具有高缝合保留强度的柔性复合层压材料及其制造方法

相关申请的交叉引用

这是要求来自共同未决的美国临时专利申请序列号63/160,628的优先权权益的国际申请，其以相同的标题在2021年3月12日提交，并通过引用全部并入本文。

背景技术

本发明涉及具有高拉伸强度和缝合保留强度(suture retention strength)的柔性复合层压材料，其用于各种医疗修复手术、器官支持手术、面部重建手术、心包/疝修补手术和类似应用中。

膨体PTFE已在医疗市场中应用于各种长期植入物，例如血管移植物、疝修补片、缝合线、心包补片、面部重建等。由挤出和原纤化的PTFE树脂的热膨胀产生的膨体PTFE的独特非织造微结构已允许受控的组织相互作用。已证明那些受控的组织相互作用促进向内生长或屏障型装置，所述向内生长或屏障型装置支撑、替换或修复在体内存在的组织。PTFE的高润滑性、高柔性、最终产品的生物相容性以及长期的植入历史已使该材料成为主要的植入物候选。然而，与膨体PTFE的医学植入应用相关的问题之一是在其中可发生缝合保留和防止伸长的外科手术中使用该材料的能力。

发明内容

在第一方面中，本公开提供；复合层压材料。所述层压材料由以下各项制造：包含生物相容性材料的第一外层；包含生物相容性材料的第二外层；和第一内层，其包含彼此平行行进且以零度取向的生物相容性线材。所述层都被层压在一起。

在第二方面中，本公开提供；用于产生生物相容性复合层压材料的方法。所述方法包括将生物相容性线材彼此平行地布置以在第一生物相容性材料外层上产生第一中间线材层，和将第二生物相容性外部材料层放置在平行的生物相容性线材上方。加热并压缩所述层压材料以将所述层结合在一起。

附图说明

通过结合附图阅读以下详细描述，将更好地理解本发明，在所述附图中，相同的参考附图标记用于标识相同的元件，并且其中：

图1示出了具有三层的复合层压材料；

图1B示出了织架；

图1C示出了层压压机；

图2A到图2G示出了不同的织造图案；

图3A到图3C示出了不同的针织图案；和

图4A到图4D示出了不同的编织图案。

优选实施方案的详细描述

在以下描述中的优选实施方案中参考附图描述了本发明，其中相同的数字标识相同或相似的元件。

在本说明书的通篇中，对“一个实施方案”或类似语言的提及是指结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施方案中。因此，在本说明书的通篇中短语“在一个实施方案中”和类似语言的出现可以但不必须全部指代相同的实施方案。

本发明的所述的特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合在一个或多个实施方案中。在以下描述中，列出了许多具体细节以提供对本发明的实施方案的充分理解。

然而，相关领域的技术人员将认识到，本发明可以在没有一个或多个具体细节的情况下实施，或者可以利用其它方法、组分、材料等等来实施。在其它情况下，没有详细显示或描述公知的结构、材料或操作，以避免使本发明的方面模糊。

定义

如本文所用，“PTFE”是指聚四氟乙烯，它是四氟乙烯的合成氟聚合物。

如本文所用，“ePTFE”是指已经历膨胀过程的PTFE。通常，膨胀过程从纯PTFE细粉末树脂开始，其可通过添加润滑剂而形成糊状物。然后将糊状物挤出，该糊状物可以是棒材或片材形式。将挤出物固定在将机械拉伸它的装置中，同时加热。将拉伸的部分加热至超过330℃的温度，同时保持在装置中以防止收缩。膨胀可以沿单轴进行或沿双轴进行。将该片加热并膨胀。在膨胀过程期间，ePTFE的密度可被设定为特定的密度，其影响ePTFE的性质，例如孔隙率。例如，密度和孔径之间存在反比关系：随着ePTFE密度的降低，孔隙率增加。

较低的密度还对应于较高的空气渗透性、较大的挠曲的能力、较大的可压缩性和较高的到植入产品中的组织向内生长。较高密度的ePTFE对应于较低的空气渗透性、较小的挠曲的能力、较硬、较小的可压缩性和较低的组织向内生长。

