絲滌混構(gòu)小口徑人造血管的結(jié)構(gòu)與性能

關(guān)　穎，關(guān)國平，楊小元，彭　蕾，王　璐

(東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620)

絲滌混構(gòu)小口徑人造血管的結(jié)構(gòu)與性能

關(guān)穎，關(guān)國平，楊小元，彭蕾，王璐

(東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620)

為了獲得力學性能及生物學性能俱佳的小口徑人造血管，設(shè)計并制備出一系列絲滌混構(gòu)的機織小口徑人造血管管坯，并對其進行結(jié)構(gòu)表征及力學性能研究.結(jié)果表明：紗線線密度與組織類型決定人造血管中絲素的表達率與分布；所有試樣的徑向拉伸強度均優(yōu)于商用人造血管；頂破強度不低于商用ePTFE人造血管(SW)，且均優(yōu)于犬股動脈；水滲透性值均低于170 mL/(cm2·min)，移植前無需預凝；所有試樣的順應(yīng)性均優(yōu)于對照樣SW.

小口徑人造血管；絲素表達率；滌綸；水滲透性；力學性能

很多外周血管疾病和先天性心臟病手術(shù)需要小口徑人造血管進行重建或分流[1].目前大口徑人造血管方面的研究以及臨床應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，但小口徑(<6 mm)人造血管因其特殊的血液流動和血壓特點，較其他部位更易形成血栓和新生內(nèi)膜增厚，導致移植后遠期通暢率低[2].目前商用的小口徑人造血管種類十分有限，主要制造商有Vascutek[3]，Braun和Gore-Tex，且臨床資料少見.人體內(nèi)小口徑血管的內(nèi)直徑低至4 mm以下，移植用人造血管的內(nèi)直徑必須與宿主血管內(nèi)直徑相匹配[4]，因此，臨床需要不同規(guī)格、力學性能及生物學性能更好的小口徑人造血管.

滌綸和膨化聚四氟乙烯(ePTFE)是目前研究較多的小口徑人造血管材料[5].在搭橋手術(shù)中使用小口徑ePTFE血管通暢率非常低[2]，臨床資料顯示，其1年通暢率大約為60%，而3年通暢率低至14%[6-7].盡管如此，ePTFE血管幾乎是唯一的選擇[8]，滌綸小口徑人造血管并未得到較好的應(yīng)用.

基于本課題組此前的研究已經(jīng)獲得的一系列結(jié)構(gòu)均勻、成型良好的機織絲滌混構(gòu)小口徑人造血管，本文著重對這些人造血管試樣進行較為詳細的結(jié)構(gòu)表征與性能研究，包括絲素纖維在人造血管中的表達率及其分布，人造血管的水滲透性、徑向拉伸斷裂強度、頂破強度和順應(yīng)性等.

1　材料和方法

1.1試驗材料

機織管狀成型的6種絲滌混構(gòu)的小口徑人造血管，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1　管狀織物結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1　Structural parameters of the tubular fabrics

采用商品名為Goretex_Standard Wall(SW)、直徑為6 mm的ePTFE商用人造血管用作對照.

1.2絲素表達率與絲素分布的定義及計算方法

本文的初衷是引入絲素纖維，利用其優(yōu)良的血液和組織相容性，達到較好的遠期通暢率.由于人造血管內(nèi)表面與血液直接接觸，因此人造血管內(nèi)表面絲素纖維的表達率與分布對于人造血管的性能至關(guān)重要.本文提出絲素表達率的概念對人造血管內(nèi)表面絲素的平面含量進行描述.

絲素表達率定義：人造血管單位面積的內(nèi)表面中絲素材料面積所占的百分比.具體計算方法：(1)對試樣內(nèi)表面進行顯微拍照；(2)利用Photoshop圖像處理軟件截取單位面積圖像，計算其像素值(圖1和2)，再利用選擇工具選中單位面積區(qū)域中絲素部分，讀取真絲部分像素值(圖3和4)；(3)計算絲素部分像素值占單位面積區(qū)域像素值的百分比即得絲素表達率.

圖1　截取單位面積的圖像Fig.1　Cutting out unit area

圖2　單位面積圖像像素值Fig.2　Pixel value of unit area

圖3　選取真絲部分圖像Fig.3　Selecting silk portion

圖4　真絲部分圖像像素值Fig.4　Pixel value of silk portion

本文同時計算了絲素表達率的理論值.理論值1是假設(shè)織物緊度為100%，經(jīng)緯紗密度、粗細均相同時計算所得；理論值2是依據(jù)本文的設(shè)計經(jīng)緯紗密度(5.00 根/mm×4.00 根/mm)、經(jīng)緯紗實際直徑計算所得.絲素表達率理論值計算示意圖見圖5，則：

(1)

式中：A為單位區(qū)域內(nèi)經(jīng)紗覆蓋的面積；B為單位區(qū)域內(nèi)緯紗覆蓋的面積；C為單位區(qū)域內(nèi)孔隙的面積.

