一種自增強薄壁微型球囊及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種自增強薄壁微型球囊及其制備方法。本發明的球囊，由熱塑性彈性體制成，長度為12mm-22mm，外徑為8mm-12mm，球囊的環向強度與軸向強度之比為1-2。將熱塑性彈性體管坯通過加熱擴脹棒進行多次軸向環向擴脹后得到雙軸擴脹取向管材；將球囊模具置于雙軸擴脹取向管材內腔，加熱后牽引管材兩端向外側拉伸，得到球囊管；將球囊管套入不銹鋼氣管，送入氣體并加熱使球囊管膨脹，冷卻定型后得到球囊。本發明的方法，巧妙利用熱塑性彈性體的軟硬嵌段結構，經多次雙軸擴脹取向使聚合物沿受力方向進行有序的取向排列，硬段相形成次晶或結晶結構，增加了物理交聯數量，實現管材環向自增強，大大增強了制備的球囊的抗撕裂強度。
【專利說明】一種自增強薄壁微型球囊及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及生物醫用材料領域，涉及球囊及其制備方法，特別是一種用于椎體后 凸成形術等微創手術中，通過工作通道恢復椎體高度、形成骨水泥灌注腔的配套器械，即可 提供一種可在壓縮性骨折中形成空腔的高韌性、薄壁椎體擴脹球囊及其制備方法。

【背景技術】
[0002] 椎體骨折是臨床上的常見病，多因骨折疏松、外傷等原因引起。椎體壓縮性骨折會 導致患者劇烈疼痛，出現神經功能障礙。經皮椎體成形術是近年來隨著微創外科手術的發 展而產生的用于骨質疏松性椎體骨折的微創介入治療技術，如圖1所示，經皮及椎弓根先 將可膨脹球囊置入椎體，擴脹可膨脹球囊，擠壓受損椎體，使塌陷椎體復位，并在塌陷椎體 內制造一個安全有效空間，收癟球囊退出并低壓下注入骨水泥，骨水泥固化，恢復椎體高度 和強度，消除疼痛，修復椎體。
[0003] 經皮椎體成形術的關鍵在于微型、薄壁球囊的制備，需要球囊在骨刺環境中承受 300psi以上的高壓力，球囊在實際使用中環向強度不能低于軸向強度；同時要求球囊變形 受限，椎體球囊在膨脹過程中，不能像氣球那樣一直脹大直至壁薄強度下降而破裂，在達到 預定尺寸后尺寸穩定、壓力增加，不再無限膨脹避免導致薄壁破裂。椎體球囊與導管的接口 內徑僅為2_左右，球囊在膨脹過程中可達到外徑2cm，這就要求球囊本身在管徑變化的情 況下要求軸心線（接口管的軸心和擴脹后球囊軸心）一致。
[0004] 因此除了要選擇合適的彈性材料外，加工技術非常關鍵。但迄今為止，關于椎體后 凸成形術所用的可膨脹球囊的文獻報道，大多是描述球囊材料、球囊和導管各部件的關系 以及球囊導管的使用，鮮有文獻公開過球囊的制備方法。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于提供一種自增強薄壁微型球囊及其制備方法。
[0006] 本發明的第一方面，提供一種用于經皮椎體成形術的球囊，所述球囊由熱塑性彈 性體制成，擴脹定型后的球囊長度為12mm-22mm，擴脹定型后的球囊最大外徑為8mm-12mm， 且所述球囊的環向強度與軸向強度之比為1-2。
[0007] 在另一優選例中，所述熱塑性彈性體為熱塑性聚氨酯彈性體TPU。
[0008] 在另一優選例中，所述球囊的壁厚為0. 15mm-0. 25mm，膨脹后壁厚為 0· 001mm-0· 003mm〇
[0009] 在另一優選例中，所述球囊膨脹至非膨脹態的130% -150%后膨脹受限，即膨脹 狀態的球囊長度為：15mm-33mm，膨脹狀態的球囊最大外徑為：10. 4mm-18mm。
[0010] 本發明的第二方面，提供第一方面所述的球囊的制備方法，所述方法包括以下步 驟：