如本文所用，“单轴ePTFE”是指已沿单轴拉伸的ePTFE。ePTFE获得拉伸强度并抵抗沿膨胀的轴线的伸长。

如本文所用，“双轴ePTFE”是指已沿两个轴拉伸的ePTFE。通常，所述两个轴彼此垂直。

如本文所用，“各向异性”是指当在不同方向上测量时拥有具有不同值的物理性质的材料。常见的实例是木材，其沿着纹理比横跨它更坚固。

如本文所用，“烧结”是指对粉末材料施加热和任选还进行压缩以将其锁定在无定形状态中。通常，材料的加热伴随着材料的压缩。

如本文所用，“节点间距离(IND)”是指原纤长度相对于机械膨胀比的量度。ePTFE的微观结构可以描述为大致平行行进的节点组，其具有垂直的纤维将它们连接。连接节点的纤维被称为原纤。通常用于测定ePTFE材料中的孔隙率的是原纤长度；相应地，较大的IND等于较高的孔隙率，且较小的IND等于较低的孔隙率。

如本文所用，“孔隙率”是指ePTFE膜中的孔隙的量和尺寸。孔隙率可以通过ePTFE膜的节点间距离或膜的密度来量化。无孔PTFE是无孔的，且不具有任何孔，其密度为2.15g/cc。高密度/低孔隙率ePTFE具有＜15微米(0.015mm)的节点间距离和＞0.85g/cc的密度。中等密度/中等孔隙度ePTFE具有20-40微米(0.020-0.040mm)的节点间距离和0.40-0.60g/cc的密度。低密度/高孔隙率ePTFE具有40-80微米(0.040-0.080mm)的节点间距离和＜0.35g/cc的密度。

如本文所用，“层压粘附”是指当层被层压在一起时所产生的结合。层压在层之间产生了夹持强度，使得它们夹持相邻层并且不在彼此之上滑动或移位。

如本文所用，“织造”不限于使两根纱/线交错以使它们以直角彼此交叉以产生织造层的方法。“织造”用于包含针织和编织的结果。针织是一种通过将一系列一根或多根纱/线的线圈互锁来构造层的方法，并且编织物是通过将三根或更多根纱/线交织而形成的复杂的图案的结构。

本公开提出了多层复合层压材料，其具有高缝合保留、低伸长率(伸长率测量断裂前长度的百分比变化)、和在每层的所有轴上的高拉伸强度、和对于在各种组织修复和器官支持外科手术中的应用的高柔性。

参考图1A，多层复合层压材料100包括生物相容性膜外层105，层101、102和103是抗撕裂层，层104和106是无定形结合层，和另一生物相容性膜外层107。

最具生物相容性的材料之一是聚四氟乙烯(PTFE)。PTFE可在适当的条件下沿一个或多个轴膨胀，以在膨胀的方向(沿一个轴，这被称为加工方向(machine direction))上获得更大的拉伸强度，以制造微孔膜。在某些实施方案中，ePTFE膜外层105和107包含单轴膨胀的PTFE。在其它实施方案中，ePTFE膜外层105和107基本由多轴膨胀的PTFE组成。在膨胀之后，PTFE膜沿膨胀的轴或在加工膨胀方向上获得拉伸强度和低伸长率。

进一步地，在某些实施方案中，ePTFE膜外层105和107包含多轴膨胀的聚四氟乙烯(PTFE)。在其它实施方案中，ePTFE膜外层105和107基本由多轴膨胀的PTFE组成。PTFE沿其膨胀的轴的数目越多，则PTFE膜在所有这样的方向上获得越大的拉伸强度和低伸长率。

要解决的重要问题是当使用缝合将植入的层压材料固定到体内的各种组织(例如腹壁疝修复的实例中的腹壁)时的缝合保留强度。缝合保留是层压材料抵抗通过用缝合线固定层压材料而引起的撕裂、剪切、牵拉或其它损害的能力。缝合线可剪切、撕裂或牵拉穿过某些材料。具有保留缝合的层压材料增加了涉及层压材料的任何手术的成功。本发明的层压材料包含具有各种分层的、织造的、编织的和针织的图案的中间层，以提高缝合保留强度，所述缝合保留强度在牵拉过程期间直到根据美国国家标准协会/美国医疗仪器促进协会(ANSI/AAMI)的规定确定断裂时进行测量。因此，本发明的层压材料被设计为具有抗撕裂性、抗剪切性、抗断裂性等，这至少符合对可植入装置的国家和/或国际要求。

