具有局部耐久結(jié)構(gòu)覆膜支架織物覆膜的成型與性能研究

杜 佳 林 婧 Guidoin Robert 張景懌盧 俊 張?；?勞繼紅 王 璐#*

1(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)2(加拿大拉瓦爾大學(xué)醫(yī)學(xué)院，加拿大魁北克 G1V0A6)

具有局部耐久結(jié)構(gòu)覆膜支架織物覆膜的成型與性能研究

杜 佳1林 婧1Guidoin Robert2張景懌1盧 俊1張福虎1勞繼紅1王 璐1#*

1(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)2(加拿大拉瓦爾大學(xué)醫(yī)學(xué)院，加拿大魁北克 G1V0A6)

覆膜支架織物覆膜的失效主要是由Z形金屬支架尖端對(duì)周圍織物覆膜的反復(fù)磨損所引起。擬設(shè)計(jì)并制備一種具有局部耐久結(jié)構(gòu)的覆膜支架織物覆膜，并從結(jié)構(gòu)(織物密度、壁厚和水滲透性)、力學(xué)性能(管狀織物徑向拉伸和頂破)及體外加速疲勞模擬實(shí)驗(yàn)三方面研究組織結(jié)構(gòu)和緯向密度對(duì)織物覆膜結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)果表明，具有局部耐久結(jié)構(gòu)的織物壁厚低于0.15 mm，水滲透性低于15 mL/min/cm2，顯著低于商用樣及對(duì)照樣；織物緯密較高，尤其是試樣A，緯密在7～8根/mm之間。徑向拉伸斷裂強(qiáng)度平均12.3 N/mm，與商用樣接近；頂破強(qiáng)度平均27.3 N/mm2，顯著優(yōu)于商用樣，表明基本滿足覆膜支架織物覆膜的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能要求；具有局部耐久結(jié)構(gòu)的織物覆膜出現(xiàn)零破損，表明局部耐久結(jié)構(gòu)的聯(lián)合組織可有效遏制織物覆膜的磨損，但長(zhǎng)期耐久性能仍需進(jìn)一步研究。

織物覆膜；Z形金屬支架；局部耐久結(jié)構(gòu)；耐久性

引言

腔內(nèi)修復(fù)術(shù)(endovascular repair，EVAR)因具有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快及并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)，成為主動(dòng)脈瘤類疾病的主流療法[1-3]。該修復(fù)術(shù)所使用的關(guān)鍵醫(yī)療器械覆膜支架(Stent-graft)，是一種經(jīng)醫(yī)用縫合線將金屬支架和織物覆膜縫制為一體的紡織基人工血管。自Parodi率先采用覆膜支架治療腹主動(dòng)脈瘤[4]以來(lái)，已有多種商用品牌覆膜支架面世[5-6]。然而，臨床研究表明，EVAR的長(zhǎng)期耐久性并不樂(lè)觀，二次介入治療和瘤體破裂的比例較高[7-9]，且發(fā)生與覆膜支架織物覆膜相關(guān)的并發(fā)癥率有增加趨勢(shì)[10]。Jacobs等指出，織物覆膜的疲勞可能是由于金屬支架尖端與其附近織物覆膜之間存在反復(fù)微小運(yùn)動(dòng)而致其磨損[11]。Lin等基于體外加速疲勞模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)[12-13]。因此，有必要提高金屬支架尖端附近織物覆膜的耐久性。但是，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)覆膜支架耐久性的研究主要集中在金屬支架方面[14-15]，且尚無(wú)為提高覆膜支架耐久性而設(shè)計(jì)新型織物覆膜的研究報(bào)道，而織物覆膜的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能直接影響覆膜支架的長(zhǎng)期耐久性及服役性能。

因此，本研究擬設(shè)計(jì)并制備出一種具有局部耐久結(jié)構(gòu)的覆膜支架織物覆膜，并探討組織結(jié)構(gòu)和緯向密度對(duì)其結(jié)構(gòu)與性能的影響，以期防止Z形支架尖端織物覆膜的磨損，從而提高覆膜支架的耐久性能。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