(a) 理論值1

(b) SPT1，SPT2，SPT3的理論值2

(c) SPT4，SPT5，SPT6的理論值2注：黑色為經(jīng)紗所覆蓋的區(qū)域；白色為緯紗所覆蓋的區(qū)域；灰色為孔隙.圖5　絲素表達率理論值示意圖Fig.5　Sketch of the theoretical value of silk expression rate

1.3水滲透性測試

用水滲透儀[9]對人造血管的整體水滲透性進行測試，具體試驗方法參照文獻[10-11].本文取有效測試長度為4 cm的試樣進行整體水滲透性測試，試樣面積為5.024 cm2，連續(xù)測試10 min，分別測量每分鐘的水滲透量，最后取10 min的平均值.

S=π·d·L1

(2)

式中：S為測試面積；d為人造血管直徑(4 mm)；L1為有效測試長度.

1.4徑向拉伸斷裂強度測試

試樣的徑向拉伸斷裂強度參照文獻[10]進行測試，測試示意圖如圖6所示.每個管狀織物測試3次，取3次最大負載力的平均值T(N)，計算徑向拉伸斷裂強度F(N/mm)：

F=T/(2L2)

(3)

式中：L2為試樣長度(20 mm).

圖6　血管徑向拉伸強度測試示意圖Fig.6　Sketch of radial tensile strength test of vascular prototypes

1.5頂破性能測試

頂破強度反映血管承受集中點(面)壓力的能力[12]，本文用探頭頂破強度評價人造血管在遇到諸如假性動脈瘤情況下的力學性能[13].假性動脈瘤指動脈管壁被撕裂或穿破，血液自此破口流出被主動脈鄰近的組織包裹而形成血腫.探頭頂破強度即為人造血管樣本在承受漸升壓力至爆破時的最大強度，探頭頂破受力不等于假性動脈瘤情況下人工血管的受力情況，但是在現(xiàn)有條件下探頭頂破強度測試是最接近的測試方法.將試驗樣品以平布的形式夾在兩個環(huán)形夾頭中間，并將織物位置固定.半球形頂破探頭以恒定速度向下運動，與織物接觸并將其頂破.本文使用溫州大榮儀器有限公司特制的YG-B 026G 型生物醫(yī)用材料多功能強力儀，探頭直徑為1.5 mm.參照文獻[10]的測試方法進行測試.

1.6順應(yīng)性測試

順應(yīng)性通過Bose公司的動態(tài)力學模擬系統(tǒng)測得.它可以精確、實時地記錄被測試血管在脈動壓力下的直徑變化情況.試樣長度為5 cm.根據(jù)文獻[10]要求，分別測試7.0～12.0 kPa,10.7～16.0 kPa,14.7～20.0 kPa這3個壓力段下的順應(yīng)性.順應(yīng)性計算式為

(4)

式中：C為順應(yīng)性(%/(100 mmHg))；p1和p2分別表示低壓力值和高壓力值；Rp2和Rp1分別對應(yīng)為低壓力值和高壓力值時的血管半徑.

1.7統(tǒng)計分析

用Excel 2007進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，所有數(shù)據(jù)值均表示為平均值±標準差.采用t檢驗法比較樣本之間的顯著性差異，p<0.05時認為有顯著差異，p<0.01時認為有極顯著差異.

2　結(jié)果與討論

2.1絲素表達率

絲滌混構(gòu)小口徑人造血管理論絲素表達率、織造管坯絲素表達率及其整理后的絲素表達率如表2所示.以SPT1，SPT2和SPT3為一組；SPT4，SPT5和SPT6為另一組，比較紗線相同、織物組織不同時，試樣絲素表達率的差異.由表2可以看出，SPT1和SPT2的絲素表達率理論值相同，但兩者絲素表達率試驗值有顯著差異.這是由于SPT1的緯密小于SPT2，即單位面積內(nèi)SPT1所含的滌綸部分更少，絲素表達率相對較高.SPT3的理論值和試驗值沒有顯著差異，原因是其交織點最少，打緯阻力小，所以其絲素表達率最接近理論值.SPT4，SPT5和SPT6織造管坯的試驗值均大于理論值2，并有極顯著差異，原因是試樣的經(jīng)紗密度均大于計算理論值時的經(jīng)密(5.00 根/mm)，則在單位區(qū)域內(nèi)真絲紗線分布相對較多.而紗線不同、組織相同時，真絲紗線線密度越大，絲素表達率越大，即SPT1>SPT4，SPT2>SPT5，SPT3>SPT6.

