復(fù)雜結(jié)構(gòu)疝修補(bǔ)網(wǎng)塞剛度測試方法研究

關(guān)國平，徐睿，苗琳莉，孫紅蕊，李超婧，王璐

東華大學(xué)紡織學(xué)院，紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海， 201620)

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復(fù)雜結(jié)構(gòu)疝修補(bǔ)網(wǎng)塞剛度測試方法研究

關(guān)國平，徐睿，苗琳莉，孫紅蕊，李超婧，王璐

東華大學(xué)紡織學(xué)院，紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海， 201620)

剛度是疝修補(bǔ)網(wǎng)塞力學(xué)性能評價(jià)的重要指標(biāo)之一， 然而目前針對補(bǔ)片及網(wǎng)塞的剛度評價(jià)， 國內(nèi)外并無可供參考的標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)化方法。該文以菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞為研究對象， 模擬網(wǎng)塞在使用過程中及術(shù)后的受力狀態(tài)， 建立了兩種體外標(biāo)準(zhǔn)化測試方法， 環(huán)托法和在位壓縮法。進(jìn)而， 分別對該網(wǎng)塞在模擬使用過程中的抗彎剛度和模擬術(shù)后的抗壓剛度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明， 這兩種方法可以較全面地表征復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的剛度， 且該方法操作簡便、 易標(biāo)準(zhǔn)化， 測試條件可控， 具有普遍的適用性。

疝； 補(bǔ)片； 網(wǎng)塞； 剛度； 標(biāo)準(zhǔn)

疝是臨床外科常見病， 據(jù)統(tǒng)計(jì)世界上每年約有2 000萬例疝修補(bǔ)手術(shù)[1]， 而我國每年約有300萬例新發(fā)的腹股溝疝病人以及50萬例以上的其它各類疝[2]。采用人工補(bǔ)片進(jìn)行無張力疝修補(bǔ)理論始于1989年[3]， 無張力疝修補(bǔ)手術(shù)是目前臨床治療疝最普遍的方法[4]。該方法具有疼痛輕、 恢復(fù)快、 手術(shù)指征寬及復(fù)發(fā)率低等優(yōu)點(diǎn)， 但疝復(fù)發(fā)仍然存在。研究表明， 導(dǎo)致疝復(fù)發(fā)的關(guān)鍵因素是補(bǔ)片與腹壁的力學(xué)相容性差[5]。然而， 目前評價(jià)疝修補(bǔ)補(bǔ)片的力學(xué)性能體系尚不完善， 僅見對簡單結(jié)構(gòu)補(bǔ)片的強(qiáng)度、 延伸性、 縫合性能等常規(guī)測試的報(bào)道[6，7]， 對復(fù)雜結(jié)構(gòu)補(bǔ)片或網(wǎng)塞力學(xué)性能評價(jià)較少， 尤其是剛度評價(jià)未見報(bào)道。因此， 本文以菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞為研究對象， 體外模擬網(wǎng)塞的臨床使用過程及應(yīng)用環(huán)境， 建立兩種測試網(wǎng)塞剛度的標(biāo)準(zhǔn)化方法， 環(huán)托法和在位壓縮法。

1　材料與方法

1.1材料

本研究參照商用產(chǎn)品自制了一種菊花狀紡織復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞作為研究對象。該網(wǎng)塞結(jié)構(gòu)包括兩層， 上層和下層。上層包括5個(gè)條帶， 均勻地交叉形成一個(gè)與下層平片同心圓的結(jié)構(gòu)， 下層為圓形平片。圓形平片的直徑為8 cm， 等于條帶的長。網(wǎng)塞中心采用熱壓的方式聯(lián)結(jié)為一體。網(wǎng)塞距邊緣5 mm處， 沿圓周均勻地穿一根縫合線。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞俯視示意圖

此外， 本研究還準(zhǔn)備了兩種試樣。一種為直徑8 cm的網(wǎng)塞基布圓形平片試樣。另外一種為長20 cm、 寬1 cm的網(wǎng)塞基布條狀試樣。目的是通過測試這三種樣本， 幫助理解傳統(tǒng)織物剛度與復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞剛度之間的關(guān)系， 幫助認(rèn)識(shí)傳統(tǒng)方法與本研究所建立方法之間的關(guān)聯(lián)性。

