編織型醫(yī)用管腔內(nèi)支架的編織工藝研究

隋紋龍 陳南梁

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620;2.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

醫(yī)用管腔內(nèi)支架是一種通過細(xì)小的管道進(jìn)入管腔狹窄處預(yù)定的部位，釋放以后能擴(kuò)張至設(shè)定的口徑，對人體管壁產(chǎn)生持續(xù)而均勻的支撐力，從而保持管腔通暢的管狀醫(yī)療器材。目前，隨著各種介入治療技術(shù)的發(fā)展，各種管腔內(nèi)支架的研制也引起了人們越來越多的重視，已經(jīng)應(yīng)用于臨床的有尿道、膽道、食道、氣管及血管等內(nèi)支架。近年來，非血管內(nèi)支架的開發(fā)逐漸成為醫(yī)用管腔內(nèi)支架開發(fā)領(lǐng)域的熱門［1］。在紡織技術(shù)中，機(jī)織［2］、針織［3］、非織和編織［4］都可以用來加工管狀織物。然而，機(jī)織結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管縱橫向彈性和延伸性較差;針織管狀織物表面不平整;非織管狀織物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，強(qiáng)力不足［4］，硬挺度也不夠。

編織技術(shù)可以進(jìn)行仿形編織，根據(jù)物體的形狀和尺寸，直接編織成與物體外形相近的各種管道。編織物的軸向伸縮性比機(jī)織結(jié)構(gòu)好，富有彈性，厚度適宜，表面比針織結(jié)構(gòu)平整，且具有良好的孔隙率。因此，在導(dǎo)管制作成型方面與其他紡織技術(shù)相比，二維管狀編織方法具有操作簡便、結(jié)構(gòu)參數(shù)易調(diào)以及利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)［4］。

徑向支撐力是支架對徑向外壓的抵抗力或支架對作用于其外力的應(yīng)變力，它關(guān)系到支架展開后能否牢固地貼附于管壁，是支架最重要的技術(shù)指標(biāo)之一［5］。支撐力弱的管腔內(nèi)支架釋放后不能給予狹窄段管腔足夠的力學(xué)支撐，而且容易在管腔內(nèi)移位。支撐力過強(qiáng)的管腔內(nèi)支架釋放后會造成局部管腔內(nèi)壁的損傷并嵌入到管腔壁內(nèi)，引起周圍組織過度的修復(fù)反應(yīng)，造成內(nèi)膜過度增生等并發(fā)癥。

本試驗(yàn)的目的是研究編織工藝參數(shù)對由不同直徑的原料織成的編織型管腔內(nèi)支架的徑向支撐性能的影響，從而為編織需要滿足特定支撐性能要求的管腔內(nèi)支架提供原料選擇和工藝參數(shù)方面的支持。在編織過程中，影響編織工藝的因素主要有紗線線密度、齒輪比、編織高度、錠子數(shù)和導(dǎo)管直徑。本文中的導(dǎo)管直徑和錠子數(shù)都是確定的，主要研究在同一錠子數(shù)的二維編織機(jī)上，紗線線密度、齒輪比和編織高度對織成的管腔內(nèi)支架壓縮性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用原料

本試驗(yàn)編織的管腔內(nèi)支架是應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上的，因此，在編織材料選取上除了考慮長絲的結(jié)構(gòu)、物理機(jī)械性能外，其良好的生物相容性也是一個(gè)重要因素。同時(shí)，考慮到樣品單絲要來源豐富、價(jià)格相對低廉，最終本試驗(yàn)選取了在醫(yī)學(xué)上常用的兩種不可降解的生物材料丙綸和滌綸作為試驗(yàn)材料。規(guī)格:直徑為 0.25 mm 的丙綸，直徑為 0.15和0.25 mm的滌綸。

1.2 試驗(yàn)用設(shè)備

本試驗(yàn)所用設(shè)備有東華大學(xué)生物醫(yī)用實(shí)驗(yàn)室的32錠二維立式錠子編織機(jī)，烘箱，體式顯微鏡;還有由萊州電子儀器有限公司組裝的管狀織物壓縮儀。

