滌綸基人工心臟瓣膜的設計制備及其物理和力學性能初探

李慧慧，陳詩萍，魏岑，秦思瑜，高晶，3，王璐，3

1.東華大學 紡織學院(上海, 201620）

2.紡織面料技術教育部重點實驗室(上海, 201620）

3.紡織行業生物醫用紡織材料與技術重點實驗室(上海, 201620）

0 引言

心臟瓣膜是保證心臟血液循環定向流動的生物閥門。心臟瓣膜發生病變會影響人體正常的血液循環，嚴重瓣膜病患者需要用機械瓣或生物瓣進行人工瓣膜置換［1］。圖1列舉了目前研制出的幾種人工心臟瓣膜植入物［2］。其中圖1（a）所示的機械瓣具有良好的血流動力學特性，但易引發感染和血栓，患者需進行終生抗凝治療。圖1（b）所示的生物瓣具有良好的血液相容性，但極易鈣化且耐久性較差［3］。經導管主動脈瓣置換術由于具備風險小、創傷小、患者術后恢復快等特點，已成為治療高齡、重癥患者的首選手術方案［4］。如圖1（c）所示，目前臨床上使用的介入瓣材質與外科生物瓣相同，瓣膜在裝載壓縮或球囊擴張時會因折疊變形受到損傷，從而導致其耐久性進一步降低。因此人們一直致力于更符合人體自身瓣膜結構且具有良好耐久性的新型人工瓣膜材料的研究。

圖1 人工心臟瓣膜［2］Fig.1 Heart valve substitutes［2］

心臟瓣膜的主要成分是膠原纖維、彈性纖維和蛋白多糖基質［5］。其中膠原纖維主要沿周向排列，是瓣膜中的主要承力結構，彈性纖維沿徑向排列可提供一定的彈性和抗張強度［6］。因此瓣膜組織具有正交各向異性的特性［7］，圖2 所示為人體主動脈瓣的各向異性基質結構［8］。瓣膜組織的各向異性不僅影響其力學性能，而且影響血流動力學功能。因此探究瓣膜材料結構的力學各向異性對于瓣膜性能的研究具有重要的意義。

圖2 人體主動脈瓣的各向異性基質結構［8］Fig.2 Anisotropic matrix structure of an aortic valve［8］

1 材料與方法

1.1 試驗材料選擇

滌綸具有優異的力學性能，滌綸材料作為人工心臟瓣膜縫合環的主要材料也已應用于臨床［9］。與滌綸單絲相比，滌綸復絲成型的織物表面的孔隙更加均勻，且滲透性能更小，故本次實驗采用滌綸復絲作為實驗原料［10］。選擇四種不同結構參數的滌綸復絲紗線為原料，其規格參數如表1所示。紗線力學性能在醫用紡織品多功能強力儀YG(B)026G-500上測試得出。每種紗線試樣測試10次，取平均值。

表1 實驗紗線規格及其力學性能Tab. 1 Experimental yarn specifications and mechanical properties

1.2 滌綸基心臟瓣膜織物的制備

1.2.1 織物結構參數設計

瓣葉材料的厚度、滲透性能及力學性能是影響瓣膜正常生理功能的重要因素。而機織織物結構緊密，織造工藝參數可控，因此本實驗采用機織成型工藝，使用劍桿自動小樣織機進行滌綸基心臟瓣膜織物的制備。同時為進一步探究瓣葉織物結構參數與其各項性能之間的關聯性，設計正交試驗，通過改變織物的密度、紗線種類及組織結構，優化結構參數，從而制備得到基本滿足瓣葉性能要求的織物。

1.2.2 正交試驗設計

本實驗分別以織物經密、織物緯密、緯紗種類及組織結構作為織物結構的影響因素，設計四因素三水平的正交試驗，正交試驗方案如表2所示。

1.2.3 滌綸基心臟瓣膜織物的織造

采用滌綸復絲Y1為經紗，不同結構參數的滌綸復絲 Y2、Y3和Y4為緯紗，依據正交試驗方案表2，在全自動劍桿織機YASL2300-12-24上進行織造，坯布經低頻超聲波清洗15 min后烘干，制備得到試樣織物，置于恒溫恒濕實驗室中24 h，進行各項指標測試。

