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    聚乳酸經(jīng)編盆底修補(bǔ)網(wǎng)片的制備與熱定型工藝

    2018-05-31 00:52:47陳艷春張佩華
    關(guān)鍵詞:網(wǎng)片收縮率補(bǔ)片

    魯 瑤, 陳艷春, 張佩華

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

    傳統(tǒng)的盆腔重建方式均為對薄弱的組織進(jìn)行反復(fù)加固,很難建立一個強(qiáng)健和穩(wěn)固的盆底系統(tǒng)以對抗腹壓強(qiáng)度,而應(yīng)用網(wǎng)片不僅修補(bǔ)受損的組織,還可促使組織再生[1-2]。近年來,利用人工合成網(wǎng)片進(jìn)行盆底重建的手術(shù)得到廣泛的推廣,人工合成的不可吸收網(wǎng)片材料具有堅固和應(yīng)用方便等特點,展現(xiàn)了一定的優(yōu)勢,但其所引發(fā)的并發(fā)癥也隨之而來,如感染和侵蝕,其發(fā)生率為2%~3%[3-4]。不可吸收材料的重量及整個網(wǎng)片的彈性都會影響修補(bǔ)材料的收縮性[5]。有研究證實,在疝修補(bǔ)手術(shù)中組織結(jié)疤時會造成網(wǎng)片20%~30%的收縮率[6]。若使用不可降解材料制備盆底修補(bǔ)網(wǎng)片,同樣也會導(dǎo)致類似的情況。

    聚乳酸(polylactic acid, PLA)是美國食品與藥品監(jiān)督管理局(FDA)認(rèn)可的生物醫(yī)用材料,無毒且具有良好的生物相容性,常被用于組織工程或模仿細(xì)胞外基質(zhì),作為細(xì)胞生長等功能性材料[7-8]。PLA在盆底和疝補(bǔ)片的應(yīng)用主要以PLA作為涂層制備復(fù)合型補(bǔ)片為多。例如,Parietene Progrip (Sofradim Production, Coviden, France)就是一種將PLA涂層于聚丙烯(polypropylene, PP)補(bǔ)片上制成的具有免縫合功能的復(fù)合補(bǔ)片[9]。文獻(xiàn)[10]將PLA納米薄片在補(bǔ)片植入過程中貼合于組織上方,以期獲得更好的組織相容性。文獻(xiàn)[11]制備出一種以PLA單絲編織而成的大孔補(bǔ)片,并證實這種補(bǔ)片具有明顯較小的收縮率和炎癥反應(yīng)。以PLA材料制備的補(bǔ)片相比傳統(tǒng)的PP補(bǔ)片具有更小的炎癥反應(yīng),其可降解性還解決了補(bǔ)片長期植入發(fā)生遷移的風(fēng)險。

    本文選用可降解的PLA單絲為原料,制備出可吸收的盆底修補(bǔ)網(wǎng)片。通過將網(wǎng)片在不同的溫度(120~140℃)和時間(5~15 min)下熱定型,探討熱定型工藝對網(wǎng)片的結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)性能的影響。基于穩(wěn)定的強(qiáng)力和較低的彎曲剛度,選擇適合PLA網(wǎng)片的熱定型工藝并對網(wǎng)片的生物相容性進(jìn)行研究。

    1 試驗部分

    1.1 試驗材料

    本文所用的PLA單絲由東華大學(xué)纖維材料改性國家重點實驗室研制,單絲直徑為0.138mm,線密度為16.65 tex,斷裂強(qiáng)度為28.829cN/tex。單絲表面結(jié)構(gòu)光滑(如圖1所示)。PLA的差示掃描量熱(DSC)圖譜如圖2所示。從圖2可以看出,PLA于145℃左右開始熔融,并在166℃左右達(dá)到熔融峰值。

    圖1 PLA的顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 Microscope image of PLA

    圖2 PLA的DSC譜圖Fig.2 DSC thermogram of PLA

    1.2 PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備

    為了在織物中形成網(wǎng)眼,必須使相鄰縱行在部分橫列中失去聯(lián)系,這種采用經(jīng)編織物形成網(wǎng)孔的方法是最常見的。

    本文設(shè)計的PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片,優(yōu)先選擇了三梳編鏈襯緯經(jīng)編網(wǎng)孔組織,其墊紗工藝為

    GB1:1-0/0-1//,滿穿;

    GB2:0-0/2-2/1-1/3-3/0-0/3-3/1-1/2-2/0-0/3-3//,1穿1空;

    GB3:3-3/1-1/2-2/0-0/3-3/0-0/2-2/1-1/3-3/0-0//,1穿1空。

    編鏈加襯緯組織是經(jīng)編中形成孔眼最常用的一種方法,可形成方格、六角等多種孔眼形狀[12]。編鏈?zhǔn)沟每椢锟v向延伸性小,具有較好的尺寸穩(wěn)定性。襯緯紗起著橫向連接、縱向加固的作用,同一橫列的兩把襯緯紗梳櫛針背反向?qū)ΨQ墊紗,使得織物結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。本文制備PLA補(bǔ)片的步驟主要包括整經(jīng)、編織和熱定型。