1.3 試驗(yàn)方案

(1)分別用滌綸和丙綸長絲在編織機(jī)上進(jìn)行編織，工藝參數(shù):齒輪比為130/44和130/56，編織高度為21.5和20.5 cm，套在直徑為2 cm的金屬芯棒上。本試驗(yàn)共編織了12種管腔內(nèi)支架樣品，試驗(yàn)安排如表1所示。

表1 編織試驗(yàn)安排

(2)將套在金屬芯棒上的編織物放在烘箱內(nèi)一定溫度下進(jìn)行熱定型。熱定型的目的是使纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或織物的形狀在熱作用下固定并獲得一定的尺寸，從而保證熱定型后從芯棒上退下來的織物形狀及性能的穩(wěn)定性。參考相關(guān)資料及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)確定的最優(yōu)熱定型條件見表2。

表2 丙綸和滌綸的最優(yōu)熱定型條件

(3)用體式顯微鏡對從芯棒上退下來的編織物孔徑進(jìn)行直接觀察和測量，每組試樣的孔徑測量三組數(shù)據(jù)，取平均值。此處的孔徑是指編織物表面長絲交織構(gòu)成的菱形結(jié)構(gòu)的最短對角線長度，每一組數(shù)據(jù)是指對一個(gè)樣品上30個(gè)孔徑的測量所得的平均值［6］。

(4)用自行設(shè)計(jì)的壓縮儀對12種內(nèi)支架編織物進(jìn)行壓縮性能測試。該壓縮儀的工作原理為:上端固定的壓柱連接著傳感器，被測試的管道支架放置在下端平臺上，該平臺可升降以實(shí)現(xiàn)徑向壓縮管道;壓縮儀與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)中的壓縮測試軟件采集并顯示壓縮試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)。

到目前為止，還沒有管腔支架徑向壓縮性能測試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)根據(jù)人體管腔內(nèi)支架徑向擠壓的生物力學(xué)以及以往的經(jīng)驗(yàn)，確定的測試條件為:濕度65%，溫度20℃，反復(fù)壓縮3次，壓縮速度10 mm/min，壓縮距離1 cm(管腔支架初始直徑的50%)，測試樣品長度3 cm，測試樣品數(shù)3個(gè)/組。壓縮測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 管腔內(nèi)支架的壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 結(jié)果和討論

2.1 纖維直徑及種類對管腔內(nèi)支架徑向壓縮性能的影響

圖1顯示了兩種不同直徑的滌綸和一種丙綸所編織的管腔內(nèi)支架在不同工藝參數(shù)下的壓縮性能，圖形橫軸的 1、2、3、4分別表示齒輪比 130/44、編織高度20.5 cm，齒輪比130/44、編織高度21.5 cm，齒輪比130/56、編織高度20.5 cm，齒輪比130/56、編織高度21.5cm四種工藝參數(shù)。由圖1可以看出，在其他參數(shù)不變的情況下，由直徑為0.25 mm的滌綸編織的內(nèi)支架的徑向支撐力和彈性回復(fù)性能都優(yōu)于由0.15 mm的滌綸編織的內(nèi)支架。這是由于0.25 mm的滌綸抗彎剛度更高，由其編織成的支架在受到壓縮時(shí)，具有更大的抵抗變形的能力;并且在壓縮力去除時(shí)，其應(yīng)力松弛率低，即塑性變形小，從而具有更高的彈性回復(fù)率。同理，在相同的編織工藝參數(shù)下，相同直徑的滌綸抗彎剛度比丙綸大，并且由于纖維分子的結(jié)構(gòu)不同，在負(fù)荷作用一段時(shí)間后，滌綸的應(yīng)力松弛率明顯小于丙綸，故由0.25 mm滌綸編織的管腔內(nèi)支架的徑向支撐性能和彈性回復(fù)性能都好于由同直徑的丙綸編織的管腔內(nèi)支架。

