乳房植入物表面处理对极端降解前后物理化学和力学性能的影响

摘要

摘要本研究探讨乳房植入物表面光洁度对其物理化学及力学性能的影响。光滑膜和粗糙膜降解后表面层的去除得到验证，其中局部侵蚀得到验证。红外光谱结果表明，由于暴露在酸性和碱性环境中，所有样品都产生了低分子量结构。此外，光滑样品比粗糙样品具有更高的交联度。考虑到力学性能，平滑和粗糙样品在接收和降解研究后没有差异。然而，降解溶液的pH值对材料的力学性能有影响，与酸性条件相比，碱性环境导致材料的力学性能恶化更大。

1.介绍

自20世纪60年代克罗宁和格罗发明隆胸术以来，隆胸术已被广泛用于美容和重建手术。1］．在接下来的几十年里，材料使用和假体设计的特性都发生了变化。第一代植入物是用粘性硅凝胶填充的厚外壳制造的，产生了非常耐的设备[2，3.］．尽管破裂率较低，但在使用10年后，由于植入物的特点，几乎100%的植入物出现包膜挛缩和钙化。为了克服这个问题，第二代乳房植入物提出了一种新的材料组合，由一个薄的外壳和较低粘性的填充材料组成，可以是硅酮或盐溶液。然而，这些设备的破裂率高达60% [1]，填充液漏入假体周围包膜，也被定义为硅胶“出血”，经常被发现。第三代由一个更耐用的多层外壳和中间的屏障层组成，显著减少破裂和硅胶出血。此外，硅胶填料含有较大的粒径和增加交联密度，以减少材料通过植入膜的扩散。从那时起，第四代和第五代植入物被引入市场，这是目前使用的植入物。这些设备有更厚的外壳结合更有粘性的凝胶填料，并在光滑和纹理的外壳模型制造[1- - - - - -3.］．

最近的研究表明，乳房假体破裂率为0 ~ 17.7%。这可能发生在原发增强、翻修增强、原发重建或翻修重建的情况下。破裂机制包括外壳肿胀、折叠缺陷、手术器械损伤或植入物外伤[4- - - - - -6］．

壳表面形貌对种植体早期和晚期的性能均有影响。光滑的表面历来与包膜挛缩有关，包膜挛缩是指包裹乳房植入物的正常包膜收紧和硬化[1］．这一过程导致疼痛、美观差、再次手术，最终导致患者不满[1］．另一方面，表面粗糙度直接增加种植体表面积，改善种植后的宿主反应。然而，这种表面特征与细菌黏附增加和间变性大细胞淋巴瘤有关[7- - - - - -9］．

已经进行了一些研究来研究生物对光滑和粗糙表面的反应，但表面处理对植入物外壳力学性能的影响尚未得到很好的探讨。Persichetti等人评价了表面整理对化学性能的影响。潜在的反应组，称为硅烷醇，在所有的外壳中都被发现，但在纹理植入物中存在高强度[10］．

这些设备所暴露的生化环境也是了解其性能的一个重要参数在活的有机体内．众所周知，生物pH值在伤口愈合过程中会发生变化。Percival等人证实，在碱性条件下伤口愈合进程减慢[11］．此外，有证据表明，急性和慢性创伤环境在愈合过程中由碱性状态发展到中性状态，然后再发展到酸性状态[11］．然而，很少有人研究pH值对假体物理化学和力学性能的影响。在最近的一项研究中，我们调查了来自不同制造商的一系列植入物的化学成分、热性能和机械强度。表面粗糙的植入物被发现对酸性降解更敏感[12］．

本文报道了一项研究，旨在确定隆胸植入物的表面特征对其物理化学和机械性能的影响后，暴露于极端酸性和碱性降解。使用我们之前研究中提出的方法，对乳房植入物在降解研究前后的形态特征、化学成分、热性能和机械强度进行了评估。