參照商用品牌覆膜支架，選用醫(yī)用滌綸復(fù)絲作為原材料，其紗線規(guī)格和性能見表1。

表1 紗線規(guī)格及類型Tab.1 Yarn specification and type

圖1 具有局部耐久結(jié)構(gòu)的覆膜支架設(shè)計(jì)Fig.1 Design of fabrics of stent-grafts with local durable structures

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 局部耐久織物覆膜的設(shè)計(jì)與制備

本研究所設(shè)計(jì)的具有局部耐久結(jié)構(gòu)織物覆膜包含基礎(chǔ)區(qū)和加固區(qū)，其中加固區(qū)分布在金屬支架尖端及相鄰兩環(huán)狀金屬支架中間區(qū)域，其余均為基礎(chǔ)區(qū)(見圖1)[16]。為提高加固區(qū)的局部耐久性，本研究設(shè)計(jì)了兩種聯(lián)合組織(方平+平紋、緯重平+平紋)作為加固區(qū)的織物組織。聯(lián)合組織(方平+平紋)是參照緯二重組織的設(shè)計(jì)方法及降落傘傘衣織物的“防撕組織”而設(shè)計(jì)[17-18]，聯(lián)合組織(緯重平+平紋)是基于緯重平較優(yōu)異的緯向耐久性能[17]并借鑒前者的設(shè)計(jì)方法而設(shè)計(jì)。鑒于商用品牌覆膜支架織物覆膜多是平紋組織，故基礎(chǔ)區(qū)選用平紋組織。

采用管狀機(jī)織物一體成型技術(shù)制備，每種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩種緯密進(jìn)行織造，并對(duì)試樣進(jìn)行熱定型(180℃，10 min)，以保持其管狀形態(tài)[19]。另制備平紋結(jié)構(gòu)織物覆膜作為對(duì)照樣(R-1和R-2)，并選用商用品牌Anaconda覆膜支架(C-1)[20]對(duì)比。設(shè)計(jì)方案見表2。

1.2.2 織物覆膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)試

基于標(biāo)準(zhǔn)YY 0500—2004[21]，對(duì)織物覆膜的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。其中，具有局部耐久結(jié)構(gòu)的織物覆膜試樣重點(diǎn)考察加固區(qū)織物覆膜的密度和壁厚。

表2 試樣設(shè)計(jì)方案Tab.2 Designing scheme of samples

1)織物密度：這里是指織物的成品密度。織物經(jīng)向?yàn)槠叫杏谘鞯姆较?，緯向?yàn)榇怪庇谘鞯姆较?。在體式顯微鏡(Nikon SMZ 745T，尼康儀器有限公司)下，測(cè)量織物的經(jīng)/緯向密度，單位為根/mm。

2)壁厚：織物覆膜的壁厚采用KES風(fēng)格儀測(cè)試(Kawabata KES-G5 system，加多技術(shù)有限公司)。選擇加固區(qū)不同位置測(cè)量織物厚度，每樣測(cè)試10次，取其平均值。

3)整體水滲透性：鑒于具有局部耐久結(jié)構(gòu)覆膜支架織物覆膜包含多個(gè)加固區(qū)和基礎(chǔ)區(qū)，其各部分的緊密程度存在顯著差異，故本研究選擇對(duì)織物覆膜的整體水滲透性進(jìn)行測(cè)試[21]。測(cè)試樣品的有效長(zhǎng)度為5 cm，取樣時(shí)所有試樣的加固區(qū)與基礎(chǔ)區(qū)長(zhǎng)度相同，以保證測(cè)試試樣的統(tǒng)一性。水流流過(guò)試樣的有效表面積為15.7 cm2，連續(xù)測(cè)試10 min，分別測(cè)量單位時(shí)間的水滲透量，測(cè)試3次取其平均值并計(jì)算水滲透性，單位為mL/(min·cm2)。