1.2方法

菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞在臨床使用過程中的剛度主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：(1)植入過程中， 將平面網(wǎng)塞成形為三維網(wǎng)塞時(shí)的抗彎剛度； (2)植入以后， 網(wǎng)塞底部對抗內(nèi)臟器官壓力的抗壓剛度。因此， 為了更加真實(shí)地評價(jià)網(wǎng)塞的剛度， 本文提出了環(huán)托法和在位壓縮法兩種方法， 以分別評價(jià)上述兩種受力情況下網(wǎng)塞的剛度， 即抗彎剛度和抗壓剛度(圖2)。

圖2　菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞剛度測試示意圖

1.2.1環(huán)托法

環(huán)托法， 將圓片狀補(bǔ)片置于圓環(huán)狀載物臺(tái)上， 補(bǔ)片中心與載物臺(tái)中心重合形成同心圓， 圓環(huán)內(nèi)直徑等于補(bǔ)片修補(bǔ)在位時(shí)底部的直徑。與補(bǔ)片平面垂直的圓柱狀探頭由上而下運(yùn)動(dòng)頂向補(bǔ)片中心， 探頭中心與補(bǔ)片中心重合， 探頭直徑等于補(bǔ)片中心粘結(jié)區(qū)直徑， 探頭以一定速度向下運(yùn)動(dòng)， 直至補(bǔ)片整體穿過圓環(huán)。記錄強(qiáng)力位移曲線， 計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變， 以評價(jià)補(bǔ)片剛度。環(huán)托法模擬了網(wǎng)塞植入過程中的彎曲行為， 故用以評價(jià)其抗彎剛度。因此， 此處的抗彎剛度定義為網(wǎng)塞穿過圓環(huán)過程中的最大應(yīng)力， 公式如下：

式中：R， 抗彎剛度； F， 最大強(qiáng)力； S， 探頭截面積

環(huán)托法采用YG026H型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行測試， 選取載荷為110N的傳感器與專用夾頭， 在其底端安裝直徑為10mm的圓柱形金屬探頭。圓環(huán)內(nèi)直徑為30mm， 等于網(wǎng)塞在使用狀態(tài)下底部的直徑。待儀器調(diào)試完畢后， 將網(wǎng)塞花瓣朝上放置在鋁合金圓環(huán)載物臺(tái)上， 形成同心圓。設(shè)置探頭下行速度為20mm/min。測試進(jìn)行時(shí)， 實(shí)時(shí)觀察網(wǎng)塞下行過程中的形態(tài)變化以及壓力-位移曲線， 記錄曲線出現(xiàn)明顯變化時(shí)網(wǎng)塞的形態(tài)圖(3b)。測試完成后， 導(dǎo)出數(shù)據(jù)， 計(jì)算測試網(wǎng)塞的應(yīng)力應(yīng)變， 繪制曲線。重復(fù)測試10個(gè)樣本， 結(jié)果表示為平均值±SD。同樣方法測試圓形平片試樣。

圖3　環(huán)托法測試網(wǎng)塞的抗彎剛度

1.2.2在位壓縮法

在位壓縮法， 將圓片狀補(bǔ)片收縮成體內(nèi)移植時(shí)的在位狀態(tài)， 即網(wǎng)塞， 使頂部直徑等于底部直徑。將網(wǎng)塞倒置于載物臺(tái)上， 取直徑匹配的探頭， 由上而下運(yùn)動(dòng)壓縮網(wǎng)塞至原高度的50%， 停留10秒， 探頭再由下而上運(yùn)動(dòng)直至離開補(bǔ)片， 記錄強(qiáng)力位移曲線， 計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變， 以評價(jià)補(bǔ)片剛度。在位壓縮法模擬了網(wǎng)塞植入后的受力狀態(tài)， 用以評價(jià)其抗壓剛度。因此， 此處的抗壓剛度定義為網(wǎng)塞壓縮過程中的最大應(yīng)力， 公式如下：

