聚丙烯盆底補片的熱定型工藝與性能

管俊杰，楊潔瑩，張佩華

(東華大學 a.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室；b.紡織學院，上海 201620)

聚丙烯盆底補片的熱定型工藝與性能

管俊杰a,b，楊潔瑩a,b，張佩華a,b

(東華大學 a.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室；b.紡織學院，上海 201620)

選用直徑為0.1 mm的醫(yī)用聚丙烯單絲，由經(jīng)編編織制備了盆底補片，探討了熱定型溫度和時間對盆底補片的基本參數(shù)(厚度、面密度、孔隙率)和力學性能(頂破強力、拉伸斷裂強力、縫線拉脫強力和彎曲剛度)的影響規(guī)律.試驗結(jié)果表明：在熱定型張力一定的情況下，熱定型溫度和時間對盆底補片的基本參數(shù)影響較小，熱定型溫度對盆底補片的力學性能影響較大；在相同熱定型時間條件下，隨著熱定型溫度的升高，盆底補片的斷裂強力、頂破強力、拉脫強力下降，但橫向剛?cè)嵝院?；該盆底補片的熱定型優(yōu)選工藝參數(shù)為溫度130℃、時間15min.

聚丙烯單絲; 盆底補片; 熱定型; 性能

盆底功能障礙性疾病極大地影響婦女的健康和生活質(zhì)量.治療該疾病的主要方式為植入盆底補片替代已受損失效的盆腔筋膜組織，盆底補片不僅可以支撐膨出的器官，也可以作為供人體自身組織修復(fù)生長的支架[1-2].據(jù)統(tǒng)計，中國已婚已育女性中，約45%有不同程度的盆底功能障礙，其中40%～70%的患者需要使用盆底補片進行治療[3-5].大量國內(nèi)外研究顯示，盆底補片應(yīng)用于女性盆底修復(fù)已取得良好的效果[6-9].

目前，修復(fù)女性盆底的盆底補片種類繁多.由于醫(yī)用聚丙烯單絲具有良好的力學性能和優(yōu)良的生物相容性，三梳帶空穿經(jīng)編網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)具有較好的柔韌性和較大的強力，因而醫(yī)用聚丙烯單絲經(jīng)編網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)成為該領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一種盆底補片修復(fù)材料.然而，聚丙烯單絲編織盆底補片下機后的形態(tài)和尺寸穩(wěn)定性很差，必須經(jīng)過熱定型處理使其具有相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和尺寸.國外的文獻多聚焦于對已有盆底補片商品的性能對比研究，很少涉及熱定型工藝對盆底補片性能的影響[10-12]，而國內(nèi)關(guān)于熱定型的探討多集中在疝氣盆底補片領(lǐng)域[13-14].理想的盆底補片應(yīng)具有以下特性[15]：(1)最小的異物反應(yīng)；(2)有彈性可彎曲；(3)容易縫合；(4)較好的組織相容性；(5)允許膠原纖維長入；(6)能夠使組織永久修復(fù)；(7)具有較好的張力；(8)能夠抗感染；(9)較少的并發(fā)癥.與疝氣盆底補片相比，聚丙烯盆底補片在孔隙率[16]及柔韌性方面具有不同的要求.

本文選用自主研發(fā)的醫(yī)用聚丙烯單絲，在專用經(jīng)編小樣機上制備了三梳帶空穿經(jīng)編網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)盆底補片，研究了該盆底補片的熱定型工藝與性能之間的關(guān)系.通過調(diào)整熱定型工藝參數(shù)，測試定型后盆底補片的基本參數(shù)和力學性能，并分析熱定型工藝參數(shù)對盆底補片性能的影響.

1　試驗部分

1.1試驗材料

1.1.1醫(yī)用聚丙烯單絲

醫(yī)用聚丙烯單絲由東華大學纖維材料改性國家重點實驗室研制，單絲直徑為0.1mm，單絲表面結(jié)構(gòu)光滑(如圖1所示).該單絲的熱力學性能分別如表1和圖2所示.