[0011] (a)提供熱塑性彈性體管材，所述管材的長度為8cm-20cm，所述管材的外徑為 2. 8mm-3. 4mm，所述管材的壁厚為0. 4mm-Q. 8mm ；
[0012] (b)所述管材經進行2-5次軸向環向擴脹得到雙軸擴脹取向管材；
[0013] (c)將球囊模具置于步驟（b)得到的所述雙軸擴脹取向管材的內腔，加熱后將管 材的兩端向外側拉伸，得到球囊管；
[0014] (d)將步驟（c)得到的球囊管套入不銹鋼氣管，送入氣體并加熱使球囊管膨脹，冷 卻定型后得到所述球囊的成品。
[0015] 在另一優選例中，所述熱塑性彈性體管材為熱塑性聚氨酯彈性體橡膠TPU管材， 所述管材的環向強度與軸向強度之比〇. 4-0. 8。
[0016] 在另一優選例中，所述軸向環向擴脹是采用以下的步驟實現：
[0017] 牽引所述管材的兩端軸向拉伸管材進行軸向擴脹，同時將80°C -120°c的擴脹棒 旋轉伸入所述管材的內腔對所述管材進行環向擴脹，冷卻后得到雙軸擴脹取向管材，用于 進行下一次軸向環向擴脹或者進行步驟（c);
[0018] 其中所述擴脹棒包括圓柱型的棒體和位于所述棒體一端的錐形體，所述棒體和所 述錐形體是一體成型的。
[0019] 在另一優選例中，所述錐形體的錐角角度為30-60°。
[0020] 在另一優選例中，所述軸向環向擴脹時冷卻溫度為5°C -35°C。
[0021] 在另一優選例中，所述軸向環向擴脹時先加熱所述管材，再牽引所述管材的兩端， 所述加熱溫度為80-120°C。
[0022] 在另一優選例中，所述軸向環向擴脹時，管材兩端的牽引速度差為0.8m/ min-1· 6m/min〇
[0023] 在另一優選例中，所述軸向環向擴脹時，管材一端的牽引速度為2_5m/min，另一端 的牽引速度為1. 5m/min-4m/min。
[0024] 在另一優選例中，所述擴脹棒的棒體的外徑與待其擴脹的管材的內徑之比為1-3， 較佳地為1. 2-2. 5。
[0025] 在另一優選例中，所述步驟（b)得到的雙軸擴脹取向管材的內徑為 8. 8mm~ 10. 8mm，外徑為 9. 0mm-11.0mm〇
[0026] 在另一優選例中，所述步驟（c)中，加熱溫度為80°C-11(TC，所述球囊管的長度是 所述雙軸擴脹取向管材長度的120% -150%。
[0027] 在另一優選例中，所述步驟（d)具有以下一個或多個特征：
[0028] (1)所述氣體為空氣、氮氣、氬氣；
[0029] (2)加熱溫度為 80°C _120°C ;
[0030] (3)冷卻溫度為 5°C _35°C。
[0031] 本發明的制備方法，巧妙利用熱塑性聚氨酯彈性體的軟-硬嵌段結構，經多次雙 向擴脹取向使聚合物沿受力方向進行有序的取向排列，聚氨酯的硬段相形成次晶或結晶結 構，增加了物理交聯的數量，實現管材環向自增強，得到的球囊的環向強度與軸向強度之比 為1-2,大大增強了制備的球囊的抗撕裂強度。
[0032] 應理解，在本發明范圍內中，本發明的上述各技術特征和在下文（如實施例）中具 體描述的各技術特征之間都可以互相組合，從而構成新的或優選的技術方案。限于篇幅，在 此不再一一累述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1為經皮椎體后凸成形術的工作原理圖。
[0034] 圖2為球囊成品示意圖。
[0035] 圖3為雙軸取向示意圖。
[0036] 圖4為球囊制備過程示意圖，其中㈧為模具塑形；(B)為熱吹塑定型。

【具體實施方式】