式中：C， 抗壓剛度； F， 最大強(qiáng)力； S， 探頭截面積

在位壓縮法采用LLY-06D壓縮儀進(jìn)行測試。首先， 將網(wǎng)塞收縮為使用時(shí)的狀態(tài)， 即類圓柱狀網(wǎng)塞形態(tài)， 圓柱狀底面直徑為30mm。然后， 調(diào)整網(wǎng)塞形態(tài)使其內(nèi)部花瓣均勻分布。將網(wǎng)塞倒置于載物臺(tái)上， 收縮口朝下。用圓環(huán)束縛收縮口， 防止壓縮過程中試樣的滑移。圓環(huán)內(nèi)直徑為30mm。壓縮比設(shè)置為50%， 壓頭直徑為20mm， 下行速度為20mm/min， 停留時(shí)間為10s。測試進(jìn)行時(shí)， 實(shí)時(shí)觀察網(wǎng)塞壓縮過程中的形態(tài)變化以及壓力-位移曲線， 記錄曲線出現(xiàn)明顯變化時(shí)網(wǎng)塞的形態(tài)。測試完成后， 導(dǎo)出數(shù)據(jù)， 計(jì)算測試網(wǎng)塞的應(yīng)力應(yīng)變， 繪制曲線。重復(fù)測試10個(gè)樣本， 結(jié)果表示為平均值±SD。

1.2.3織物剛度常規(guī)測試方法

網(wǎng)塞基布條狀試樣的彎曲長度和彎曲剛度， 測試參照GB/T18318.1-2001《紡織品 織物彎曲長度的測定》進(jìn)行。隨機(jī)剪取12塊試樣， 試樣尺寸為(25±1)mm×(250±1)mm。其中6塊試樣的長邊平行于織物縱向， 6塊試樣的長邊平行于織物橫向。試樣至少取至離布邊100mm， 并避免皮膚直接接觸樣本。

2　結(jié)果與討論

2.1復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的抗彎剛度

運(yùn)用環(huán)托法對菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞進(jìn)行抗彎剛度的測定， 結(jié)果表明該方法可以穩(wěn)定地表征網(wǎng)塞從平面狀到使用狀態(tài)變形過程中的彎曲行為。本研究自制的這種網(wǎng)塞的最大抗彎剛度達(dá)到8.84 cN/mm2， 最小為5.80 cN/mm2， 平均達(dá)到7.37±1.03 cN/mm2。圖4 是菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞在彎曲過程中的應(yīng)力應(yīng)變典型曲線。隨著位移的增加， 應(yīng)力隨之增加。在應(yīng)變達(dá)到約85%的時(shí)候， 應(yīng)力達(dá)到最大值， 隨后減小直至網(wǎng)塞離開探頭。隨著應(yīng)變的增加， 復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的上層花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)逐漸聚攏、 接觸和擠壓， 故導(dǎo)致應(yīng)力的增加， 結(jié)果符合預(yù)期。結(jié)果表明， 復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞在移植過程中， 網(wǎng)塞的聚攏程度及網(wǎng)塞與周圍組織之間的摩擦力對移植的順滑性有較大影響。結(jié)果提示， 為了提高手術(shù)的可操作性、 縮短手術(shù)時(shí)間及保證網(wǎng)塞結(jié)構(gòu)的均勻性和穩(wěn)定性， 可考慮在網(wǎng)塞下表面進(jìn)行潤滑處理。

圖4　菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞彎曲過程應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的抗壓剛度

