三維紡織基疝修復(fù)假體的壓縮性能定量研究

苗琳莉， 毛 迎， 李 彥， 孫紅蕊， 關(guān)國(guó)平,3， 王富軍,3， 王 璐,3

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 3. 東華大學(xué) 紡織生物醫(yī)用材料科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新引智基地， 上海 201620)

三維紡織基疝修復(fù)假體的壓縮性能定量研究

苗琳莉1,2， 毛 迎1,2， 李 彥1,2， 孫紅蕊1， 關(guān)國(guó)平1,2,3， 王富軍1,2,3， 王 璐1,2,3

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 3. 東華大學(xué) 紡織生物醫(yī)用材料科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新引智基地， 上海 201620)

三維紡織基疝修復(fù)假體良好的抗壓縮性能是保證疝氣治療無(wú)張力手術(shù)的關(guān)鍵，然而目前對(duì)于其抗壓縮性能的評(píng)價(jià)尚無(wú)量化研究。為此，通過采用壓縮儀探索定量表征三維紡織基疝修復(fù)假體抵抗壓縮性能的測(cè)試方法及指標(biāo)，進(jìn)而獲得影響測(cè)試結(jié)果的主要因素。結(jié)果表明：壓縮儀測(cè)試可定量表征三維紡織基疝修復(fù)假體的壓縮性能；壓縮強(qiáng)力、應(yīng)力松弛率和塑性變形率可較全面地評(píng)價(jià)三維紡織基疝修復(fù)假體的壓縮性能；約束環(huán)直徑和壓縮量等測(cè)試參數(shù)對(duì)三維紡織基疝修復(fù)假體的抗壓縮性能指標(biāo)均有明顯影響；三維疝修復(fù)假體的壓縮測(cè)試最佳參數(shù)為3 cm直徑約束環(huán)，30%壓縮量。

三維疝修復(fù)補(bǔ)片； 壓縮性能； 疝氣； 聚丙烯； 壓縮測(cè)試方法

疝氣是常見的外科疾病，指人體組織或器官由于生理或病理性缺損或腹壁薄弱處產(chǎn)生突起[1]，其中腹股溝疝的發(fā)病率最高[2]，男、女性終生發(fā)病率分別為27%和3%[3]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)[4]統(tǒng)計(jì)，世界每年約有2 000萬(wàn)例疝修補(bǔ)手術(shù)，我國(guó)每年約有300萬(wàn)新發(fā)的腹股溝疝病人。1989年，現(xiàn)代無(wú)張力疝修補(bǔ)手術(shù)逐漸代替了傳統(tǒng)的組織修復(fù)，術(shù)后疼痛輕，恢復(fù)快，初發(fā)疝修補(bǔ)術(shù)后復(fù)發(fā)率低于1%，復(fù)發(fā)性疝低于2%[5-6]。1982年，文獻(xiàn)[7]首先報(bào)道了腹腔鏡腹股溝疝修補(bǔ)術(shù)，1990年證實(shí)其具有術(shù)后恢復(fù)快和疼痛少的優(yōu)點(diǎn)[8]。近20年來(lái)，無(wú)張力疝修補(bǔ)術(shù)和紡織基疝修復(fù)假體的出現(xiàn)，推動(dòng)了腹股溝疝修補(bǔ)的發(fā)展。

目前，應(yīng)用較多的紡織基疝修復(fù)假體材料有聚丙烯(PP)、聚酯(PET)、膨化聚四氟乙烯(ePTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等[9-11]。聚丙烯材料因具有相容性好、抗張強(qiáng)度性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于外科手術(shù)中[12]。疝氣修補(bǔ)術(shù)中常用的紡織基假體結(jié)構(gòu)主要包括普通二維平片及三維補(bǔ)片2種。其中，三維紡織基疝修復(fù)假體通常是由二維平面結(jié)構(gòu)材料經(jīng)熱處理所得，其外觀形態(tài)從平面轉(zhuǎn)為立體，不但可方便手術(shù)操作，還能更好地適應(yīng)解剖結(jié)構(gòu)。植入人體后，該結(jié)構(gòu)的補(bǔ)片在受到腹腔壓力的擠壓時(shí)可分散壓力，減小缺損邊緣的應(yīng)力集中，同時(shí)還具有一定剛度，不會(huì)因太柔軟而發(fā)生外翻?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，三維紡織基疝修復(fù)假體在被用于填塞法和疝環(huán)填充式手術(shù)中填補(bǔ)缺損疝環(huán)時(shí)，可使得腹腔壓力對(duì)缺損腹橫筋膜的沖擊力得到緩解。研究表明，立體網(wǎng)塞良好的抗壓縮性能是保證手術(shù)治療成功的重要因素，然而對(duì)于具有瓣?duì)顖A錐形態(tài)的三維紡織基疝修復(fù)假體，國(guó)內(nèi)外均缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法，尤其是對(duì)抗壓縮性能亟需研發(fā)量化方法予以表征。

