機織管狀人工韌帶的結(jié)構(gòu)及性能研究

張 茜 莊興民 雷 敏 晏 雄

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620

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機織管狀人工韌帶的結(jié)構(gòu)及性能研究

張 茜1, 2莊興民1, 2雷 敏1, 2晏 雄1, 2

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620

人體膝關(guān)節(jié)是人類運動受傷頻發(fā)的部位，對于膝關(guān)節(jié)韌帶損傷常用的治療方法是自體移植物和異體移植物的移植。但自體移植物與異體移植物存在一定的缺陷和來源少等問題，這使得人工韌帶移植治療方法具有較大的發(fā)展前景。采用三種不同線密度的滌綸紗線設(shè)計并織造12種管狀試樣，對試樣進行力學(xué)性能測試。試驗結(jié)果表明：當(dāng)紗線線密度為22.2 dtex、經(jīng)紗數(shù)為120根、每筘穿入數(shù)為6時，人工韌帶的強力為827 N、斷裂伸長率為57%，機織管狀人工韌帶的力學(xué)性能曲線接近于人體韌帶。可進一步研究人工韌帶的耐持久性及生物相容性，使人工韌帶成為人體韌帶的理想移植物。

機織管狀織物, 膝關(guān)節(jié), 人工韌帶, 力學(xué)性能

膝關(guān)節(jié)是人體最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)交叉韌帶是連接關(guān)節(jié)兩骨或軟骨之間的纖維致密結(jié)締組織束或膜，主要由彈力纖維及膠原纖維組成[1]。膝關(guān)節(jié)交叉韌帶有前交叉韌帶和后交叉韌帶兩根，是穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)的主要結(jié)構(gòu)，對膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。膝關(guān)節(jié)不是桿臼式關(guān)節(jié),它沒有牢固的骨性結(jié)構(gòu)，主要依靠股四頭肌及內(nèi)外側(cè)副韌帶和前后交叉韌帶保持其穩(wěn)定性。其中任何一條韌帶斷裂或松馳，都可以使其穩(wěn)定性遭受破壞，從而影響膝關(guān)節(jié)的功能[2]。在劇烈運動時，人體韌帶常由于受到非生理性的外力而導(dǎo)致挫傷，如受力后使得膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶和后交叉韌帶的斷裂和損傷等。膝關(guān)節(jié)交叉韌帶斷裂損傷是人體運動較易發(fā)生的創(chuàng)傷。

目前對于輕微的韌帶損傷，臨床一般采用保守的治療方法，通常不進行手術(shù)治療，而對于韌帶斷裂需在早期或后期進行韌帶重建手術(shù)治療。臨床重建交叉韌帶使用的材料一般包括自體移植物、異體移植物和人工合成材料。自體和異體移植物重建交叉韌帶是目前的主流選擇，常見的是自體髕腱或半腱肌移植，但會引起自體供區(qū)的膝前疼痛等并發(fā)癥；而異體髕腱、跟腱、闊筋膜材料來源少，且存在早期的免疫排斥反應(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)生物長入延遲甚至有傳播疾病的危險。

人工韌帶可以極大地減少自體移植物和異體移植物存在的缺點?，F(xiàn)有的人工韌帶材料主要包括碳纖維、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚乳酸等。結(jié)構(gòu)方面的加工技術(shù)主要有機織、編織、針織及其復(fù)合結(jié)構(gòu)。相比于編織等其他制造技術(shù)，機織技術(shù)可以在材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方面有更多的選擇，在保證人工韌帶強力的情況下結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，還可以根據(jù)患者自身的情況來進行定制設(shè)計，適應(yīng)不同患者的需求，使得人工韌帶能發(fā)揮出更好的作用。本試驗采用滌綸復(fù)絲作為織造材料織制了12種機織試樣，并對試樣進行力學(xué)性能測試。測試結(jié)果表明，機織管狀人工韌帶的拉伸性能曲線和人體韌帶極為相似，說明機織人工韌帶可以作為人體韌帶的移植物。

1 試驗

1.1 試驗材料及儀器

根據(jù)醫(yī)用移植物人工韌帶材料要求，試驗選用規(guī)格為11.1、16.7、22.2 dtex的滌綸低彈復(fù)絲，并在YG015型紗線強力測試儀上對復(fù)絲進行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表1所示。

表1 滌綸復(fù)絲的拉伸性能

1.2 織造工藝參數(shù)設(shè)計

采用SUMAGH-SL7900型剛性劍桿小樣織機加工12種織物。其中，管狀織物的基礎(chǔ)組織為平紋組織，織造工藝參數(shù)變量為紗線線密度、每筘穿入數(shù)、總經(jīng)紗根數(shù)。設(shè)計的織造工藝參數(shù)如表2所示，織造用紋板圖、經(jīng)緯紗交織方式及織造試樣如圖1、圖2和圖3所示。

表2 織造工藝參數(shù)

圖1 織造用紋板圖

圖2 經(jīng)緯紗交織方式

圖3 管狀人工韌帶

2 力學(xué)性能測試

采用YG-B026H型生物醫(yī)用材料多功能強力儀(溫州大榮儀器有限公司制造)測試管狀織物的力學(xué)性能，拉伸速度為50 mm/min，夾持距離為50 mm， 每種試樣測試5次，參照ISO 7198—1998的測試方法進行測試。剛度S=F/(l1-l0)，其中l(wèi)1為試樣拉伸斷裂時的長度，單位為mm，l0=50 mm，F(xiàn)為5次最大強力的平均值。按照以上測試條件，對12種試樣進行軸向拉伸測試，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表3所示。