1.2.3 織物覆膜的力學(xué)性能測(cè)試

1)徑向拉伸斷裂強(qiáng)度：參照標(biāo)準(zhǔn)YY 0500—2004或ISO 7198:1998(心血管植入物——人工血管)[21]，在醫(yī)用紡織品強(qiáng)力儀(YG-B 026G-500，溫州大榮紡織儀器公司)上測(cè)試管狀試樣的徑向拉伸斷裂強(qiáng)度。試樣長(zhǎng)度均為20 mm，取樣時(shí)，所有試樣的加固區(qū)與基礎(chǔ)區(qū)長(zhǎng)度相同，以保證測(cè)試試樣的統(tǒng)一性。每樣測(cè)試3次，取其最大負(fù)載力T(N)的平均值，計(jì)算徑向拉伸斷裂強(qiáng)度F(N/mm)，有

F=T/(2L2)

(1)

式中，L2為試樣長(zhǎng)度(20 mm)。

2)頂破強(qiáng)度：具有局部耐久結(jié)構(gòu)的織物試樣，其頂破強(qiáng)度重點(diǎn)考察加固區(qū)。在醫(yī)用紡織品強(qiáng)力儀上測(cè)試試樣的探頭破裂強(qiáng)度。每樣測(cè)試3次，取其平均值并計(jì)算頂破強(qiáng)度F2(N/mm2)[21]，有

(2)

式中，F(xiàn)2(N/mm2)和Fm(N)分別是頂破強(qiáng)度與頂破強(qiáng)力，D是頂破探針的探頭直徑(1.5 mm)。

1.2.4 覆膜支架的體外加速疲勞模擬測(cè)試

為進(jìn)一步表征織物覆膜的耐疲勞性能，筆者取一組上機(jī)密度為8根/mm的織物覆膜試樣(R-2，A-2和B-2)，用5-0醫(yī)用滌綸縫合線，將Z形金屬支架與織物覆膜縫制成覆膜支架，其中Z形金屬支架是根據(jù)商用品牌覆膜支架定制而成[12]。基于體外扭轉(zhuǎn)彎折疲勞模擬裝置[22]，對(duì)覆膜支架的耐疲勞性能進(jìn)行加速疲勞模擬試驗(yàn)。其中，織物覆膜長(zhǎng)度為100 mm，直徑為10 mm；Z形金屬支架為鎳鈦合金支架，高度為12.89 mm，內(nèi)徑為11 mm，每個(gè)獨(dú)立環(huán)狀Z形金屬支架包含5個(gè)最小單元為V形的金屬支架。每個(gè)覆膜支架上縫有3個(gè)獨(dú)立環(huán)狀Z形金屬支架，所有試樣模擬時(shí)間均為24 h。

2 結(jié)果

2.1 局部耐久織物覆膜表觀形態(tài)

圖2是具有局部耐久結(jié)構(gòu)的織物覆膜表觀形態(tài)。結(jié)果表明，這種設(shè)計(jì)具有可行性。

圖2 具有局部耐久結(jié)構(gòu)的織物覆膜表觀形態(tài)。(a)局部耐久織物覆膜全局；(b)試樣A；(c)試樣B；(d)試樣A局部放大；(e)試樣B局部放大Fig.2 Gross observation of fabrics with local durable structures. (a) The overall of local durable fabric; (b) Sample A; (c) Sample B; (d) Detail of sample A; (e) Details of sample B

2.2 織物覆膜的結(jié)構(gòu)表征

1)織物密度：圖3表明所有試樣的經(jīng)緯密均高于商用試樣C-1(6.75×4.85根/mm)[13]。

隨著設(shè)計(jì)/上機(jī)緯密的增加，3種試樣的實(shí)際緯密均呈遞增趨勢(shì)，且存在顯著差異(P<0.05)，而所有試樣實(shí)際經(jīng)密間不存在顯著性差異(P>0.05)。相比對(duì)照樣R，具有局部耐久結(jié)構(gòu)的試樣A和B的實(shí)際密度相對(duì)較高，尤其是A試樣。但實(shí)際緯密均在7根/mm左右，僅A-2的緯密接近設(shè)計(jì)密度8根/mm。