表2　絲滌混構(gòu)小口徑人造血管的絲素表達率理論值和試驗值Table 2　The theoretical and experimental silk expression rate of silk-polyester interwoven small-diameter vascular prosthesis　%

對比織造管坯整理前后的試驗值可以發(fā)現(xiàn)，相同紗線線密度不同組織類型的試樣，其整理前后的試驗值均有顯著差異.由于脫膠使紗線變細，整理后SPT1，SPT3和SPT4的絲素表達率降低.但脫膠處理同時還會使織物緊度增加，整理后SPT2，SPT5和SPT6的絲素表達率反而增加.3種組織類型的人造血管絲素表達率試驗值關(guān)系為1/3斜紋試樣>平紋試樣>2/2斜紋試樣.相同組織類型不同紗線線密度時，絲素表達率大小仍為SPT1>SPT4，SPT2>SPT5，SPT3>SPT6.

實際織造過程中，應(yīng)考慮絲素在人造血管中的分布，由于各組織結(jié)構(gòu)具有不同的特點，平紋組織絲素分布最均勻，2/2斜紋組織絲素表達率最低而絲素分布相對集中，1/3斜紋絲素表達率最高且絲素分布較集中.

2.2水滲透性

水滲透性測試結(jié)果如表3所示.由表3可知，本文所有試樣的水滲透性均在170 mL/(cm2·min)以下，植入人體之前無需預凝[14].

表3　試樣水滲透性測試結(jié)果Table 3　Test results of water permeability of the samples

對于相同紗線線密度不同組織類型的試樣，平紋試樣水滲透性值顯著低于斜紋組織試樣的水滲透性值.因為平紋組織的交織點比斜紋組織多，織物結(jié)構(gòu)更為緊密，不利于水透過管壁，故水滲透值較低.對于不同紗線相同組織結(jié)構(gòu)的試樣，紗線線密度較大的試樣水滲透性值低于線密度較小的試樣值.原因是紗線線密度越大，在相同的織造條件下，織物緊度越大，當水壓相同時，水更不易穿過管壁孔隙流出.

值得一提的是，SPT2，SPT3和SPT4的水滲透性值較為接近.這表明，線密度較大的紗線和致密的組織結(jié)構(gòu)均有益于降低水滲透性，從而可以通過改變紗線線密度或組織結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)試樣的水滲透性.

2.3徑向拉伸斷裂強度

試樣徑向拉伸斷裂測試結(jié)果如表4所示.由表4可見，所有試樣的徑向拉伸斷裂強度均顯著高于對照樣SW的徑向拉伸斷裂強度，說明所制備的絲滌混構(gòu)小口徑人造血管試樣的徑向拉伸強度均滿足臨床使用要求.

表4　試樣徑向拉伸斷裂強度測試結(jié)果Table 4　Test results of radial tensile strength of the samples

對于紗線不同、組織結(jié)構(gòu)相同的試樣，SPT2和SPT5，SPT3和SPT6徑向拉伸斷裂強度無顯著性差異，其原因是徑向拉伸測試時，主要是緯紗受力，各試樣緯紗類型、規(guī)格相同，因此徑向拉伸斷裂強度也相近.對于紗線相同、組織結(jié)構(gòu)不同的試樣，其徑向拉伸斷裂強度大小為平紋試樣<斜紋試樣.不同組織試樣的緯向浮長關(guān)系為平紋<斜紋，而緯向浮長越長，其對織物徑向拉伸斷裂強度的貢獻越大，徑向拉伸斷裂強度值越高，故徑向拉伸斷裂強度大小為平紋試樣<斜紋試樣.對于本文的高密織物試樣，其組織結(jié)構(gòu)(緯向浮長)對徑向拉伸斷裂強度有較大的影響.

2.4頂破強度

試樣頂破強度測試結(jié)果如表5所示.由表5可見，與對照樣SW相比，除SPT5和SPT6外，其他4個試樣的頂破強度均顯著高于SW的頂破強度，說明本文所制備的一系列試樣的力學性能滿足臨床要求.與犬股動脈的頂破強度(0.286 MPa)[15]對比，所有樣本的頂破強度均顯著增大.

表5　試樣頂破強度測試結(jié)果Table 5　Test results of bursting strength of the samples

對于紗線相同、組織不同的試樣，SPT1，SPT2和SPT3的頂破強度沒有顯著差異，但SPT4的頂破強度顯著高于SPT5和SPT6.可能是由于SPT1，SPT2和SPT3試樣的經(jīng)、緯密相近，經(jīng)、緯紗同時承受負荷，故頂破強度也較相近，而SPT4試樣的經(jīng)、緯密差異比SPT5和SPT6小，故其頂破強力比SPT5和SPT6的大.

