纯使用球囊扩张 治疗血管狭窄已经越来越少了。用 于 支架成形和血管扩张的球囊主要是标准球囊， 球囊在血管和非 血管内进行扩张及支架输送、扩张的主要应用见表 1。 表 1 球囊在管腔内的应用 治疗部位 球囊的作用 球囊直径范 围 球囊的长度范围 球囊的额定爆 破压力 冠脉 支架的输送和扩 张、动脉

10、扩张 1.5-4.5mm 8-40mm 14-18atm 颅内神经 2.0-5.0mm 8-20mm 10-12atm 外周血管 （肾动脉、 股 动 脉） 4.0-12mm 20-120mm 10-14atm 大动脉 覆膜支架的后扩 张 25-40mm 球囊体积为 30-55cc 2-6atm 胆道 扩张胆道 4-10mm 15-30mm 6-10atm 胃肠系统 扩张 6-20mm 50-80mm 1.8-8atm 部分非标准球 囊在管腔内介入手 术中的应用 随着球囊应用范围的不断拓展， 对其性能及结构要求越来越高， 不同应用目的对球囊分类也越 来越细。 目前新结构的球囊热点之一即变径球囊

11、4 ， 变径球囊有以下 两种结构， 分别称为台阶球囊、 锥度球囊。台阶球囊是指球囊的工作段有不同的直径，一个球囊可能有两种甚至三种不同的直径。 台阶球囊最初是针对分叉病变而设计。 治疗分叉病变， 通常采用的是 kissing balloon 技术， 如图 的所示， 用两个球囊同时扩张分叉处的两根血管， 此时球囊对吻处因两个球囊重叠， 容易导 致此处血管过渡扩张而受伤， 导致术后血管的再狭窄。 若采用变径球囊设计， 减小重叠部分的球囊 直径， 则可以在一定程度上减小这种无谓的伤害， 而在图的中， 主血管和分支血管的直径 差异大， 支架置入术中， 若选用大尺寸的球囊进行支架扩张， 可能撕裂分支血管

12、， 选用小尺寸的球 囊进行支架扩张， 不能治疗主血管的病变， 术后容易造成主血管的再次狭窄甚至闭塞， 而采用台阶对吻处 球囊设计则能很好的解决这个问题。 图台阶球囊示意图 a b 图 2-1 台阶球囊的应用示意图 锥度球囊是指球囊工作段是一个圆锥体而不是一个圆柱体， 从球囊远端到近端， 球囊直径逐渐 增大， 目前锥度球囊主要是针对超长球囊而设计。 狭窄长病变的介入治疗手术中， 以前通常采用两 个或多个支架搭接来进行血管成形术， 现在医生或病人又多了一种选择， 超长支架。 尽管目前治疗 长病变手术中， 对于选择一个长支架治疗还是选择几个支架搭接进行治疗还存在很多争论， 但在支 架的设计和应用中，

13、 对于加长支架长度的呼声越来越高。 从目前市售的支架长度的变化也可以看出支架的长度有不断加长的趋势， 最初市售支架长度为， 随后出现了长 度的支架。 随着支架长度的增加， 其输送平台球囊的长度也需要不断加长。 从解剖学可知， 顺着血 流的方向，血管的直径在不断变小，若采用标准结构的球囊，手术中，近端扩张刚好时结束手术， 则远端可能已经过分扩张了， 远端血管受损， 容易出现术后再次狭窄； 若远端扩张刚好时结束手术， 则近端可能未能充分扩张， 支架未完全贴壁， 容易导致血栓形成和血管再次狭窄， 甚至闭塞。 而采 用锥度球囊设计则可以很好的解决超长支架的治疗效果，降低病人再次手术的风险。 图锥度球囊

14、示意图 医用球囊 在骨科中 的应用 5随着人口老龄化的加重 ，骨质疏松性椎体压缩 性骨折的病人越来越多 。传统的治疗方法主要 包括卧床休息、 药物镇痛、 支具外固定等， 极 易导致骨质进一步脱钙疏松， 形成恶性循环。 而开放 性的手术治疗也因患者骨质疏松和全身情况差而受到限制。 近年来， 新的微创技术， 如椎体成形术 和后凸成形术相继问世，在欧美等发达国家开展 , 获得了令人鼓舞的疗效 , 为老年骨质疏松椎 体 压缩骨折的治疗开辟了一条全新的途径。 经皮椎体成形术 (percutaneous vertebroplasty ， PVP) 是 近年来发 展很快 的一 项 微创介入 治疗 骨质疏 松