圖3 織物密度Fig.3 Fabric counts

2)壁厚：圖4是所有試樣的壁厚，均低于0.15 mm，且低于商用試樣C-1[13]。

圖4 壁厚(商用和對(duì)照樣基礎(chǔ)區(qū)，局部耐久織物加固區(qū))Fig.4 Thickness(Basic zone of commercial and control samples，reinforced zone of local durable fabrics)

3)整體水滲透性：從圖5可以得出，局部耐久織物整體水滲透性均低于15 mL/(min·cm2)，顯著低于商用試樣C-1。

圖5 整體水滲透性Fig.5 Integral water permeability

同種設(shè)計(jì)密度下，試樣A和B的水滲透性均顯著低于對(duì)照樣R，且試樣A最低。整體看，3種組織的水滲透性均隨著織物緯向密度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.3 局部耐久織物覆膜的力學(xué)性能評(píng)價(jià)

1)徑向拉伸斷裂強(qiáng)度：所有試樣的徑向拉伸強(qiáng)度均略低于商用試樣C-1((13.4±2.0)N/mm)，而試樣A和B的徑向拉伸斷裂強(qiáng)度均介于試樣C-1的徑向拉伸斷裂強(qiáng)度范圍之間，表3是所有試樣徑向拉伸斷裂強(qiáng)度。結(jié)果顯示，同種設(shè)計(jì)緯密下，試樣A和B的徑向拉伸斷裂強(qiáng)度均顯著高于對(duì)照樣R，且試樣A最大。同時(shí)，試樣徑向拉伸斷裂強(qiáng)度隨著緯密增加而增加。

表3 試樣徑向拉伸斷裂強(qiáng)度Tab.3 Circumferential tensile strength

2)頂破強(qiáng)度：同種設(shè)計(jì)緯密下，試樣A和B的頂破強(qiáng)度均高于對(duì)照樣R(見表4)，并且試樣A的頂破強(qiáng)度均高于試樣B。3種試樣的頂破強(qiáng)度隨著緯密的增加而呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。此外，試樣A和B的頂破強(qiáng)度均顯著高于商用試樣C-1((22.25±1.51)N/mm2)(P<0.05)。

表4 試樣頂破強(qiáng)度Tab.4 Bursting strength

2.4 疲勞模擬評(píng)價(jià)

圖6表明，相比對(duì)照樣R-2，試樣A-2和B-2在疲勞模擬24 h后，織物覆膜均未出現(xiàn)破損現(xiàn)象，部分金屬支架尖端處縫合線出現(xiàn)斷裂。而試樣R-2則出現(xiàn)了織物覆膜的破損，主要集中于金屬支架尖端區(qū)域及相鄰近兩環(huán)狀金屬支架中間區(qū)域。

圖6 疲勞模擬24 h試樣的表觀形態(tài)(每行從左至右分別為整體、支架尖端區(qū)域和相鄰兩環(huán)狀支架中間區(qū)域)。(a) R-2; (b) A-2; (c) B-2Fig.6 Gross observation of stent-grafts after fatigue simulation for 24 hours (Each row from left to right, respectively, is the overall, reinforced zone close to tips of stents and reinforced zone between adjacent stents). (a) R-2; (b) A-2; (c) B-2

3 討論

本研究制備了具有局部耐久結(jié)構(gòu)的覆膜支架織物覆膜，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)具有可行性。