参照图1A，层101、102和103包括抗撕裂层。这些层由ePTFE线材制造，并且类似于用于将植入的层压材料连接到其植入上的组织的缝合线。ePTFE线材加强了层压材料，以阻止缝合线撕裂、剪切、断裂或以其它方式损害可植入层压材料。将所述线材定位，使得当用缝合线固定层压材料时，该缝合线将穿过ePTFE线材或越过其上方，且不仅仅是穿过ePTFE片材的层而缝合。

可植入层压材料构造为实现特定的品质。构造的部分和品质来自ePTFE线材。因此，ePTFE线材被设计为具有用于可植入层压材料的特定品质。改变线材的密度改变了线材的宽度、孔隙率、断裂强度、伸长率、层压粘附和剪切强度。在各种实施方案中，线材的密度可为.1g/cc至.9g/cc，并且更具体地.3g/cc至.7g/cc。例如，线材的密度可以是.5g/cc。更通常地，根据特定应用的需要而选择线材的ePTFE密度，以支持片材性能(即柔性、缝合保留、织造设计等)。可植入层压材料中的线材被设计为与用于将层压材料固定到组织的缝合线相互作用。层压材料中的ePTFE线材向层压材料增加强度，使得固定缝合线将不撕裂穿过层压材料或牵拉线材穿过层压材料。在大多数实施方案中，线材是膨体PTFE。在大多数实施方案中，线材是非膨体PTFE。通常，在使用非膨体PTFE的实施方案中，线材被较远地间隔开，使得层压材料保持一些其孔隙率。

将所述层合并产生了具有成功地将材料植入身体中所必需的性质的可植入材料。为了获得最佳的成功，应使用对应于身体的特定区域的层压结构。这些特定的层压结构将是不同的，并且将确保最大的成功。例如，与心包结合使用的层压材料不应允许任何组织向内生长到层压材料中，然而，与动脉结合使用的层压材料应允许组织生长到层压材料中，这将进一步固定该层压材料并加强动脉，以及用于矫正疝中的层压材料应允许组织在该层压材料的一侧上向内生长而不在另一侧上向内生长。在一些实施方案中，外层通过无定形多孔结合层层压到抗撕裂线材层。在其它实施方案中，外层直接层压到线材层。

再次参考图1A，从下向上构建层压材料：外层105是ePTFE膜。外层105可以由单轴ePTFE或双轴膨体ePTFE构成。ePTFE膜的优选厚度为.1mm至.5mm。ePTFE膜的更优选厚度为.2mm至.4mm。ePTFE膜的最优选厚度为.3mm。具有高孔隙率的变形ePTFE层用于连接外层105与线材层。在一些实施方案中，外层通过无定形多孔结合层层压到分层的线材层。在其它实施方案中，外层直接层压到线材层。线材层中的每个布置均在一个平面中，其中每层的线材彼此平行行进。线材被间隔开，使得它们不接触相邻的线材。线材之间的距离为.05mm至2.5mm。每根线材为.005mm至.020mm。在某些实施方案中，使用多种直径的线材。多种线材直径产生具有加强的部分的网格图案。线材层102以90°取向布置，线材被间隔，使得每根线材不接触以相同取向布置的任何其它线材。线材层101以0°取向布置，线材被间隔，使得每根线材不接触以相同取向布置的任何其它线材。线材层103以45°取向布置，线材被间隔，使得每根线材不接触以相同取向布置的任何其它线材。第二无定形层106有助于将第二外层107结合到层压材料。外层107可以是单轴ePTFE或双轴ePTFE。在其中外层107为单轴ePTFE的实施方案中，该层将取向为使得膨胀的轴垂直于外层105的膨胀的轴或与其成90°。通过使外层105的膨胀的轴垂直于外层107的膨胀的轴取向，层压材料沿两个轴获得了拉伸强度并限制了伸长率。虽然本发明描述了三个抗撕裂层，但可使用任何数目的抗撕裂层。在一些实施方案中，存在ePTFE线材的单个抗撕裂层。在其它实施方案中，存在两个ePTFE线材的抗撕裂层。