基于本課題組前期研究獲得的一系列結(jié)構(gòu)形態(tài)良好的三維紡織基疝修復(fù)假體，本文著重于測(cè)試和表征該系列三維紡織基疝修復(fù)假體的抗壓縮性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料

選用5種不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的聚丙烯平片通過特殊模具熱定型后得到的三維紡織基疝修復(fù)假體(見圖1)，每種試樣制備30個(gè)網(wǎng)塞樣品，其物理結(jié)構(gòu)如表1所示。其中試樣厚度采用CH-12.7-BTSX數(shù)顯千分臺(tái)式測(cè)厚儀測(cè)得，孔隙率參照ISO 7198—1998《心血管植入物——人工血管》中的面積法，采用SMZ745T體視顯微鏡(尼康儀器(上海)有限公司)測(cè)得。其中高度是指試樣頂點(diǎn)的垂直高度，用游標(biāo)卡尺測(cè)量。

圖1 三維紡織基疝修復(fù)假體Fig.1 3-D textile prostheses. (a) Sample appearance； (b) Compressive test status

試樣編號(hào)厚度/mm孔隙率/%高度/mmA0504±00214271±2972331±098B0513±00104258±1822217±153C0532±00124332±1952106±145D0537±00124108±2062119±093E0530±00164128±3012218±124

1.2壓縮實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)

三維紡織基疝修復(fù)假體用于疝修復(fù)時(shí)，受腹腔壓力和人體活動(dòng)如咳嗽、打噴嚏時(shí)產(chǎn)生的擠壓力影響，發(fā)生一定程度的形變。此種受力情況與平面假體完全不同，因此需采用新的測(cè)試方法對(duì)其壓縮性能進(jìn)行測(cè)試。壓縮性能反映了三維結(jié)構(gòu)的體內(nèi)移植物在一個(gè)方向上受力變形而引起整體的力學(xué)性能變化。本文利用YG061型徑向壓縮儀器，測(cè)試三維紡織基疝修復(fù)假體的壓縮性能，反映其承載負(fù)荷能力、剛度和回彈性。

腹股溝疝根據(jù)缺損大小可分為3種類型：I型：≤1.5 cm；II型：1.5～3.0 cm；III型：≥3.0 cm[13]。或者，可分為小切口疝(<4 cm)，中切口疝(4～8 cm)[14]。本文選取III型和小切口疝缺損這2種臨床常見尺寸，使用內(nèi)徑分別為3、4 cm，高度為0.5 cm的圓環(huán)作為試樣測(cè)試時(shí)的約束環(huán)。參考人工血管壓縮性能的常用壓縮量50%[15]，并根據(jù)網(wǎng)塞結(jié)果特征，即壓縮約20%接觸褶皺花瓣，壓縮約超過30%有應(yīng)力平臺(tái)特征，將壓縮量分別設(shè)置為20%、30%和50%，模擬三維紡織基疝修復(fù)假體用于手術(shù)時(shí)底部受到約束，頂部承受壓力的狀態(tài)(見圖1(b))。通過改變底部約束程度和受壓程度，用于表現(xiàn)三維疝修復(fù)假體在患者體內(nèi)的不同受力狀態(tài)。

1.3壓縮性能參數(shù)的表征

壓縮強(qiáng)力反映三維紡織基疝修復(fù)假體抗擠壓能力；彈性回復(fù)率反映其受外力擠壓后回復(fù)原狀的能力；塑性變形率反映其受到反復(fù)壓力后產(chǎn)生的不可回復(fù)變形量；應(yīng)力松弛率反映其在恒定應(yīng)變下，所受應(yīng)力隨時(shí)間的衰減程度；抗壓力保持率反映其在反復(fù)壓力下的抵抗壓縮能力[16]。上述指標(biāo)較全面地表征三維紡織基疝修復(fù)假體的壓縮性能，具體計(jì)算公式如下。

1.4統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 20.0.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所有數(shù)據(jù)值均表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，樣本量為5。采用t檢驗(yàn)法比較樣本間的顯著性差異：p<0.05時(shí)認(rèn)為有顯著差異；p<0.01時(shí)認(rèn)為有極顯著差異。