2.实验

2．1．材料

本研究选择了来自同一制造商的六枚原始植入物:三枚(n= 3)具有光滑的表面和三个(n= 3)表面粗糙。每个种植体分为两部分，外壳的顶部和底部，并小心地取出填充凝胶。膜用异丙醇PA (Dinâmica Química Contemporânea Ltda, Indaiatuba，巴西)清洗。具有光滑和粗糙表面的样品在这里也分别称为光滑和粗糙膜。两种类型的膜在降解研究之前和之后都进行了表征。

2．2.扫描电子显微镜和能量色散光谱学

从每个种植体底部采集标本，切成2mm × 2mm的小方块。用金包裹并在解剖器中干燥24小时。然后使用JEOL JSM-6390LV扫描电子显微镜(日本，东京，秋岛)对他们进行扫描电子显微镜(SEM)评估。用于扫描电镜的样品也用于在与扫描电镜显微镜耦合的仪器上进行的能量色散光谱(EDS)。

2．3.傅里叶变换红外光谱法

衰减的全反射-傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR) (400-4000 cm获得)⁻¹扫描:n= 32，分辨率= 4厘米⁻¹)，使用配备ATR装置(Pike GladiATR™Vision)的Perkin Elmer光谱仪(美国马萨诸塞州沃尔瑟姆市)进行记录。根据技术标准ISO 14949: 2018(第6.2小节)和ASTM 1252-9，硅胶样品的红外光谱应显示六个特征吸收峰:2962±5 cm⁻¹(si (CH_3.）₂）;2906±5厘米⁻¹(si (CH_3.));1260±5厘米⁻¹(si (CH_3.）₂）;1094±5 cm⁻¹(si (CH_3.）₂-O-Si (CH_3.）₂）;1022±5厘米⁻¹(-Si-O-Si) 10;765±5厘米⁻¹(CH_3.）.FTIR分析，每个种植体的面积为10 cm × 10 mm。

2．4．差示扫描量热法

使用Perking Elmer 6000 (Waltham, Massachusetts, United States)记录差示扫描量热(DSC)曲线。从每个种植体壳中提取两个标本，切割并称重(约7 mg±1 mg)，用岛泽数码天平测量重量，精度为0.001 g。标本被放置在铝制平底锅中，然后密封。分析依据ISO 11357-1(2016)和ASTM D3418(2015)技术标准，在配备19.8 ml/min流量的超纯氮气的仪器中进行。方法包括5步:(i) 30°C 3 min;(ii)在10°C/min时从30°C降至-90°C;(iii)−90°C持续30分钟;(iv)在10°C/min时从-90°C增加到30°C;和(iv) 30°C 3分钟。

结晶度值由下式求得:

被分析物质的焓值(Δh)由函数在Pike软件中对熔合峰积分得到。用于100%结晶材料的熔化焓值(Δhc)为38.2 J/g [13］．

2．5．增加测试

交联值由膨胀试验方法获得，该方法基于Di Kassia [14］．取10 mm × 10 mm的标本称重，取值(Mo)。然后在40±1℃条件下浸泡于二甲苯(分析级)中24小时。在这段时间之后，样品从二甲苯中提取，并在真空室中额外干燥24小时。将样品称重并放置24小时干燥。24 h后，再次称重，若测量结果无差异，则取重量值(Ms)。重量测量采用岛津数码秤，精度为0.001 g。交联率的测定公式如下:

2．6．机械试验

机械试验按照技术标准ISO 14607:2018(E) [15]和ASTM D412 [16］．四个样本(n= 4)每个种植体按ISO 37:20172摘取领带状[17]，厚度用数字千分尺测量(补充信息)。实验是在万能试验机EMIC DL3000上进行的，该试验机带有50 kfg载荷传感器(EMIC- sv50型)。每个样本被安装在两个爪之间的末端，在样本的中心部分安装有一个夹片位移传感器(型号为EMIC EE04)。试验采用位移控制模式，速率为500 mm/min，预紧力为0.2 N，得到力(N)与位移(mm)的关系曲线。考虑试样的横截面积(mm)，计算应力-应变曲线²)和初始量程长度。