一旦每个层已布置，就加热并压缩层压材料。加热和压缩将各层结合或层压在一起。线材被布置为棒或圆柱形线材。在层压过程期间，在一些实施方案中，使线材压缩或变平。线材在与线材的其余部分一致的水平平面上变得更宽，且在垂直于线材的其余部分的垂直平面上变得更窄。在层压过程中ePTFE线材的变平增加了线材的表面积，这增加了线材与其它层的层压粘附。层压粘附或夹持强度是线材在层压材料中保持固着并且不从层压材料中拉出的能力。在某些实施方案中，在层压过程期间，层压材料未被压缩得那么紧实，并且线材未变平。

外层是对于层压材料的性质而言的决定层，并决定层压材料应与什么组织一起使用。在某些实施方案中，ePTFE膜外层105和107设计为使得它们将形成对将层压材料与其相邻植入或植入在内的组织的屏障。该屏障将不允许组织生长到层压材料中。其中这合乎需要的组织的实例是包围心脏的心包。在该实施方案中，层压材料的外层105和107将包含高密度/低孔隙率ePTFE膜，其通常具有10-15微米的孔隙率。

在其它实施方案中，例如动脉修复，外层105和107将包含中等密度/中等孔隙率的ePTFE膜。通常这些将具有20-40微米的孔隙率。这将允许向内生长到层压材料中。在一些实施方案中，需要将层压材料甚至更好地整合到组织上，并且将使用低密度/高孔隙率的ePTFE膜。

在又其它实施方案中，合意的是，层压材料的一侧允许组织向内生长，而层压材料的另一侧充当屏障并且不允许任何组织向内生长。这些实施方案将具有包含高密度/低孔隙率ePTFE膜的外层105和包含中等密度/中等孔隙率的ePTFE膜的外层107。

在某些实施方案中，ePTFE膜外部110和ePTFE膜外部130具有不同于彼此的孔隙率，并且一个具有低孔隙率，且另一个具有高孔隙率。节点和原纤形成孔隙，生物组织例如肌肉纤维、血管等可通过所孔隙生长。组织生长和与膨体PTFE膜的连接有利于将该膜固着和固定到组织，这对于其在医疗修复和器官支撑外科手术中的应用是重要的。例如，在肥胖、免疫抑制或先前已进行过腹部外科手术的患者之中疝形成的速率高，导致在美国每年超过2百万的腹腔镜疝修复。为了防止疝复发，植入的假体材料必须固定到腹壁(腹壁疝是最常见的疝，因此，腹壁疝在此用作一个实例)，并且必须能够承受咳嗽、过度用力(straining)和常规手术后活动所产生的压力，直到发生足够的组织向内生长。为了确保植入的材料与腹壁的结合，通常采用穿过筋膜的缝合(transfascial suture)。

参照图1B，夹紧架150包括用于层压材料中的每层的夹紧框架。层压材料的层延伸超过框架内部。ePTFE膜的第一外层放置在基底架159上。一个或多个线材层放置在线框架157上。在线框架157内的栓钉，例如栓钉155，用于将线材保持就位。ePTFE线材围绕栓钉例如栓钉155缠绕。第二外层放置在框架153上。上框架151放置在第二外层的顶部上。框架件被夹紧或拧在一起。一旦框架被组装，加热板和压缩板就被装配在框架的内边缘之内。层压材料被压缩和加热，并且层结合在一起。在一些实施方案中，将无定形ePTFE放置在线材层与第一和第二外层之间以增加层的层压粘附。