2 結(jié)果與討論

2.1典型壓縮曲線分析

三維紡織基疝修復(fù)假體的形態(tài)特殊，所以它的壓縮曲線與其他管狀織物的不同，其壓縮曲線會(huì)隨假體表面的折痕而出現(xiàn)輕微的波動(dòng)。圖2示出典型的三維紡織基疝修復(fù)假體壓縮性能。

圖2 壓縮性能Fig.2 Compressive properties. (a) Typical compressive resilience curve；(b) Figures of compression process；(c) Typical compressive resilience curves of different compression

由圖2可知，當(dāng)壓縮量約為4%時(shí)，三維紡織基疝修復(fù)假體開始出現(xiàn)屈服區(qū)，主要體現(xiàn)在形變量的增速逐漸加快，同時(shí)產(chǎn)生的塑性變形量逐漸變大。當(dāng)壓腳接觸網(wǎng)塞的花瓣時(shí)(見圖2(a)、(b)中的標(biāo)記點(diǎn)①)，壓縮模量增加，當(dāng)壓縮量超過30%時(shí)(見圖2(a)、(b)中的標(biāo)記點(diǎn)②)，壓縮強(qiáng)力不再隨著壓腳的降低而增大。這是因?yàn)閴耗_面積比試樣受壓面積小，試樣被壓部分會(huì)向內(nèi)凹陷，并隨著壓腳的降低繼續(xù)向內(nèi)凹陷，但三維紡織基疝修復(fù)假體外部花瓣褶皺處無(wú)變化。在這個(gè)過程中，假體受到的壓縮強(qiáng)力改變很小。當(dāng)壓腳下降到某種程度時(shí)，三維紡織基疝修復(fù)假體的內(nèi)部凹陷部分會(huì)牽引著外部花瓣下降，壓縮強(qiáng)力從而開始升高(見圖2(a)、(b)中的標(biāo)記點(diǎn)③)。這時(shí)，三維紡織基疝修復(fù)所受的壓縮量繼續(xù)增加，在壓縮量為50%時(shí)，壓縮強(qiáng)力達(dá)到最大值(見圖2(a)、(b)中的標(biāo)記點(diǎn)④)。三維紡織基疝修復(fù)假體在被壓縮后回復(fù)時(shí)的曲線比較光滑，在50%壓縮量時(shí)，試樣被壓下去的凹陷處無(wú)法及時(shí)復(fù)原，如圖2(b)中標(biāo)記點(diǎn)⑤所示，壓縮強(qiáng)力為0，對(duì)應(yīng)圖2(a)中標(biāo)記點(diǎn)⑤，隨著試樣凹陷部位緩慢地回

復(fù)，壓縮回復(fù)曲線開始表現(xiàn)出受力增大的現(xiàn)象(見圖2(a)、(b)中的標(biāo)記點(diǎn)⑥)。

2.2壓縮量對(duì)壓縮特征指標(biāo)的影響

在不同壓縮量的測(cè)試條件下，三維紡織基疝修復(fù)假體的壓縮特征指標(biāo)如表2～6所示。

表2 約束環(huán)(3 cm和4cm)的壓縮強(qiáng)力Tab.2 Compressive strength of confinement rings( 3 cm and 4 cm) cN

表3 約束環(huán)(3 cm和4cm)的應(yīng)力松弛率Tab.3 Stress relaxation rate of confinement rings( 3 cm and 4 cm) %

表4 約束環(huán)(3 cm和4cm)的抗壓力保持率Tab.4 Compressive resistance retain of confinement rings(3 cm and 4 cm ) %

表5 約束環(huán)(3 cm和4cm)的彈性回復(fù)率Tab.5 Elastic recovery of confinement rings (3 cm and 4 cm) %

表6 約束環(huán)(3 cm和4 cm)時(shí)的塑性變形率Tab.6 Plastic deformation rate of confinement rings(3 cm and 4 cm) %