2.7。退化

光滑和粗糙的膜在37.5°C的降解环境中暴露90天。酸性溶液由盐酸(pH为1.25)组成，碱性溶液由氢氧化钠(pH为13)组成。用PEG Tecnopon和Ag/AgCl细胞测定溶液pH。在此分析中，从种植体外壳底部提取每个种植体的10 cm × 10 mm的正方形。

2.8。统计分析

为了评估两个变量(退化过程和粗糙度)对答案变量(变形对断裂，应变对变形的450%，应变对断裂)的影响，应用了两个因素的方差分析，然后进行配对比较Tukey检验。当不满足方差齐性条件时，对数据进行对数变换。精度水平为0.05。

3.结果与讨论

乳房填充物的寿命在整形外科界和患者中仍然是一个强烈的兴趣和争论的问题。表面整理的效果已经从生物活性方面进行了评价，其中光滑的表面与包膜挛缩有关，粗糙的表面与细菌粘附和淋巴瘤有关。此外，化学性质的评价显示，粗糙的乳房植入物样品比光滑的乳房植入物样品具有更高的亲水性[10］．然而，表面处理对样品力学性能和降解敏感性的影响尚未进行研究。在本研究中，采用我们小组最近提出的方法进行了系统的评估。

图中显示了平滑种植体和粗糙种植体的显微特征1和2,分别。在退化(图1(一))，光滑的样品表面有离散的线条，这是制造过程的结果(图1(一)）.酸性降解后(图1 (b)和1 (c))，制造痕迹更加明显，凹坑的形成如黑色箭头所示。基本的解决方案也引起了表面特征的变化，与收到的样品相比，机器痕迹更加明显，如图所示1 (c)和1 (f)．

粗糙的种植体表面呈不规则状，经碱性和酸性降解后可见改变。原始的粗糙表面具有在制造过程中形成的峰、谷和坑状结构(图)2(a))。尽管有这些不规则之处，膜和凹坑边缘都有光滑的表面，这可以从图中山谷表面的放大图中得到证明2(d).另一方面，在酸之后(图2(b)和2(e))和基本(数字2(c)和2(f)降解时，膜表面有更多的不规则性。所有暴露在降解条件下的样品都观察到了侵蚀特征(黑色箭头)。此外，凹坑边缘遭受了锐化过程，如虚线箭头所示。

综上所述，SEM图像显示，经过碱性和酸性降解阶段后，表面发生了退化。表面层的侵蚀导致光滑和粗糙样品的表面更不规则。粗糙样品的凹坑形态也发生了变化，凹坑边缘在浸入降解溶液后变得更尖锐。这些结果与Amin等人的一项研究一致，在PDMS样本暴露于环境条件下观察到类似的特征[18］．

形貌变化与化学结构的变化是一致的，通过FTIR测定的样品组成在降解研究之前和之后。平滑样品和粗糙样品降解前后的光谱如图所示3(一个)和3 (b),分别。所有样品在2955 cm处均有特征PDMS峰⁻¹(CH CH_3.), 2921厘米⁻¹(CH3), 1456厘米⁻¹(CH_3.不对称变形)，1412厘米⁻¹(CH₂), 1257厘米⁻¹(CH_3.不对称变形)，1078厘米⁻¹(Si-O-Si), 1006厘米⁻¹(si (CH_3.）₂osi (CH_3.）₂)， 765厘米⁻¹(Si - (CH_3.）₂）.经过碱性和酸性降解后，粗糙和光滑的样品在1257 cm处强度均有所增加⁻¹和1078厘米⁻¹，这表明在降解过程中形成了小分子量的硅氧烷(图4) ［19］．此前，Yildirimer等人已经通过FTIR检测到低分子量聚合物的增加[20.以及我们小组最近的一项研究[12］．

热行为也被用作监测工具来评估材料降解前后的变化。这个重要的工具可以用来研究化学结构，因为分子量影响熔点和聚合物结晶度[3.］．

DSC曲线及热性能如图所示5和表1,分别。在酸性和碱性降解后，光滑和粗糙膜的熔点都降低了，这表明低分子量结构的形成[3.］．以往的研究表明，熔点温度与分子量成正比，聚合物链越长，熔点越高[21］．因此，降解后样品结构中较短的PDMS分子的存在解释了熔点的降低。光滑样品降解后熔化焓也有所增加，而粗糙样品降解前后熔化焓基本相同。