一旦层已布置在框架150上，框架150就放置在层压压机内,例如图1C的层压压机内。层压压机包括上液压臂161、上层压板162和下层压板163。通常，下液压臂将也是层压压机的一部分(在该图中，下液压臂被层压压机的框架遮挡)。框架固定到层压压机。然后，当层压材料被保持在框架中时，上液压臂161将上层压板162下压到层压材料上，并且下液压臂将下层压板163上压到层上，所述层压板通过板内的加热元件加热，并且层压材料的层被固定在一起，从而产生单个层压材料。在一些实施方案中，上液压臂161推动所述层压板直到其接触层压材料的上外层，并且下液压臂推动所述下层压板直到其到达层压材料的下外层。这些实施方案加热层并用热使它们结合，这些实施方案中层压材料的厚度基本上是所有层的合并的厚度。在其它实施方案中，在加热层压板的同时，上液压臂161向下推动上层压板162，并且下液压臂向上推动下层压板163，从而将所述层压材料的层压缩在一起。这通过压力和热将所述层结合在一起。除了通过压力和热将所述层结合在一起之外，将所述层压缩在一起的实施方案改变了层压材料的总厚度，由于上层压板162和下层压板163将层压材料压缩在一起时，所以层压材料的厚度减小。层压材料的厚度可以通过层的组合和在层压过程期间使用多少压力来确定。

例如且如图2A中所示，每个纵向多孔PTFE棒材在每个横向多孔PTFE棒材的下方和上方交替地穿过，以产生具有好的稳定性和合理的孔隙率的对称中间层120A。参照图2B，在另一实施例中间层120B中，纵向多孔PTFE棒材和横向多孔PTFE棒材可以织造成交叉影线图案。在图2C中所示的另一个实施例中，一个或多个纵向多孔PTFE棒材在两个或多个横向多孔PTFE棒材的上方和下方交替地织造，以产生中间层120C。

参照图2D，中间层120D的纵向多孔PTFE棒材和横向多孔PTFE棒材可以织造成缎纹组织(satin weave)图案以产生更少的经纱和纬纱的交叉。在线材重复图案之前，任何数目的PTFE棒材(但通常为4、5和/或8根)可以交叉并在任一方向(即横向或纵向)上在下方或上方穿过。参照图2E，中间层120E的纵向多孔PTFE棒材和横向多孔PTFE棒材可以织造成席纹组织(basket weave)图案，其中两根或更多根经线与两根或更多根纬线交替地交错。

参照图2F，纵向多孔PTFE棒材和横向多孔PTFE棒材可以织造成纱罗组织(lenoweave)图案以形成中间层120F。纱罗组织是一种其中相邻的经线围绕连续的纬线扭曲以形成螺旋对，从而有效地将每根纬线“锁定”在就位的组织。纱罗组织可以与其它织造图案结合使用。附加地或可选择地，如图2G中所示，中间层120G的纵向多孔PTFE棒材和横向多孔PTFE棒材可以编织成仿纱罗组织图案，其中少数的经线以规则的间隔而通常隔开若干根线材，从交替的上下交错偏离，并且作为替代每两条或更多根线材交错。这在纬线方向上以相似的频率发生。

进一步地，较粗的增强线，例如具有大于0.002英寸的直径和较高的拉伸强度的多孔PTFE棒材，可以以规则的间隔以上文所述的任何图案交织。

参考图3A至3C，除织造之外或作为织造的替代，多孔PTFE棒材可以以不同的图案针织以形成具有不同的孔隙率、拉伸强度和缝合保留强度的中间层。类似地，参考图4A至4D，多孔PTFE棒材可以另外或作为替代地以不同的图案编织以形成具有不同的孔隙率、拉伸强度和缝合保留强度的中间层。另外，在某些实施方案中，多孔PTFE棒材可以以不同的图案织造、针织、编织、或其任何组合，以形成具有不同的孔隙率、拉伸强度和缝合保留强度的中间层。

在某些实施方案中，围绕层压材料的周边插入针织或编织的层。针织或编织的层并不覆盖整个层，作为替代它放置成使得增强区域围绕层压材料的周边。这在层压材料可能缝合到组织的地方为层压材料提供了增加的强度，并使层压材料的大部分包含ePTFE膜。

对于其缝合保留强度进一步对基于以上描述的每种图案进行测试。例如，对于根据特定图案制备的每个中间层，制造针孔，将缝合线穿过该针孔而成线圈，并且将该缝合线连接到拉伸测试机以研究和生成每个图案的应力-应变曲线。缝合保留强度定义为在该测试过程期间的峰值强度。

尽管已经详细地说明了本发明的优选实施方案，但是应当清楚，在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以想到对那些实施方案的修改和调整。