對于紗線不同、組織結(jié)構(gòu)相同的試樣，SPT2和SPT3的頂破強度分別大于SPT5和SPT6的頂破強度，這是因為SPT2和SPT3的紗線線密度比SPT5和SPT6大.由此說明，對于斜紋組織試樣而言，紗線線密度對試樣的頂破強度影響較大.對于平紋試樣，SPT4的頂破強度顯著高于SPT1.這可能是一方面SPT4的經(jīng)密大于SPT1，所以有更多的經(jīng)紗承受頂破探頭的作用；另一方面SPT1所用經(jīng)紗的斷裂強度為31.8 cN/tex，SPT4所用經(jīng)紗的斷裂強度為34.1 cN/tex.

值得一提的是，SPT4，SPT5和SPT6的頂破強度與其徑向拉伸斷裂強度的變化規(guī)律不一致，主要原因可能是管狀織物徑向拉伸斷裂和頂破的機理不同，影響因素也有差異.測試徑向拉伸強度時，徑向拉伸力主要作用于緯紗上.影響徑向拉伸強度的因素有緯紗的類型、織物組織類型(緯向浮長)等.在頂破強度測試時，變形能力小或強度低的紗線先斷裂，即沿著經(jīng)向和緯向相對撕裂；若經(jīng)緯紗變形能力相近，則經(jīng)緯紗接近同時斷裂，頂破強力也較單系統(tǒng)受力時高.試樣頂破強度主要影響因素為經(jīng)、緯紗的力學性能和經(jīng)緯密.

2.5順應(yīng)性

順應(yīng)性測試結(jié)果如表6所示.由表6可以看出，絲滌混構(gòu)小口徑人造血管的順應(yīng)性介于豬頸動脈[16]和SW之間，且本文所有試樣順應(yīng)性隨壓力變化的規(guī)律是一致的，均在7.0～12.0 kPa時順應(yīng)性值最大，14.7～20.0 kPa時順應(yīng)性值最低.

表6　順應(yīng)性測試結(jié)果Table 6　Test results of compliance　%/(100 mmHg)

3　結(jié)　語

本文對自行研制的一系列絲滌混構(gòu)小口徑人造血管試樣進行了詳細的結(jié)構(gòu)表征及性能測試，結(jié)果表明，采用機織管狀成型的方法織制的絲滌混構(gòu)小口徑人造血管試樣具有均勻穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和良好的力學性能，滿足臨床免預凝的應(yīng)用要求.

紗線線密度與織物組織結(jié)構(gòu)決定絲滌混構(gòu)小口徑人造血管中絲素的表達率與分布.本文所有人造血管試樣的水滲透性值均不大于170 mL/(cm2·min)，使用前無需預凝.所有試樣的徑向拉伸強度均大于對照樣SW；頂破強度也不低于對照樣SW，且均優(yōu)于犬股動脈；試樣的順應(yīng)性均優(yōu)于對照樣SW.

由于Ⅲ類移植型醫(yī)療器械除了需要具備結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定、力學性能良好外，還需具備良好的生物相容性.因此，評價并改善試樣的生物相容性是未來研究的主要方向.

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Structure and Properties of the Silk-Polyester Interwoven Small-Diameter Vascular Prosthesis

GUANYing,GUANGuo-ping,YANGXiao-yuan,PENGLei,WANGLu

(Key Laboratory of Textile Science & Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China)

In order to obtain small-diameter vascular prosthesis with excellent mechanical properties and biocompatibility,a series of silk-polyester interwoven small-diameter vascular prostheses were designed and fabricated,in addition,their structure and mechanical properties were evaluated.The silk expression rate and distribution depended upon the yarn linear density and fabric structure.Overall,the radial strength of all the samples were superior to that of the commercial sample,the bursting strength of all the samples were no worse than that of SW,even better than that of the canine femoral artery.The water permeability of all the samples was lower than 170 mL/(cm2·min),which made the samples preclot-free.The compliance of all the samples was superior than that of SW.Key words: small-diameter vascular prosthesis; silk expression rate; polyester；water permeability; mechanical properties

1671-0444(2015)02-0167-06

2013-09-22

教育部博士點基金資助項目(20100075110001)；國家自然科學基金資助項目(51003014)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2232015A3-02)

關(guān)穎(1991—)，女，河南商丘人，博士研究生，研究方向為生物醫(yī)用紡織品結(jié)構(gòu)與性能.E-mail: ggyf1991@163.com

王璐(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail: wanglu@dhu.edu.cn

TS 106.67

A