[0037] 本申請的發明人經過廣泛而深入地研究，首次研發出一種新型的球囊及其制備方 法。選取熱塑性彈性體管材，巧妙利用熱塑性聚氨酯彈性體的軟-硬嵌段結構，通過錐形擴 脹棒的旋轉伸入形成的環向剪切力場，使聚合物分子鏈沿環向取向，多次雙向擴脹取向使 聚合物沿受力方向進行有序的取向排列，聚氨酯的硬段相形成次晶或結晶結構，增加了物 理交聯的數量，旋轉的環向剪切和軸向拉伸的復合應力場，實現管材環向自增強，大大增強 了制備的球囊的抗撕裂強度。在此基礎上，完成了本發明。
[0038] 球囊
[0039] 如圖2所示，本發明的球囊，包括：球囊囊體1，第一導管部2和第二導管部3,其 中，所述第一導管部2和所述第二導管部3分別位于所述球囊囊體1的兩端。
[0040] 在另一優選例中，所述第一導管部2的內徑為1. 5mm-2mm，外徑為2. 5 所 述第二導管部3的內徑為2. 5mm-3mm，外徑為2. 8mm_3. 5mm。
[0041] 在另一優選例中，所述第一導管部2的內徑為1. 8mm，外徑為2. 6mm。
[0042] 在另一優選例中，所述第二導管部3的內徑為2. 6mm，外徑為3. 0mm。
[0043] 本發明的球囊由熱塑性彈性體制成，擴脹定型后的球囊長度為12mm-22mm，擴脹定 型后的球囊最大外徑為8mm-12mm，且所述球囊的環向強度與軸向強度之比為1-2。在另一 優選例中，所述熱塑性彈性體為熱塑性聚氨酯彈性體TPU。
[0044] 所述球囊的壁厚為0· 15mm-0. 25mm，膨脹后壁厚為0· OOlmm-O. 003mm。
[0045] 本發明的球囊，膨脹至非膨脹態的130% -150%后膨脹受限，即膨脹狀態的球囊 長度為：15mm-33mm，膨脹狀態的球囊最大外徑為：10. 4mm-18mm。
[0046] 制備方法
[0047] 本發明根據椎體微創治療對可膨脹球囊的特殊要求，巧妙利用熱塑性聚氨酯彈性 體的軟-硬嵌段結構，首次研發出分級擴脹結合模具塑形和熱吹塑定型的制備球囊的方 法。
[0048] 本發明的制備方法，包括以下步驟：熱塑性彈性體管坯經多級擴脹得到自增強的 擴脹管；自增強擴脹管經球囊模具塑形得到球囊管；球囊管經同軸反向拉伸得到自增強球 囊。
[0049] 具體為選用聚氨酯熱塑性彈性體管材（也稱為管坯），對管材進行2-5次軸向環 向擴脹。以對管材進行2次軸向環向擴脹為例，描述軸向環向擴脹的方法。將管材10任選 地加熱到高彈態，對管材10進行牽引，兩端牽引速度不同，牽引速度差軸向拉伸管坯10進 行軸向擴脹，如圖2所示，同時將加熱的擴脹棒15旋轉伸入高彈態管坯10內腔進行環向擴 脹，I級雙軸取向結束后冷卻后定徑取出，得到第I級雙軸擴脹取向管材20。將第I級雙軸 擴脹取向管材20任選地加熱到高彈態，對管材20進行牽引，兩端牽引速度不同，牽引速度 差軸向拉伸管坯進行軸向擴脹，同時將另一加熱的擴脹棒25旋轉伸入高彈態第I級雙軸擴 脹取向管材20內腔進行環向擴脹，II級雙軸取向結束后冷卻后定徑，得到第II級雙軸擴 脹取向管材30。同理可進行III級、IV級或更多級雙軸取向。
[0050] 將得到的雙軸擴脹取向管材加熱，如圖4中（A)所示，將球囊模具6伸入加熱到高 彈態的雙軸擴脹取向管材內，將管材兩端向外拉伸，冷卻定型，得到自增強球囊7。如圖4中 (B)所示，將自增強球囊7套入不銹鋼氣管，送入氣體并加熱使球囊膨脹，冷卻定型后得到 自增強球囊成品。本發明可以采用現有技術中已知的各種球囊模具，沒有特別的限制。