圖1 三種管腔內(nèi)支架在四種不同編織工藝參數(shù)下的壓縮性能

2.2 齒輪比和編織高度對管腔內(nèi)支架徑向壓縮性能的影響

由圖2和圖3可見，編織高度和纖維種類一定時(shí)，隨著齒輪比的減小，管腔內(nèi)支架的壓縮強(qiáng)力減小，而彈性回復(fù)率增大。對比圖2與圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)齒輪比與纖維種類一定時(shí)，隨著編織高度的增加，管腔內(nèi)支架的壓縮強(qiáng)力減小，而壓縮彈性回復(fù)率增加。

圖2 編織高度20.5 cm，不同齒輪比時(shí)管腔內(nèi)支架的壓縮性能

由此可知，齒輪比越大或者編織高度越小時(shí)，管腔內(nèi)支架的壓縮強(qiáng)力越大，而彈性回復(fù)率越小。這是由于齒輪比增大時(shí)，編織時(shí)上升牽拉速度相對較快，單位長度內(nèi)芯棒上編織的纖維根數(shù)越多，使得編織出的支架內(nèi)纖維交錯(cuò)越緊密。而編織高度越小，編織角越大，同樣，編織出的管腔內(nèi)支架的纖維交錯(cuò)越緊密，使得單位面積內(nèi)的承力纖維根數(shù)越多，故其徑向支撐力越大。而當(dāng)支架發(fā)生變形后纖維間的摩擦力越大，阻礙了其回復(fù)到原來的形狀，即彈性回復(fù)率越小。

3 結(jié)論

(1)編織型管腔內(nèi)支架的徑向支撐力、壓縮彈性回復(fù)率與纖維的抗彎剛度之間存在著顯著的非線性冪函數(shù)關(guān)系。纖維的抗彎剛度越大，用其編織的管腔內(nèi)支架的徑向壓縮力越大，而纖維受到壓縮后回復(fù)到原來形狀的可能性越小，即彈性回復(fù)率越小。

圖3 編織高度21.5 cm，不同齒輪比時(shí)管腔內(nèi)支架的壓縮性能

(2)編織機(jī)齒輪比大小對編織型管腔內(nèi)支架的徑向支撐力、壓縮彈性回復(fù)率的影響顯著。齒輪比越大，編織時(shí)單位長度內(nèi)芯棒上編織的纖維根數(shù)越多，編織出的管腔內(nèi)支架的纖維交錯(cuò)越緊密，支架受到壓縮時(shí)承力纖維越集中，故其徑向支撐力越大;同時(shí)發(fā)生變形后纖維之間的摩擦力越大，阻礙了其回復(fù)到原來的形狀，即彈性回復(fù)率越小。

(3)編織高度對管腔內(nèi)支架的徑向支撐力、壓縮彈性回復(fù)率也有明顯影響。編織高度越小，編織角越大，管腔內(nèi)支架單位面積內(nèi)承力纖維的根數(shù)越多，徑向支撐力越大;而壓縮變形后交叉纖維的根數(shù)也越多，摩擦力越大，越難回復(fù)到原來的形狀，即彈性回復(fù)率越小。

［1］歐陽墉.管腔內(nèi)支架的最新研究進(jìn)展［G］//第六屆西部介入放射學(xué)術(shù)會議寧夏醫(yī)學(xué)會放射學(xué)分會第四屆年會介入放射學(xué)新技術(shù)繼續(xù)教育學(xué)習(xí)班論文匯編.2009:8.

［2］李倩，王云云，李毓陵，等.機(jī)織人工氣管的性能分析［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2011，29(6):12-14.

［3］張佩華，王文祖，陳南梁.針織醫(yī)用金屬內(nèi)支架的編織工藝研究［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，28(5):30-33.

［4］張萬靈.可降解管道支架的紡織參數(shù)對其徑向壓縮性能的影響［D］.上海:東華大學(xué)，2012:1-49.

［5］黃躍平，范志寧，李榮華，等.醫(yī)用內(nèi)支架力學(xué)性能的評價(jià)和檢驗(yàn)方法的研究［J］.中國醫(yī)療器械信息，2008(14):50-54.

［6］呂運(yùn)轉(zhuǎn).編織型神經(jīng)再生導(dǎo)管孔隙率的表征及對神經(jīng)導(dǎo)管性能的影響［D］.上海:東華大學(xué)，2007:24-55.