圖1　聚丙烯單絲顯微鏡照片(×100)Fig.1　Microscopic picture of polypropylene monofilament (×100)

表1　聚丙烯單絲的熱力學性能Table 1　Thermodynamic properties of polypropylene monofilament

圖2　聚丙烯單絲的差示掃描量熱法分析圖像Fig.2　Differential scanning calorimetry picture of polypropylene monofilament

1.1.2聚丙烯盆底補片

選用三梳帶空穿網(wǎng)眼組織(如圖3所示)，在16E機號經(jīng)編小樣機上制備聚丙烯盆底補片試樣，其墊紗數(shù)碼及穿紗方式如下：

GB1： 2-3/2-1/2-3/1-0/1-2/1-0// 1穿1空；

GB2： 1-1/1-0/1-0/2-2/2-3/2-3// 1空1穿；

GB3： 1-0/1-2/1-0/2-3/2-1/2-3// 1穿1空.

圖3　聚丙烯盆底補片墊紗運動圖Fig.3　Lapping diagrams of polypropylene pelvic mesh

1.2熱定型

熱定型是指通過加熱使纖維及織物形態(tài)和尺寸相對穩(wěn)定的過程[17].為了保證熱定型后盆底補片的縱橫密度恒定，試驗時給予盆底補片恒定張力.恒定張力的確定方法如下：織物下機后實測橫密和縱密分別為7.5縱行/cm和13橫列/cm，而熱定型后盆底補片的目標橫密和縱密分別為6.7縱行 /cm和12橫列/cm.熱定型針板為長方形，先確定針板的長× 寬為32cm×28.3cm，然后通過計算可得熱定型前下機織物的尺寸應(yīng)為

根據(jù)圖2可知，盆底補片的熱定型溫度范圍為110～140℃.但預(yù)試驗顯示，當熱定型溫度為140℃時，盆底補片熔融黏結(jié)，無法得到完整的試樣.因此，最終確定以熱定型溫度和時間為試驗變量，試驗方案如表2所示.

表2　熱定型試驗方案Table 2　Experimental scheme of heat setting

1.3盆底補片基本參數(shù)和力學性能指標及測試方法

1.3.1基本參數(shù)

盆底補片的基本參數(shù)主要包括厚度、面密度和孔隙率.

(1) 厚度.試驗所用儀器為YG 141N型數(shù)字式織物厚度儀，參考GB/T 3820—1997.

(2) 面密度.試驗所用儀器為FA 2004A型電子天平，將恒溫恒濕平衡處理48h的盆底補片剪成150mm×150mm標準大小，稱其質(zhì)量，測試5次取平均值.

(3) 孔隙率.采用計算機圖像處理方法計算盆底補片的孔隙率.使用顯微鏡隨機拍攝5張盆底補片的圖片，將圖像導入Matlab軟件中計算得出最佳閾值，然后用Photoshop軟件對5張圖像進行灰度處理，將閾值調(diào)整為最佳值，計算白色像素占總像素的比值即為盆底補片的孔隙率.

1.3.2力學性能

盆底補片的力學性能主要包括斷裂強力、頂破強力、拉脫強力和剛?cè)嵝?

(1) 頂破強力.使用HD 026H200型電子織物強力儀，參考GB/T 19976—2005.

(2) 斷裂強力.盆底補片的拉伸斷裂強力分為縱向和橫向斷裂強力.本試驗使用HD 026H200型電子織物強力儀，參考GB/T 3923.1—1997.

(3) 拉脫強力.采用單根縫線拉斷盆底補片的方法測試盆底補片的抗拉脫強力.試驗儀器為YG(B)026H-500型醫(yī)用紡織品多功能強力儀，試驗參數(shù)：隔距100mm，預(yù)加張力0.1N，拉伸速度100mm/min.試樣尺寸50mm×50mm，縱向和橫向試樣各5塊.

(4) 剛?cè)嵝?測量盆底補片彎曲剛度的儀器為KES-FB-2型純彎曲測試儀，試樣尺寸100mm×100mm.將試樣沿固定軌跡作正反向曲率移動，最后給出扭矩-曲率的關(guān)系曲線以及彎曲剛度等指標.