[0051] 本發明的擴脹棒15(25)，如圖3所示，包括圓柱型的棒體4(4'）和位于所述棒體 一端的錐形體5 (5'），所述棒體4 (4'）和所述錐形體5 (5'）是一體成型的。本發明的擴脹 棒，可由金屬制成，如銅、不銹鋼等。擴脹棒的棒體的外徑與待其擴脹的管材的內徑之比為 1 _3 〇
[0052] 本發明提到的上述特征，或實施例提到的特征可以任意組合。本案說明書所揭示 的所有特征可與任何組合物形式并用，說明書中所揭示的各個特征，可以被任何提供相同、 均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特別說明，所揭示的特征僅為均等或相似特 征的一般性例子。
[0053] 本發明的有益之處在于：本發明巧妙利用熱塑性聚氨酯彈性體的軟-硬嵌段結 構，通過錐形擴脹棒的旋轉伸入形成的環向剪切力場，使聚合物分子鏈沿環向取向，多次雙 向擴脹取向使聚合物沿受力方向進行有序的取向排列，聚氨酯的硬段相形成次晶或結晶結 構，增加了物理交聯的數量，旋轉的環向剪切和軸向拉伸的復合應力場，實現管材環向自增 強，大大增強了制備的球囊的抗撕裂強度。
[0054] 下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明 而不用于限制本發明的范圍。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規條 件如 Sambrook 等人，分子克隆：實驗室手冊（New York:Cold Spring Harbor Laboratory Press，1989)中所述的條件，或按照制造廠商所建議的條件。除非另外說明，否則百分比和 份數按重量計算。
[0055] 除非另行定義，文中所使用的所有專業與科學用語與本領域熟練人員所熟悉的意 義相同。此外，任何與所記載內容相似或均等的方法及材料皆可應用于本發明方法中。文 中所述的較佳實施方法與材料僅作示范之用。
[0056] 實施例1
[0057] 截取Φ 3. 2mmX0. 6mm的熱塑性聚氨酯原管100mm。將錐角為30°、錐長20mm、夕卜 徑5mm、長200mm的銅質一級錐形擴脹棒加熱至100°C。牽引原管的兩端，前牽引速度為4m/ min，后牽引速度為3m/min，將待擴脹原管牽引入旋轉的一級擴脹棒并擴脹原管，將擴脹棒 和原管一起放入5°C水浴冷卻，退出一級擴脹棒，得到I級擴脹管。
[0058] 將錐角為45°、錐長20mm、外徑8mm、長200mm的銅質二級錐形擴脹棒加熱至 100°C。牽引I級擴脹管的兩端，前牽引速度為3m/min，后牽引速度為2. 2m/min，將I級擴 脹管牽引入旋轉的二級擴脹棒并擴脹I級擴脹管，將擴脹棒和擴脹管一起放入35°C水浴冷 卻，退出擴脹棒，得到II級擴脹管。
[0059] 將錐角為45°、錐長20mm、外徑10mm、長200mm的銅質三級擴脹棒加熱至100°C。 牽引II級擴脹管的兩端，前牽引速度為4m/min，后牽引速度為3m/min，將II級擴脹管牽引 入旋轉的三級擴脹棒并擴脹II級擴脹管，將擴脹棒和擴脹管一起放入20°c水浴冷卻，退出 擴脹棒，得到III級擴脹管。
[0060] 將球囊模具置入III級擴脹管內，將模具和擴脹管一起放入80°C熱浴中加熱20s， 用夾具固定并夾緊擴脹管兩端向外側拉伸直至擴脹管端口直徑分別縮至2. 6mm、3mm，退出 球囊模具，得到球囊管；將自增強球囊管套入不銹鋼氣管，送入120Psi氮氣并加熱至80°C 使球囊膨脹，于20°C冷卻得到自增強球囊成品。
[0061] 自增強球囊成品：長度為15mm，外徑為10mm，壁厚為0· 2mm (膨脹后壁厚為 0.003mm)，環向強度為400Psi，軸向強度為300Psi。