表3 織物的力學(xué)性能

分析歸納國內(nèi)外研究者[3-6]在人體韌帶力學(xué)性能方面的研究情況得到表4。表中歸納了不同研究者研究的不同年齡段、不同性別的人體韌帶的斷裂強力及斷裂伸長率范圍。由表4可知，人體韌帶的強力范圍是350～2 390 N，年輕人的韌帶強力較大，斷裂伸長率也較大。

表4 人體韌帶的斷裂強力及斷裂伸長率

3 人工韌帶的力學(xué)性能結(jié)果分析

3.1 紗線線密度對強力的影響

圖4為不同紗線線密度試樣的拉伸強力與斷裂伸長曲線，圖中的最適強力范圍(表4中強力及伸長率的最小和最大值)由參考文獻[3-6]所得。

圖4 不同紗線線密度試樣的拉伸強力與斷裂伸長曲線

從圖4中可以看出，所制備的人工韌帶的強力都在最適強力范圍內(nèi)，符合韌帶對強力的要求。另外，試樣的強力隨紗線線密度的增大而增大。原因是一方面與長絲本身的強力有關(guān)，另一方面是在相同的經(jīng)紗根數(shù)和筘號的情況下，紗線越粗，組織結(jié)構(gòu)越緊密，在織物變形不大的情況下織物的強力越大。由表3可知，在相同的經(jīng)紗根數(shù)和筘號的情況下，斷裂伸長率也隨著紗線線密度的增大而增大。

3.2 每筘穿入數(shù)對強力的影響

圖5為不同筘穿入數(shù)試樣的拉伸強力與斷裂伸長曲線，圖中的最適強力范圍同3.1節(jié)。

從圖5中可以看出，所制備的人工韌帶的強力都在最適強力范圍內(nèi)，且試樣的強力隨著紗線每筘穿入數(shù)的增加而增大。原因是在相同的經(jīng)紗根數(shù)和經(jīng)紗線密度的情況下，每筘穿入數(shù)越多，可以發(fā)揮強力的紗線越多，結(jié)構(gòu)就越緊密，織物強力越大。由表3可知，在相同的經(jīng)紗根數(shù)和線密度的情況下，斷裂伸長率也隨著紗線每筘穿入數(shù)的增加而增大。

3.3 經(jīng)紗根數(shù)對強力的影響

圖6為不同經(jīng)紗根數(shù)試樣的拉伸強力與斷裂伸長曲線，圖中的最適強力范圍同3.1節(jié)。

圖6 不同經(jīng)紗根數(shù)試樣的拉伸強力與斷裂伸長曲線

從圖6中可看出，所制備的人工韌帶的強力都在最適強力范圍內(nèi)，且隨著經(jīng)紗根數(shù)的增加而增大。原因是在其他參數(shù)相同的情況下，在適當(dāng)?shù)目椢镒冃畏秶鷥?nèi)，經(jīng)紗根數(shù)越多，拉伸時發(fā)揮強力的紗線越多，織物強力越大。由表3可知，在相同的線密度和每筘穿入數(shù)的情況下，斷裂伸長率隨著經(jīng)紗根數(shù)的增加呈下降趨勢。

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)紗根數(shù)對人工韌帶力學(xué)性能的影響最大，在相同的線密度和每筘穿入數(shù)的情況下，經(jīng)紗根數(shù)增加時韌帶的強力變化最大。

(2) 當(dāng)工藝參數(shù)為紗線線密度22.2 dtex、經(jīng)紗根數(shù)120根、每筘穿入數(shù)6根時，人工韌帶的斷裂強力及斷裂伸長率均較好，強力為827 N，斷裂伸長率為57%，滿足人體韌帶的強力及伸長率要求，且人工韌帶的拉伸性能曲線與人體韌帶相似，可以作為人體韌帶的移植物。

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The structure and performance study of woven tubular artificial ligament

Zhang Qian1, 2， Zhuang Xingmin1, 2， Lei Min1, 2， Yan Xiong1, 2

1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China

The human knee-joint is a part where human frequent sports injuries happen. The common medical treatments are made by autotransplantation and allograft transplantation. However, the autograft and allografts have defects and few sources, which makes artificial ligament transplantation treatment have great prospects for development. Three kinds of polyester yarn, with different specifications, are used to design and weave out twelve woven tube samples. Mechanical performances are tested on these samples. The results show that when the yarn density is 22.2 dtex, the number of picks is 120, and the reeding number is 6, the broking load is 827 N, and the elongation at break is 57%. So the mechanical performance curves of the woven tubular artificial ligament are close to one of the human body ligament. It is feasible to further study the artificial ligament persistence resistance and biocompatibility, which makes artificial ligaments an ideal human body ligament graft in the future.

woven tubular， knee-joint， artificial ligament， mechanical performance

2015-06-03

張茜，女，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向為機織人工韌帶的生物力學(xué)性能

晏雄，E-mail: yaxi@dhu.edu.cn

TS156

A

1004-7093(2016)04-0020-04