2　結(jié)果與討論

2.1熱定型工藝與盆底補片基本參數(shù)關(guān)系

熱定型后盆底補片的橫密和縱密分別為6.7縱行/cm和12橫列/cm，與目標橫密和縱密一致.通過表2所示熱定型工藝參數(shù)處理后的盆底補片試樣基本參數(shù)如表3所示.

表3　盆底補片試樣的基本參數(shù)Table 3　Basic parameters of pelvic mesh samples

從表3可見，熱定型溫度和時間對盆底補片的面密度影響很小，如試樣4的面密度最大，為34.82 g/m2，而試樣8面密度最小，為32.04 g/m2，兩者僅相差8.67%；當熱定型溫度相同時，最大厚度變化發(fā)生在試樣4和5之間，兩者僅相差2.02%，這表明熱定型時間對盆底補片厚度的影響較??；當熱定型時間相同時，隨著溫度的升高，盆底補片的厚度變小，最大厚度變化達到17.81%，這表明溫度對盆底補片厚度的影響要大于時間；由于本試驗編織的盆底補片為大孔型盆底補片，其孔隙率達到了70%左右.盆底補片的孔隙率大，有利于人體的巨噬細胞和白細胞自由穿過盆底補片，殺滅病菌，有利于術(shù)后人體組織的修復(fù)和防感染[18].熱定型時間和溫度對盆底補片孔隙率的影響不顯著，試樣2的孔隙率最大，為72.67%，試樣3的孔隙率最小，為67.35%，兩者僅相差5.24%.

綜上分析可知，盆底補片熱定型時，在張力保持一定的情況下，熱定型溫度和時間的變化對盆底補片的基本參數(shù)影響較小.

2.2熱定型工藝與盆底補片強力關(guān)系

經(jīng)熱定型工藝處理后盆底補片試樣的強力指標測試結(jié)果如表4所示.對比表4中試樣1，4，7或2，5，8或3，6的斷裂強力數(shù)據(jù)可知，熱定型時間一定時，盆底補片的橫向和縱向斷裂強力隨著溫度的升高而降低；對比試樣1，2，3或4，5，6可知，當溫度一定時，隨著時間的延長，盆底補片的橫向和縱向斷裂強力變化規(guī)律不顯著.這表明溫度對盆底補片斷裂強力的影響大于時間.對比試樣1，4，7，當熱定型時間為5min時，溫度由120℃上升到130℃的過程中，盆底補片的橫向斷裂強力下降了29.4%，而溫度由110℃升到120℃時其強力僅下降了12.1%.這主要是因為在外力一定的情況下，隨著溫度的升高，聚丙烯內(nèi)部大分子的熱運動動能快速增加，纖維內(nèi)部分子鏈段內(nèi)旋轉(zhuǎn)速度加快，造成大分子鏈段之間的滑移和纖維內(nèi)部無定型區(qū)的增多，從而導致纖維強力的加速損失，進而導致盆底補片強力的快速損失，因此，溫度越高盆底補片的強力損失得越快.

表4　盆底補片試樣的強力Table 4　Strength of pelvic mesh samples

從表4可知，熱定型溫度相同時，盆底補片的頂破強力隨著時間延長的變化規(guī)律不顯著，且其變化幅度不大，最大變化出現(xiàn)在試樣1和2之間，兩者相差16.0%；而當熱定型時間相同時，隨著溫度的升高盆底補片的頂破強力出現(xiàn)較大的損失，尤其當溫度由120℃變?yōu)?30℃時，試樣4和7的頂破強力相差46.3%，這和盆底補片的橫向斷裂強力的變化規(guī)律相同，說明熱定型溫度對盆底補片頂破強力的影響大于時間.因為當熱定型溫度相同時，時間的延長并不一定導致纖維無定型區(qū)的增加，相反，由于聚合物主鏈大分子發(fā)生內(nèi)旋轉(zhuǎn)有其隨機性，可能會增強纖維的強力，所以當溫度一定時，盆底補片的頂破強力隨時間的變化無明顯規(guī)律.