[0062] 實施例2
[0063] 截取Φ 3. OmmXO. 5mm的熱塑性聚氨酯原管150mm。將錐角為40°、錐長20mm、外徑 4mm、長200mm的銅質一級錐形擴脹棒加熱至100°C。牽引原管的兩端，前牽引速度為4. 6m/ min，后牽引速度為3. 5m/min，將待擴脹原管牽引入旋轉的一級擴脹棒并擴脹原管，將擴脹 棒和原管一起放入20°C水浴冷卻，退出一級擴脹棒，得到I級擴脹管。
[0064] 將錐角為55°、錐長20mm、外徑6mm、長200mm的銅質二級錐形擴脹棒加熱至 110°C。牽引I級擴脹管的兩端，前牽引速度為3m/min，后牽引速度為1.6m/min，將I級擴 脹管牽引入旋轉的二級擴脹棒并擴脹I級擴脹管，將擴脹棒和擴脹管一起放入35°C水浴冷 卻，退出擴脹棒，得到II級擴脹管。
[0065] 將錐角為45°、錐長20mm、外徑8mm、長200mm的銅質三級擴脹棒加熱至90 °C。牽 引II級擴脹管的兩端，前牽引速度為4m/min，后牽引速度為3m/min，將II級擴脹管牽引入 旋轉的三級擴脹棒并擴脹II級擴脹管，將擴脹棒和擴脹管一起放入l〇°C水浴冷卻，退出擴 脹棒，得到III級擴脹管。
[0066] 將錐角為50°、錐長20mm、外徑11mm、長200mm的銅質四級擴脹棒加熱至90°C。 牽引III級擴脹管的兩端，前牽引速度為3. 5m/min，后牽引速度為2m/min，將III級擴脹 管牽引入旋轉的四級擴脹棒并擴脹ΠΙ級擴脹管，將擴脹棒和擴脹管一起放入20°C水浴冷 卻，退出擴脹棒，得到IV級擴脹管。
[0067] 將球囊模具置入IV級擴脹管內，將模具和擴脹管一起放入KKTC熱浴中加熱15s， 用夾具固定并夾緊擴脹管兩端向外側拉伸直至擴脹管端口直徑分別縮至2. 8mm、3. 2mm， 退出球囊模具，得到球囊管；將自增強球囊管套入不銹鋼氣管，送入lOOPsi氬氣并加熱至 l〇〇°C使球囊膨脹，于10°C冷卻得到自增強球囊成品。
[0068] 自增強球囊成品：長度為22mm，外徑為15mm，壁厚為0· 16mm(膨脹后壁厚為 0.002mm)，環向強度為450Psi，軸向強度為310Psi。
[0069] 實施例3
[0070] 本實施例的步驟與實施例1基本相同，不同之處在于，在各步驟牽引前，對原管、I 級擴脹管和II級擴脹管進行加熱，加熱溫度分別為115°C、100°C和85°C。
[0071] 得到的球囊成品的環向強度為420Psi，軸向強度為305Psi。
[0072] 對比例1
[0073] 截取Φ lOmmXO. 2mm的熱塑性聚氨酯原管50mm，將球囊模具置入原管內，將模具 和原管一起放入80°C熱浴中加熱20s，用夾具固定并夾緊擴脹管兩端向外側拉伸直至擴脹 管端口直徑分別縮至2. 6mm、3mm，退出球囊模具，得到球囊管；將球囊套入不銹鋼氣管，送 入llOPsi氣體并加熱至80°C使球囊膨脹，于20°C冷卻得到球囊成品。
[0074] 長度為20mm，壁厚為0· 18mm(膨脹后壁厚為0.003mm)，環向強度為130Psi，軸向強 度為 200Psi。
[0075] 綜上，采用本發明的方法，可以實現管材環向自增強，得到的球囊的環向強度與軸 向強度之比為1-2,從而可增強球囊的抗撕裂強度，提高其耐用性。
[0076] 在本發明提及的所有文獻都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻被單獨 引用作為參考那樣。此外應理解，在閱讀了本發明的上述講授內容之后，本領域技術人員可 以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范 圍。