15、 性椎体骨 折的 新技术 , 即在影 像系 统引 导下经 皮 向 椎体内注射一定量的 骨 水泥等材料 , 起到 增 加椎体强度、防止塌 陷 、止痛等作用。但 PVP 难以恢复椎体的高度和改善后突畸形，且易引起骨水泥渗漏。目前又出现了经皮椎体后凸成形术 (percutaneous kyphoplasty ， PKP) ， 即经皮及椎弓根先将可膨胀性骨球囊置入椎体 , 球囊膨胀扩 张 , 骨折椎体 复位 , 在骨折椎体内制造一个安全有效空间 , 放气后退出球囊并低压下注入骨水 泥。 PKP 能矫正脊柱后凸畸形 , 减少术后疼痛；低压下注入骨水泥 , 减少骨水泥漏出。 用于经皮椎体后凸成形术的球囊多

16、为顺应性球囊， 手术中， 其体积通常能膨胀 26 倍， 成形 压力范围在 2028atm 。 医用球囊的一些新 应用 随着球囊材料、结构和性能的不断改善，球囊的应用也越来越广泛，除去在 PTCA 和 PTA 中 的应用，现在球囊 还被 应用于热输送导管 6 ，激光导管及光活化 治疗 （PDT ） 7 ，定位密封导管和 药物输送导管等 3 。在 此仅对激光导管及光活化治疗（PDT ）和药物输送导管作简要介绍。 应用于激光导管及光活化治疗 （PDT ） 的医用 球囊均为透明材料制作， 同时这类材料对发射光 有很好的透过性和低吸收性。 激光器被安装在球囊内部， 球囊的工作段能透过光， 而锥部和管段等

17、 其它区域通过覆盖特殊涂层而不能透过光， 以此更好的来控制治疗区域， 防止灼伤没有病变的区域。 使用中， 将导管推送至病变部位， 先扩张球囊， 随后激活激光， 对病 变部位进行治疗。 而光活化治 疗（PDT ）过程除了应用激光导管外还涉及药物的使用，如治疗 Barrett 食道癌。在进行光活化治 疗前 12 天，医生对病人会先行静脉药物治疗，使药物覆盖于病变部位，但这种药物在没有被激 光激活前是没有任何作用。 术中， 导管被送达 病变部位， 先行球囊扩张， 再用激光激活药物， 杀死 癌细胞，而在非工作段，药物未能被激活，避免了正常细胞被错杀。 药物输送导管和普通球囊导管结构基本相同， 唯一的区

18、别是， 用于药物输送导管的球囊表面有 很多微孔 ，直径 在 0.5-50m 。孔的大小 需要 让药物通 过，但 同时不 能太大， 还需能 让球囊 完全扩 张而固定于病变部位。 这类导管主要用于病变部位的局部治疗， 对于某些非常昂贵和有较大副作用 的药物， 通过导管进行药物输送， 在病变部位， 用含药物的流体扩张球囊， 球囊固定于管腔内壁后 ，通过球囊表面的小孔， 药物能对局部病变进行治疗， 球囊泄压后， 药物重新回收， 由此提高了药物 的利用率，同时降低了药物的副作用。 4. 结束语 医用球囊的发展方向将是高性能化和专用化。 对应用于管腔成形的支架输送、 扩张的球囊， 其 高性能化是降低壁厚、

19、 提高耐压、 增加球囊的柔软度， 以利于其推送和扩张， 但这三个性能是相互 制约的， 所以其高性能化也是对球囊这三个性能的平衡。 同时由于应用领域的不同， 对球囊的要求 各异，由此针对不同的应用，球囊的分类会更加细化，也就是球囊的专用化。 参考资 料 1 陈 星荣 选 择性 血管 造影M上 海： 上海 科学 技 术出版 社，199O 138 2 黄浙 勇 药物 洗脱 支架 安全性 的再 认识 东方 心脏 病学 会议 ，会 议论文 3 Mark A Saab Applications ofIighPrmm Balloons in the Medical Device IndustryJ Medical Device134(2)(1):266-273.