表2表明，當(dāng)壓縮量從20%增加到30%時(shí)，壓縮強(qiáng)力明顯變大，壓縮量不斷增大，但壓縮強(qiáng)力的增幅并不顯著。三維疝修復(fù)假體為三維立體圓錐形結(jié)構(gòu)，測(cè)試時(shí)錐尖向上較為光滑，中部偏上的部分側(cè)面開始出現(xiàn)褶皺，下部花瓣形結(jié)構(gòu)起支撐作用，因此壓縮量增大時(shí)儀器受到的阻力增加，表現(xiàn)為壓縮強(qiáng)力增大。如表3所示，在3 cm約束環(huán)作用下，B、C、D、E試樣的應(yīng)力松弛率隨著壓縮量的增加而減小。在4 cm約束環(huán)作用下，A、C、E試樣的應(yīng)力松弛率隨著壓縮量的增大而先變大后減小。在壓縮量為30%時(shí)，B和D試樣的應(yīng)力松弛率比20%時(shí)小，但20%和30%壓縮量下的應(yīng)力松弛率均無(wú)顯著性差異，當(dāng)試樣在50%壓縮量下測(cè)試時(shí)，應(yīng)力松弛率均顯著下降，且對(duì)于C、D、E試

樣，20%和50%壓縮量下的應(yīng)力松弛率之間有顯著性差異，因此當(dāng)壓縮量超過30%時(shí)，壓縮量越大，三維疝修復(fù)假體的應(yīng)力松弛率越小。表4表明，壓縮量對(duì)三維疝修復(fù)假體的抗壓力保持率的影響無(wú)明顯規(guī)律。對(duì)表5、6數(shù)據(jù)分析可知，壓縮量對(duì)試樣的彈性回復(fù)率沒有明顯的影響，但對(duì)塑性變形率的影響非常顯著，如2.1所述，當(dāng)壓縮量增加至50%時(shí)，部分彈性形變未能及時(shí)回復(fù)，三維疝修復(fù)假體的塑性變形量越大。綜上可得出，利用壓縮強(qiáng)力、應(yīng)力松弛率和塑性變形率可較全面地評(píng)價(jià)三維紡織基疝修復(fù)假體的壓縮性能。

2.3約束環(huán)對(duì)壓縮性能的影響

表7示出基于方差分析法(ANVOA)的各壓縮量下對(duì)約束環(huán)直徑(3 cm和4cm)的t檢驗(yàn)P值。

表7 不同壓縮量下3 cm與4 cm約束環(huán)之間的t檢驗(yàn)P值Tab.7 P values of 3 cm and 4 cm confinement rings under different compressions

由表7分析可知，約束環(huán)大小對(duì)各試樣在不同壓縮量下的壓縮強(qiáng)力有顯著影響，結(jié)合表2可知，在3 cm約束環(huán)作用下，試樣的壓縮強(qiáng)力為4 cm約束環(huán)作用的1.3～1.8倍。

由表3、4可知，各試樣在不同壓縮量時(shí)，3 cm約束環(huán)下的應(yīng)力松弛率均大于4 cm約束環(huán)下的應(yīng)力松弛率，抗壓力保持率則反之。約束環(huán)大小對(duì)A試樣在各壓縮量下的應(yīng)力松弛率和抗壓力保持率均無(wú)顯著影響，且對(duì)E試樣在30%壓縮量下的應(yīng)力松弛率和抗壓力保持率均無(wú)顯著影響。由表5可知，試樣在3 cm約束環(huán)作用下的彈性回復(fù)率要比在4 cm約束環(huán)作用下的小。在壓縮量為20%時(shí)，A試樣在3 cm約束環(huán)作用下的彈性回復(fù)率波動(dòng)要大于

在4 cm約束環(huán)作用下的，但是約束環(huán)大小對(duì)其沒有明顯的影響；在壓縮量為50%時(shí)，約束環(huán)大小僅對(duì)E試樣有顯著影響。由表6可知，在壓縮量為20%和30%時(shí)，約束環(huán)大小對(duì)A試樣的塑性變形率沒有明顯影響；但是對(duì)B、C、D和E試樣的塑性變形率影響顯著，而且試樣在3 cm約束環(huán)作用下的塑性變形率大于4 cm約束環(huán)作用下的。

2.4約束環(huán)和壓縮量對(duì)壓縮強(qiáng)力的影響

對(duì)各三維疝修復(fù)假體在相同測(cè)試條件下的壓縮強(qiáng)力進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如表8所示。表中數(shù)據(jù)表明，不同測(cè)試條件對(duì)壓縮強(qiáng)力有顯著影響，對(duì)其進(jìn)行多重比較分析，表9示出多重比較分析中P>0.05的樣本對(duì)。

表8 壓縮強(qiáng)力ANVOA統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab.8 ANVOA statistical analysis on compressive strength

表9 壓縮強(qiáng)力中無(wú)顯著性差異的樣品對(duì) (P>0.05) Tab.9 Samples of compressive strength without significant difference (P>0.05)