2.3熱定型工藝與盆底補片縫合性能關(guān)系

經(jīng)熱定型處理后盆底補片試樣的拉脫強力指標測試結(jié)果如表5所示.由表5可知，當溫度一定時，時間的變化對盆底補片縱向拉脫強力的影響不明顯；而當熱定型時間相同時，盆底補片的橫向和縱向拉脫強力隨著溫度的升高而下降.盆底補片的縱向和橫向拉脫強力呈現(xiàn)出相似的趨勢，且兩者數(shù)值相近.這表明熱定型溫度對盆底補片拉脫強力的影響大于時間.

表5盆底補片試樣的拉脫強力

Table 5Laddering-after-drawing strength of pelvic mesh samples

注：試樣9(130℃、 25min)于定型過程中熔化，無相關(guān)數(shù)據(jù)，所以未在表中列出.

2.4熱定型工藝與盆底片柔韌性能關(guān)系

經(jīng)熱定型工藝處理后盆底補片試樣的彎曲剛度指標測試結(jié)果如表6所示.分析表6中試樣1，2，3或4，5，6的數(shù)據(jù)可知，當熱定型溫度相同時，盆底補片的橫向彎曲剛度隨時間的變化規(guī)律不顯著，且變化幅度較??；而當熱定型時間相同時，盆底補片的橫向彎曲剛度隨溫度的升高出現(xiàn)明顯下降.隨著熱定型參數(shù)的調(diào)整，而較之盆底補片的橫向彎曲剛度，盆底補片的縱向彎曲剛度變化較小，且變化無規(guī)律.由此可見，熱定型溫度為影響盆底補片的橫向彎曲剛度的重要因素，時間次之，但熱定型溫度和時間對盆底補片的縱向彎曲剛度的影響不大.

表6　盆底補片試樣的彎曲剛度Table 6　Bending rigidity of pelvic mesh samples

柔韌性為衡量盆底補片性能的一個重要指標，盆底補片的彎曲剛度越小就意味著其柔韌性越好.因此，當溫度為130℃、時間為15min時，即試樣8的橫向和縱向的柔韌性較佳.

3　結(jié)　語

本文選用直徑為0.1mm的醫(yī)用聚丙烯單絲，經(jīng)三梳帶空穿經(jīng)編結(jié)構(gòu)制備了盆底補片，探討熱定型溫度和時間對聚丙烯盆底補片的基本性能和力學性能的影響.研究結(jié)果表明：(1)在熱定型張力一定的情況下，熱定型溫度和時間對盆底補片的基本參數(shù)影響較?。?2)熱定型溫度對盆底補片力學性能影響大于熱定型時間，且熱定型時間相同時，隨溫度的升高，盆底補片的斷裂強力、頂破強力、拉脫強力下降，橫向彎曲剛度值減小，但縱向彎曲剛度值無明顯變化；(3)熱定型優(yōu)選工藝參數(shù)為熱定型溫度130 ℃、熱定型時間15 min.

[1] 唐華,徐志飛.醫(yī)用盆底補片在外科領(lǐng)域的應(yīng)用[J].生物醫(yī)學工程與臨床,2009,13(4):374-377.

[2] 王建六,張曉紅.女性盆底功能障礙性疾病的診療進展[J].中國實用婦科與產(chǎn)科雜志,2008,24(1):30-33.

[3] 王建六,曹冬,張曉紅,等.北京郊區(qū)女性尿失禁及盆腔臟器脫垂發(fā)病情況及其生活質(zhì)量影響的抽樣調(diào)查[J].中國婦產(chǎn)科臨床雜志,2007,8(1):5-9.

[4] SAMUELSSON E C,VICTOR F T,TIBBLIN G,et al.Signs of genital prolapse in a Swedish population of women 20 to 59 years of age and possible related factors [J].American Journal of Obstetrics and Gynecology,1999,180(2):299-305.

[5] BOT-ROBIN V,LUCOT J P,GIRAUDET G,et al.Use of vaginal mesh for pelvic organ prolapse repair: A literature review [J].Gynecological Surgery,2012,9(1):3-15.

[6] ACHTARI C,HISCOCK R,O′REILLY B A,et al.Risk factors for mesh erosion after transvaginal surgery using polypropylene(Atrium) or composite polypropylene,polygIactin 910(Vypro II)mesh [J].Int Urogynecol J Pelvic Floor Dysfunct,2005,16(5):389-394.