表2 正交試驗方案Tab. 2 Experimental yarn specifications and mechanical properties

1.3 滌綸基心臟瓣膜織物的物理和力學性能評價

1.3.1 織物厚度測試

在臺式測厚儀（上海六棱儀器廠）上測試織物厚度，每個試樣測試10次，取平均值。

1.3.2 織物水滲透性能測試

參 照 標 準ISO 7198:2016，在 賈 立 霞 等［11］設計搭建的紡織型人造血管水滲透性測試裝置(CN03129179.1)上進行織物截面水滲透性的測試。在120 mmHg (1 mmHg=133.32 pa)的靜水壓下測試單位時間內透過樣品單位面積的水流量，通過測試10 min內的水流體積，從而計算平均水滲透性[mL/(cm2·min)]。

1.3.3 織物力學拉伸性能測試

根據GB/T 3923-2013 《紡織品織物織物拉伸性能》，采用醫用紡織品多功能強力儀YG(B)026G-500（溫州市大榮紡織儀器有限公司），依次測量織物經向與緯向的拉伸斷裂強度。每一塊試樣經向與緯向各測試3次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 織物厚度分析

瓣葉的厚度對于瓣膜的正常生理功能具有很大的影響，孫華保等［12］發現瓣膜相對較薄時，彈性較好，瓣口面積周邊較薄，從而開口面積較大。王聰等［13］發現隨著二尖瓣瓣膜厚度逐漸增大，瓣膜應力逐漸下降，瓣葉的閉合程度也隨之降低。經導管瓣膜瓣葉較薄，才能裝入小直徑的輸送鞘管，但同時又要有足夠的厚度，以承受工作時產生的各種應力［14］。對于經導管瓣膜，瓣葉厚度一般為0.25 mm［15］。

圖3所示為本次正交試驗組合中9塊織物的厚度測試結果。由圖3可知試樣1的厚度最小為0.177 mm，試樣8的厚度最大為0.433 mm。而試樣5的厚度為0.252 mm，最為接近經導管瓣葉厚度的要求，其對應的織物經紗采用150D/48f的滌綸復絲Y1，緯紗采用100D/36f的滌綸復絲Y4，經密400根/10 cm，緯密400根/10 cm，組織結構為平紋。

圖3 9種實驗方案制備的試樣織物厚度Fig.3 The thickness of the sample fabric prepared by 9 experimental schemes

對織物厚度進行極差分析，結果表明織物的密度對于厚度的影響最為顯著。隨著織物密度的增大，織物的厚度不斷增大。當織物經密和緯密分別為200根/10 cm和400根/10 cm時，織物的厚度較為滿足瓣葉厚度的要求。因此本次實驗中主要考慮織物經緯密對于滌綸基瓣葉厚度的影響。

2.2 滲透性分析

人工心臟瓣膜的滲透性能對于實現瓣膜的基本生理功能及保持良好的耐久性具有很大的意義。瓣葉材料的滲透性好，則血漿不易滲透至材料內部，同時血小板、纖維素、成纖維母細胞等不易在瓣葉表面附著，從而可以提高瓣膜的抗血栓性能和耐久性，并減少鈣化［16］。

圖4所示為織物的平均水滲透性，織物5、織物6、織物8和織物9的水滲透性能均低于300 mL/cm2/min，滿足瓣葉織物對滲透性的要求。

圖4 9種實驗方案制備的試樣織物的平均水滲透性Fig.4 The average water permeability of sample fabrics prepared by 9 experimental schemes

織物水滲透性的極差分析結果表明，織物的經密、緯密、緯紗種類和組織結構對于織物的水滲透性能均有較大的影響，隨著經密和緯密的增大，織物的水滲透性不斷降低。對于平紋和斜紋組織而言，平紋織物的水滲透性更小。