在3 cm約束環(huán)作用下，當(dāng)壓縮量為20%時(shí)，各試樣之間的壓縮強(qiáng)力大小順序?yàn)椋築>A>C>D>E，其中A與B試樣之間無(wú)顯著性差異，且都僅與E試樣之間的壓縮強(qiáng)力有顯著性差異，在不同測(cè)試條件下的壓縮強(qiáng)力值均相近，且比C、D和E試樣大。在壓縮量為30%時(shí)，各試樣之間的壓縮強(qiáng)力表現(xiàn)為：A>B>C>D>E，A、B與C、D之間有顯著性差異，C與E之間有顯著性差異。在壓縮量為50%時(shí)，各試樣之間的壓縮強(qiáng)力表現(xiàn)為：A>B>E>C>D，A、B與C、D、E之間有顯著性差異。

當(dāng)約束環(huán)直徑為4 cm時(shí)，在20%的壓縮量作用下，A與B試樣、B與C試樣都沒有明顯差異，且A、B試樣均與D、E試樣之間的差異顯著，各試樣的壓縮強(qiáng)力順序?yàn)椋築>A>C>D>E。在壓縮量為30%和50%時(shí)，A、B試樣與C、D、E試樣之間存在顯著性差異，各試樣壓縮強(qiáng)力順序?yàn)椋篈>B>C>D>E。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用壓縮儀對(duì)5種平片補(bǔ)片制備的圓錐體結(jié)構(gòu)的三維紡織基疝修復(fù)假體進(jìn)行力學(xué)性能表征，探索約束環(huán)直徑和壓縮量對(duì)三維紡織基疝修復(fù)假體的壓縮強(qiáng)力、應(yīng)力松弛率和抗壓力保持率等壓縮性能的影響。結(jié)果表明，壓縮量和約束環(huán)直徑都會(huì)對(duì)其壓縮強(qiáng)力產(chǎn)生一定的影響。其中，壓縮量越大，壓縮強(qiáng)力和塑性變形率越大，當(dāng)壓縮量超過30%時(shí)，壓縮量越大，應(yīng)力松弛率越小。而壓縮量對(duì)其抗壓力保持率和彈性回復(fù)率基本沒有影響。此外，約束環(huán)的直徑越大，其抗壓力保持率和彈性回復(fù)率越大，但壓縮強(qiáng)力、應(yīng)力松弛率和塑性變形率反而會(huì)越小。壓縮量為50%時(shí)，網(wǎng)塞的部分結(jié)構(gòu)無(wú)法及時(shí)恢復(fù)，故使用20%、30%的壓縮量更能完整地表征網(wǎng)塞的壓縮性能。

采用壓縮儀測(cè)試可定量地表征三維紡織基疝修復(fù)假體的壓縮性能，為國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)三維紡織基疝修復(fù)假體時(shí)與國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比提供了測(cè)試方法。壓縮儀器還可對(duì)多層結(jié)構(gòu)的三維疝修復(fù)假體進(jìn)行測(cè)試，研究不同層數(shù)與結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能影響，更有利于國(guó)內(nèi)研發(fā)符合市場(chǎng)需求的新產(chǎn)品。

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Compressionperformancetestofthreedimensionaltextileprosthesesforherniarepair

MIAO Linli1,2， MAO Ying1,2， LI Yan1,2， SUN Hongrui1， GUAN Guoping1,2,3， WANG Fujun1,2,3， WANG Lu1,2,3

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofTextilesScienceandTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 3.ScientificandTechnologicalInnovationNetworkofBiomedicalTextileMaterials,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Compression performance of three dimensional hernia prostheses was key point in hernioplasties. However, standard for characterization and evaluation system of three dimensional hernia prostheses were not established. Therefore, compressometer was used to study the quantitative characterization method and parameters of compression performance of three dimensional hernia prostheses. The impacts of different test conditions on compression performance were analyzed. The results show that it is successful to quantitatively test compression performance of three dimensional hernia prostheses using compression equipment, and it is likely to perfectly characterize compression performance by compression strength, stress relaxation rate and plastic deformation rate. In addition, the impact of restraining ring and level of compression on compression performance are obvious. Three centimeters of restraining ring and 30% level of compression are the optimal parameters.

3-D hernia mesh; compression performance; hernia; polypropylene; compression test method

10.13475/j.fzxb.20161006407

TS 186.1

A

2016-10-22

2017-05-27

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0303300-03)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目(B07204)

苗琳莉(1990—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)用紡織材料。王璐，通信作者，E-mail：wanglu@dhu.edu.cn。