[7] LORD H E,TAYLOR J D,FINN J C,et al.A randomized controlled equivalence trial of short-term complications and efficacy of tension-free vaginal tape and suprapubic urethral support sling for treating stress incontinence [J].BJU Int,2006,98(2):367-376.

[8] 張紅.醫(yī)用盆底補片在女性盆底重建的可行性和有效性[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2010,14(21):3935-3938.

[9] 宋利.盆底補片在婦產(chǎn)科疾病中的臨床應(yīng)用及其生物相容性[J].中國組織工程研究,2012,16(12):2253-2256.

[10] AFONSO J S,MARTINS P A,GIRAO M J,et al.Mechanical properties of polypropylene mesh used in pelvic floor repair [J].Int Urogynecol J Pelvic Floor Dysfunct,2008,19(3):375-380.

[11] JONES K A,FEOLA A,MEYN L,et al.Tensile properties of commonly used prolapse meshes [J].Int Urogynecol J Pelvic Floor Dysfunct,2009,20(7):847-853.

[12] SHEPHERD J P,FEOLA A J,ABRAMOWITCH S D,et al.Uniaxial biomechanical properties of seven different vaginally implanted meshes for pelvic organ prolapse [J].Int Urogynecol J Pelvic Floor Dysfunct,2012,23(5):613-620.

[13] 邢智凱,王文祖.聚丙烯單絲經(jīng)編醫(yī)用修補網(wǎng)片的后整理研究[J].針織工業(yè),2010(1):50-53.

[14] TANG Y,ZHANG P H,WANG Y C,et al.Thermal finalization technology of polyvinlidene fluoride hernia mesh [C] // Proceedings of 2012 International Forum on Biomedical Materials.Shanghai: Donghua University Press,2012:196-199.

[15] 韓麗英,高虹霞,王強,等.人工合成盆底補片在全盆底重建手術(shù)中的應(yīng)用[J].中國老年學雜志,2010,30(1):6-9.

[16] CONZE J,BINNEB?SEL M,KRONES C.Hernia repair sequelae [M].Berlin: Springer Berlin Heidelberg,2010:375-379.

[17] 曾林泉.紡織品熱定型原理及實踐[J].染整技術(shù),2011,33(12):1-6.

[18] LEFRANC O,BAYON Y,MONTANARI S,et al.Reinforcement materials in soft tissue repair: Key parameters controlling tolerance and performance-current and future trends in mesh development[M]//New Techniques in Genital Prolapse Surgery.London: Springer,2011:275-287.

Heat Setting Technology and Properties of Polypropylene Pelvic Mesh

GUANJun-jiea,b,YANGJie-yinga,b,ZHANGPei-huaa,b

(a.Key Laboratory of Textile Science & Technology,Ministry of Education;b.College of Textiles,Donghua University,Shanghai 201620,China)

The pelvic mesh was made of the medical polypropylene monofilament with 0.1 mm diameter and was knitted with warp knitting technology.The effects of heat setting temperature and time on the basic parameters such as thickness,surface density,porosity and the mechanical parameters such as bursting strength,tensile breaking strength,laddering-after-drawing strength and bending rigidity of the pelvic mesh were discussed.The experimental results show that when the strain is constant,the temperature and time of heat setting have little impact on the basic parameters of the pelvic mesh,and the temperature has more influence on the mechanical parameters of the pelvic mesh than the time during the heating setting process.When the time is constant,the breaking strength,bursting strength and laddering-after-drawing strength of the pelvic mesh decrease with the temperature increasing but the rigidity and softness become better.The optimal heating setting temperature and time are 130℃ and 15 minutes respectively.

polypropylene monofilament; pelvic mesh; heat setting; property

1671-0444(2015)02-0173-05

2013-09-16

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAI17B05)；高等學校學科創(chuàng)新引智計劃資助項目(B07024)

管俊杰(1988—)，男，山東文登人，碩士研究生，研究方向為盆底補片的結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能分析.E-mail: gjjdyx@gmail.com

張佩華(聯(lián)系人)，女，教授,E-mail: phzh@dhu.edu.cn

TS 186.5；TB 31

A