結(jié)構(gòu)表征的結(jié)果表明，壁厚和整體水滲透性均達(dá)到覆膜支架織物覆膜的結(jié)構(gòu)要求，但織物實(shí)際密度較高。這對(duì)于腔內(nèi)修復(fù)術(shù)用覆膜支架織物覆膜要求的低孔隙率非常有利，但機(jī)織物一般為確保布面平整而要求經(jīng)密大于緯密，故試樣A-1與B-2更為符合要求。試樣A和B聯(lián)合組織的壁厚均顯著高于同等設(shè)計(jì)緯密的對(duì)照樣R，這是由于織物密度較高的聯(lián)合組織的紗線排列相比平紋組織更為緊密，紗線屈曲波高比較大，導(dǎo)致壁厚較大。同樣是平紋且織物密度較低的商用試樣C-1壁厚最大，則與其紗線規(guī)格相關(guān)，其經(jīng)紗同樣為40D/27f，但緯紗為80D/54f，較多的緯紗根數(shù)導(dǎo)致其壁厚較大。同種設(shè)計(jì)密度下，試樣A的水滲透性最低，這也與試樣A織物密度的結(jié)果一致，表明聯(lián)合組織(方平+平紋)的緊密程度更高?？椢锏乃疂B透性隨緯密的增加而呈下降趨勢(shì)，表明增加緯密可有效提高織物的抗?jié)B透性。

力學(xué)性能表征的結(jié)果表明，該種織物的滿足覆膜支架織物覆膜的力學(xué)性能要求。其中，具有局部耐久結(jié)構(gòu)的覆膜支架織物覆膜的頂破性能均優(yōu)于商用試樣，而試樣A和B的徑向拉伸斷裂強(qiáng)度均介于試樣C的徑向拉伸斷裂強(qiáng)度范圍之間。這表明，具有局部耐久結(jié)構(gòu)的織物覆膜的徑向支撐力基本滿足覆膜支架織物覆膜的力學(xué)性能要求。

體外加速疲勞模擬實(shí)驗(yàn)表明，織物磨損主要是受到織物覆膜附近Z形金屬支架尖端的應(yīng)力集中作用，以及與其相鄰的另一環(huán)狀Z形金屬支架尖端的穿刺作用[12-13]。而具有局部耐久結(jié)構(gòu)的試樣A和B織物覆膜的完整性，驗(yàn)證了金屬支架尖端區(qū)域及相鄰兩環(huán)狀支架中間區(qū)域的加固區(qū)可有效防止金屬支架的穿刺，從而增加了織物覆膜的耐久性。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)并制備了具有局部耐久結(jié)構(gòu)的覆膜支架織物覆膜，相對(duì)于商用試樣C和對(duì)照樣R，以聯(lián)合組織作為加固區(qū)的織物組織的織物均具有非常緊密的結(jié)構(gòu)以及良好的力學(xué)性能，滿足作為覆膜支架織物覆膜的基本要求。體外覆膜支架疲勞性能模擬的結(jié)果表明，具有局部耐久結(jié)構(gòu)的織物覆膜的確可以有效提高織物覆膜的耐久性。

總體上，聯(lián)合組織(方平+平紋)的性能更優(yōu)異，適用于作為具有局部耐久結(jié)構(gòu)織物覆膜加固區(qū)的組織結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)參數(shù)仍需優(yōu)化，且長(zhǎng)期耐久性還需深入細(xì)化研究。

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The Preparation and Properties Study on Fabrics of Stent-Graft with Local Durable Structures

Du Jia1Lin Jing1Guidoin Robert2Zang Jingyi1Lu Jun1Zhang Fuhu1Lao Jihong1Wang Lu1#*1

(KeyLaboratoryofTextileScienceandTechnologyofMinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)2(DepartmentsofSurgeryandRadiology,LavalUniversityandQuébecBiomaterialsInstitute,QuebecG1A0A6,Canada)

fabric; zig-zag stent; local durable structure; durability

10.3969/j.issn.0258-8021. 2017. 02.019

2016-07-19， 錄用日期:2016-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(81371648)；教育部紡織生物醫(yī)用材料與技術(shù)創(chuàng)新引智基地111計(jì)劃(B07024);2016中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)基地建設(shè)項(xiàng)目(11D110119)

R318

A

0258-8021(2017) 02-0252-05

# 中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員(Senior member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: wanglu@dhu.edu.cn