对于接收的样品以及降解研究后的样品，光滑膜的结晶度值低于粗糙膜。较低的结晶度与较高的交联度有关，正如Roland和Aroson所报道的[22］．样品降解后结晶度也有所增加。对于光滑的膜，观察到接收到的样品和降解后的值之间有较大的差异。根据我们之前的发现，降解更可能发生在晶体(非交联)区域，证实了这项研究的结果[12］．

交联率如图所示6和表2对所有样本。结果表明，在降解研究前后，光滑样品比粗糙样品具有更高的交联密度。然而，在降解研究后，光滑膜组和粗糙膜组没有观察到变化。

样品接收后的力学性能和降解实验结束时的力学性能结果见表3.和数字S2- - - - - -S7(补充信息)。所有收到的样品均符合ISO 14607标准，且变形450%，无故障。数据显示，光滑和粗糙的膜和样品的机械强度相似的接收和降解研究后。考虑到化学降解，光滑膜和粗糙膜在基本条件下都容易发生机械劣化。这一行为证实了之前的研究结果，即与酸性条件相比，碱性条件导致PDMS样品的降解程度更高[23］．根据Hamilton的说法，在碱性催化中，硅原子作为亲核附着羟基的亲电位点。另一方面，酸催化的水解是由氧质子化引起的，这使得碳更亲电，因而更容易发生化学降解。由于硅氧烷氧在酸性条件下发生随机质子化，因此在酸性条件下形成的反应位点比在碱性环境下少，这也解释了本研究的结果[24］．

采用方差分析(ANOVA)来评估两个变量的影响，降解过程和粗糙度，在450%应变时的机械强度(MPa)，断裂时的机械强度(MPa)和断裂时的变形(表)4）.结果表明，粗糙度和与退化过程相关的粗糙度对力学性能没有影响。然而，降解过程会影响材料的力学性能。

通过Tukey试验评估了在450%应变时降解过程对机械强度(MPa)和断裂时机械强度(MPa)的影响。结果如表所示5．

图凯的试验结果见表5证实了分析组之间的差异。应变的450%的变形和断裂应变仅在对比组接受和暴露于基本溶液时显示差异。酸性爆炸组和碱性爆炸组的变形量存在差异。

乳房植入物的耐用性和使用寿命一直是研究人员、患者和整形外科界的一个强烈兴趣和争论的话题。最近的研究表明，纳米纹理化和石墨烯材料等新技术在乳房植入物表面应用的潜力[25，26］．纳米表面可以改善植入物和组织之间的相容性，减少炎症和炎症相关的并发症，如包膜挛缩、双包膜和晚期血清肿。另一方面，石墨烯在乳房植入物质地化方面具有良好的应用潜力，因为该技术已显示出抗菌效果，并可以延长生物材料的寿命。

4.结论

研究了表面处理对乳房植入物物理化学和力学性能的影响，以及极端降解实验前后的情况。SEM结果显示，光滑膜和粗糙膜降解前后样品表面存在差异。与局部侵蚀有关的浅层的去除得到了证实。红外光谱结果表明，在酸性和碱性环境中，所有样品都产生了低分子量结构。光滑样品的交联度比粗糙样品高。然而，在本研究中，表面织构并不影响样品在接收或降解条件下的力学性能。另一方面，pH值对降解曲线有显著影响，与酸性条件相比，碱性环境导致机械性能的更大恶化。使用极端降解条件不允许将降解剖面与模拟身体条件进行比较;但是，它可以直接比较不同表面结构的耐化学性。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者要感谢CAPES (Izabelle M. Gindri和Lucas K. Azambuja)、CNPq (Gean V. Salmoria和Carlos R. M. Roesler)和FINEP提供的资金支持。

补充材料

样品图形和编码以及机械图形。（补充材料）

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