運(yùn)用在位壓縮法對菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞進(jìn)行抗壓剛度的測定， 結(jié)果表明隨著壓縮距離的增大， 網(wǎng)塞的應(yīng)力隨之增大(圖5)。本研究自制的這種網(wǎng)塞的最大抗壓剛度達(dá)到8.26 cN/mm2， 最小為7.56 cN/mm2， 平均達(dá)到7.96±0.29 cN/mm2。在位壓縮法較好地模擬了網(wǎng)塞植入疝口的狀態(tài)， 因此能夠較客觀地評價(jià)疝口中網(wǎng)塞的抗壓性能。然而， 為了具有橫向可比較性， 測試中仍然要嚴(yán)格控制參數(shù)的一致性。因?yàn)椋?參數(shù)對網(wǎng)塞抗壓剛度會(huì)產(chǎn)生顯著影響， 包括束口直徑(頂部直徑)， 探頭直徑， 壓縮高度及停留時(shí)間等[2]。為了減小誤差， 測試時(shí)建議保持網(wǎng)塞在臨床使用時(shí)的狀態(tài)， 探頭直徑不大于測試面積， 以保證測試過程中受力面積不會(huì)發(fā)生變化。值得一提的是， 本研究中束口圓環(huán)的高度是固定的， 但是高度對測試結(jié)果可能有影響， 需要進(jìn)一步研究。

圖5菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞抗壓剛度測試過程應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.5 A typical strain-stress curve of the testing process of the compressive stiffness of the mesh plug

2.3網(wǎng)塞基布圓形平片的抗彎剛度

運(yùn)用環(huán)托法對網(wǎng)塞基布圓形平片抗彎剛度進(jìn)行測定， 結(jié)果表明該方法仍然具有很好的可行性和可重復(fù)性。網(wǎng)塞基布的最大抗彎剛度達(dá)到1.57 cN/mm2， 最小為0.92 cN/mm2， 平均達(dá)到1.21±0.21 cN/mm2。圖6 是網(wǎng)塞基布圓形平片在彎曲過程中的應(yīng)力應(yīng)變典型曲線。比較圖6和圖4可知， 網(wǎng)塞基布圓形平片彎曲過程中的應(yīng)力應(yīng)變行為與菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞具有相同的趨勢。然而， 網(wǎng)塞基布圓形平片的抗彎剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的抗彎剛度?？梢?， 菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的力學(xué)性能不僅取決于基布的力學(xué)性能， 還與網(wǎng)塞結(jié)構(gòu)有關(guān)， 甚至后者的影響更大。從而說明， 對網(wǎng)塞基布力學(xué)性能的評價(jià)只能在一定程度上間接地反映網(wǎng)塞的力學(xué)性能。因此， 本文所提出的針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的兩種測試方法可以更加全面真實(shí)地評價(jià)網(wǎng)塞的剛度， 更具有指導(dǎo)意義。

圖6　網(wǎng)塞基布圓形平片彎曲過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.4網(wǎng)塞基布條狀試樣的彎曲剛度

為了理解本文建立的測試方法與常規(guī)測試方法之間的聯(lián)系， 本研究參照GB/T 18318.1-2001 《紡織品 織物彎曲長度的測定》的方法， 采用織物彎曲剛度測定儀， 進(jìn)一步對網(wǎng)塞基布條狀試樣進(jìn)行了彎曲剛度測試。結(jié)果表明， 網(wǎng)塞基布條狀試樣的縱向彎曲長度和橫向彎曲長度分別為4.14 cm和2.51 cm， 縱向彎曲剛度和橫向彎曲剛度分別為5.50 mN·cm和1.19 mN·cm。這說明該網(wǎng)塞基布具有各向異性， 縱向彎曲剛度大于橫向。

然而， 網(wǎng)塞移植過程中所表現(xiàn)出來的力學(xué)性能是一種綜合的力學(xué)性能。從這個(gè)意義上講， 網(wǎng)塞基布圓形平片試樣的剛度結(jié)果更加接近臨床應(yīng)用的實(shí)際。但是， 本文所建立的剛度評價(jià)方法所獲得的結(jié)果， 比起網(wǎng)塞基布圓形平片試樣的剛度測試結(jié)果， 就更加優(yōu)越， 對臨床應(yīng)用更具有指導(dǎo)意義。因?yàn)椋?這不僅反映了纖維性質(zhì)、 組織結(jié)構(gòu)的影響， 更反映了網(wǎng)塞形態(tài)結(jié)構(gòu)對其剛度的影響， 是一個(gè)綜合性能指標(biāo)。