2.3 力學拉伸性能分析

心臟瓣膜是一種力學各向異性材料, 陳煒生等［6］對10名正常人的二尖瓣進行了一維拉伸實驗，實驗結果表明瓣膜周向的抗拉強度和彈性模量均比徑向的抗拉強度和彈性模量高2～3倍。瓣膜優異的力學特性與其生理功能相適應，較大的周向彈性模量在瓣膜開啟時承受拉伸負荷，較小的徑向彈性模量使瓣膜在開閉時保持良好的柔韌性［22-23］。心臟瓣膜的各向異性不僅影響其力學性能，而且影響血流動力學。研究人工心臟瓣膜材料的力學性能對于瓣膜的其他生理功能的實現具有重要意義。

圖5（a）所示為織物經緯向的彈性模量，從圖中可知，織物的經向彈性模量均高于緯向彈性模量，且具有較大的差異性。因此可以采用滌綸基瓣葉的經向與緯向分別作為生物瓣葉的周向與徑向。由圖6（b）可知9塊織物經緯向的彈性模量比范圍為 1.58～1.87，9塊織物均存在一定的力學各向異性。Radjeman［24］等對牛心包組織的力學各向異性進行了研究，實驗結果表明牛心包周向彈性模量為徑向彈性模量的2倍左右。因此在本次實驗中織物6和織物7的力學各向異性最為接近牛心包生物瓣。

圖5 9種實驗方案制備的試樣織物彈性模量Fig.5 Sample fabrics prepared by 9 experimental schemeselastic modulus

織物經緯向彈性模量極差分析結果表明，織物的經密緯密對于織物的彈性模量影響較為顯著，隨著經緯密的增加，織物的彈性模量不斷增大。從組織結構的角度分析，平紋織物的模量高于斜紋織物。

2.4 基于正交試驗結果的綜合分析

表3綜合了試樣織物物理和力學性能結果。各因素對于滌綸基瓣葉織物的厚度、滲透性及經緯向彈性模量的影響具有一定的差異性。織物的經緯密越大，織物的厚度增加，經緯向彈性模量增大，滲透性越小。本次實驗采用的三種緯紗中滌綸復絲Y2的彈性模量較低其對應織物的彈性模量也較低。平紋織物與斜紋織物相比，其滲透性更小，但是具有較高的模量。

表3 9種實驗方案制備的試樣織物物理和力學性能結果Tab. 3 The physical and mechanical properties of the sample fabrics prepared by 9 experimental schemes

在本次實驗制備的9塊織物中，織物6的厚度為0.283mm，其滲透性為199.69 mL/cm2/min，經緯向彈性模量比為1.87，綜合各方面因素最為接近生物瓣葉的性能要求。其采用醫用滌綸復絲(150D/48f)為經紗，醫用滌綸復絲(150D/48f)為緯紗，織物經密400根/10m，緯密600根/10 cm，組織結構為2上2下斜紋組織。

3 結論

本研究以滌綸復絲為原料，通過設計正交試驗，制備得到了不同組織結構參數的滌綸基人工瓣葉材料，并對其厚度、滲透性及力學性能進行了測試與評價。本次研究制備的9塊試樣的織物厚度范圍為0.177 mm～0.433 mm，與生物瓣葉的厚度相比，滌綸基瓣葉織物可以在厚度性能方面滿足要求。其中5個試樣織物的滲透性能低于300 mL/(cm2·min)，證明滌綸基瓣葉可以滿足生物瓣葉對于滲透性能的要求。通過調整織物結構參數，織物的經緯向彈性模量比可以接近生物瓣周向與徑向的彈性模量比。其中正交試驗組合6所制備的滌綸基瓣葉厚度為0.283 mm，其滲透性為199.69 mL/(cm2·min)，經緯向彈性模量比為1.87，最為接近牛心包生物瓣葉的性能要求。

本研究通過討論不同紡織成型工藝參數對于滌綸基瓣葉性能的影響，初步探究了滌綸基瓣葉作為人工心臟瓣膜的可能性，為未來采用紡織基材料進行人工瓣膜研究提供了一定的依據。但還需要進一步深入研究仿真瓣葉的力學性能及其構效關系。