【權利要求】
1. 一種用于經皮椎體成形術的球囊，其特征在于，所述球囊由熱塑性彈性體制成，擴脹 定型后的球囊長度為12mm-22mm，擴脹定型后的球囊最大外徑為8mm-12mm，且所述球囊的 環向強度與軸向強度之比為1-2。
2. 如權利要求1所述的球囊，其特征在于，所述球囊的壁厚為0. 15mm-0. 25mm，膨脹后 壁厚為 0. 001mm-0. 003mm。
3. 如權利要求1或2所述的球囊的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： (a) 提供熱塑性彈性體管材，所述管材的長度為8cm-20cm，所述管材的外徑為 2. 8mm-3. 4mm，所述管材的壁厚為0. 4mm-Q. 8mm ； (b) 所述管材經進行2-5次軸向環向擴脹得到雙軸擴脹取向管材； (c) 將球囊模具置于步驟（b)得到的所述雙軸擴脹取向管材的內腔，加熱后將管材的 兩端向外側拉伸，得到球囊管； (d) 將步驟（c)得到的球囊管套入不銹鋼氣管，送入氣體并加熱使球囊管膨脹，冷卻定 型后得到所述球囊的成品。
4. 如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述熱塑性彈性體管材為熱塑性聚氨 酯彈性體TPU管材，所述管材的環向強度與軸向強度之比0. 4-0. 8。
5. 如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述軸向環向擴脹是采用以下的步驟 實現： 牽引所述管材的兩端軸向拉伸管材進行軸向擴脹，同時將80°C -120°C的擴脹棒旋轉 伸入所述管材的內腔對所述管材進行環向擴脹，冷卻后得到雙軸擴脹取向管材，用于進行 下一次軸向環向擴脹或者進行步驟（c); 其中所述擴脹棒包括圓柱型的棒體和位于所述棒體一端的錐形體，所述棒體和所述錐 形體是一體成型的。
6. 如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述軸向環向擴脹時冷卻溫度為 5。。-35。。。
7. 如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述軸向環向擴脹時，管材兩端的牽引 速度差為 〇· 8m/min_l· 6m/min〇
8. 如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述擴脹棒的棒體的外徑與待其擴脹 的管材的內徑之比為1-3。
9. 如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（c)中，加熱溫度為 80°C -110°C，所述球囊管的長度是所述雙軸擴脹取向管材長度的120% -150%。
10. 如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（d)具有以下一個或多個特 征： (1)所述氣體為空氣、氮氣、氬氣； ⑵加熱溫度為80°C _120°C ; (3)冷卻溫度為5°C -35°C。
【文檔編號】A61B17/70GK104146755SQ201410432431
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月28日 優先權日:2014年8月28日
【發明者】劉昌勝, 洪華 申請人:華東理工大學