由此可見， 樣本不同， 測試方法不同， 剛度測試結(jié)果也不同。而且， 本研究中網(wǎng)塞基布圓形平片、 網(wǎng)塞基布條狀試樣與網(wǎng)塞試樣的測試結(jié)果之間并無直接的可比較性。因?yàn)椋?三者的結(jié)構(gòu)不同、 測試方法不同， 結(jié)果的表達(dá)亦不相同。因此， 為了評價(jià)和比較不同網(wǎng)塞之間的剛度， 亟需更新的、 仿真的、 客觀的和標(biāo)準(zhǔn)化的評價(jià)方法。本研究正是圍繞解決這一關(guān)鍵問題而開展。

最后需要強(qiáng)調(diào)的是， 網(wǎng)塞基布條狀試樣和網(wǎng)塞基布圓形平片試樣的剛度對網(wǎng)塞剛度的影響仍不可忽略， 盡管復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的形態(tài)結(jié)構(gòu)對其力學(xué)性能的影響更大。因此， 只有充分考慮臨床應(yīng)用實(shí)際， 模擬使用狀態(tài)下的測試方法， 其結(jié)果對于臨床應(yīng)用才具有指導(dǎo)意義。只有建立適應(yīng)臨床需求的評價(jià)方法才是解決問題的根本出路。只有建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化方法， 對不同產(chǎn)品剛度的評價(jià)， 才具有參考價(jià)值。

3　結(jié)論

本研究以菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞為研究對象， 為了客觀地評價(jià)其剛度這一力學(xué)性能指標(biāo)， 建立了兩種標(biāo)準(zhǔn)化測試方法， 環(huán)托法和在位壓縮法。進(jìn)而， 分別對該網(wǎng)塞在使用過程中的抗彎剛度和術(shù)后的抗壓剛度進(jìn)行了研究。環(huán)托法和在位壓縮法的建立， 主要依據(jù)網(wǎng)塞在使用過程中及術(shù)后的受力狀態(tài)， 體外模擬了測試條件。而且， 本研究還利用環(huán)托法測試了網(wǎng)塞基布圓形平片試樣的抗彎剛度， 采用傳統(tǒng)方法測試了網(wǎng)塞基布條狀試樣的彎曲剛度。初步將這兩種新方法的測試結(jié)果和傳統(tǒng)方法的測試結(jié)果進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明， 環(huán)托法和在位壓縮法可以很好地模擬測試菊花狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞在移植過程中的抗彎剛度和移植后的抗壓剛度。該方法科學(xué)、 可靠， 操作簡便、 易標(biāo)準(zhǔn)化， 且測試條件容易控制， 具有普遍的實(shí)用性。與傳統(tǒng)紡織品剛度之間的聯(lián)系可以幫助進(jìn)一步加深對網(wǎng)塞剛度定量和定性的認(rèn)識(shí)。

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Study on Methods for Testing Stiffness of Hernia Plug with Complicated Structure

GUAN Guoping, XU Rui, MIAO Linli, SUN Hongrui, LI Chaojing, WANG Lu

Key Laboratory of Textile Science & Technology , Ministry of Education,College of Textiles, Donghua University Scientific and Technological Innovation >Network of Biomedical Textile Material (Shanghai, 201620 )

Stiffness is one of important indexes evaluating mechanical properties of hernia prostheses, but few reports on the standard or standardized methods for evaluation have been found so far. In the present work, a daisy-like hernia plug with complicated structure was designed and fabricated. According to therapeutic requirements and clinical implanting operations, a simulated mechanical environment and two standardized methods have been established in vitro, ring-support method and insitucompression method. Furthermore, the bending stiffness and the compressive stiffness of the hernia plug have been studied using the ring-support method and the insitucompression method, respectively. The results showed that both methods have been easy to be utilized and standardized. With combination of the above methods, the stiffness of the hernia plug with complicated structure, including the bending stiffness and the compressive stiffness, could be evaluated objectively and comprehensively.

hernia， patch, mesh plug， stiffness， standard

10.3969/j.issn.1674-1242.2016.03.003

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2232015A3-02)上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(ZX201503000017)

關(guān)國平，副教授，博士，研究方向：生物醫(yī)用紡織材料E-mail: ggp@dhu.edu.cn

TS101.3

A

1674-1242(2016)03-0130-05

2016-07-26)