    1.2.1 整經(jīng)

    整經(jīng)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到織造過程能否順利進(jìn)行,以及織物質(zhì)量的均勻和穩(wěn)定[13]。本文所用的試樣整經(jīng)線速度為200轉(zhuǎn)/min,分紗人字筘E24,一穿一空,盤頭規(guī)格為17.78 cm×17.78cm(7英寸×7英寸),6個盤頭,每個盤頭69根紗。

    1.2.2 編織

    PLA盆底網(wǎng)片的上機(jī)密度為9.8橫列/cm,送經(jīng)量GB1為(2 250±50)mm/rack,GB2為(830±50)mm/rack,GB3為(810±50)mm/rack。

    1.2.3 熱定型

    熱定型是指通過加熱使纖維及織物形態(tài)和尺寸保持相對穩(wěn)定的過程[14]。本試驗選用R-3型自動定型烘干機(jī),通過改變定型后網(wǎng)片的橫密和縱密來實現(xiàn)定型張力的量化。試樣所需裁剪的尺寸可通過下機(jī)縱橫密、目標(biāo)縱橫密和針板尺寸計算得到,計算方法為

    (1)

    針板尺寸固定為280mm×126 mm, PLA 織物下機(jī)后實測目標(biāo)縱密和橫密分別為15橫列/cm和9.5縱列/cm,熱定型后盆底網(wǎng)片的縱密和橫密所需要的目標(biāo)密度分別為10橫列/cm和8.3縱列/cm。根據(jù)式(1)計算得到網(wǎng)片定型尺寸為186 mm×110mm。定型的溫度和時間根據(jù)PLA的熔點確定,即熱定型溫度為120~140℃,熱定型時間為5~15 min。對于熱定型試驗的設(shè)計見表1所示。

    表1 PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片的熱定型工藝參數(shù)Table 1 Heat-setting parameters of PLA pelvic floor repairing mesh

    1.3 PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片的性能測試

    1.3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)測試

    (1) 厚度。參考GB/T 3820—1997,采用YG 141N型數(shù)字式織物厚度儀測試試樣厚度,取10次測試結(jié)果的平均值。

    (2) 面密度。采用FA 2004A型電子天平,在溫度為(20±2)℃、相對濕度為(65±2)%的恒溫恒濕室里對調(diào)濕24h 的盆底修補(bǔ)網(wǎng)片進(jìn)行稱重,測試5次,取其平均值。

    (3) 孔隙率。采用計算機(jī)圖像處理方法計算網(wǎng)片孔隙率。用顯微鏡隨機(jī)拍攝圖像,將其導(dǎo)入計算機(jī)圖像處理軟件中進(jìn)行處理。此處采用大律法閾值原理處理圖像,按照圖像的灰度特性,將圖像分割成背景和目標(biāo),文中背景為織物孔隙部分,目標(biāo)為織物??紫堵?P)為背景像素點占整幅圖像的百分比,其計算式為

    (2)

    式中:Nt為總的像素點數(shù);Nw為白色像素點數(shù)。

    1.3.2 力學(xué)性能測試

    (1) 拉伸性能。參考GB/T 3923.1—1997,試驗采用儀器為HD 026N+型電子織物強(qiáng)力儀。由于PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片所織樣品幅寬較小,僅為 14cm,因此試樣的經(jīng)緯向測試規(guī)格按照測試標(biāo)準(zhǔn)縮小為 80mm×20mm,縱、橫向試樣各5塊,夾持隔距為80mm,拉伸速度為100mm/min,預(yù)加張力為2 N。

    (2) 頂破性能。參考GBT 19976—2005,試驗采用儀器為HD026N+型電子織物強(qiáng)力儀。試樣為圓形,直徑為6 mm,試驗機(jī)升降速度為100mm/min,隔距為400mm,每塊試樣測試5次。

    (3) 抗彎剛度。參考GB/T 18318—2001,本試驗將采用斜面懸臂法測量針織物縱橫向彎曲長度,縱橫試樣各3塊??箯潉偠鹊挠嬎闳缡?3)所示。

    2)用戶行為(包括 PDP激活、RAU、TAU、QOS更新等)涉及到SGSN與GGSN間進(jìn)行g(shù)tpc或者gptu交付的情況,一旦一條GTP消息沒有得到對端網(wǎng)元的正確響應(yīng),同樣將會上報“gtpc路徑斷”;

    G=m×c3×10-3

    (3)

    式中:G為單位寬度的抗彎剛度,mN·cm ;m為試樣的面密度,g/m2;c為試樣的平均彎曲長度,cm。

    (4) 拉脫強(qiáng)力。本試驗采用YG(B)026H—500型醫(yī)用紡織品多功能強(qiáng)力儀進(jìn)行測試,拉脫試驗示意如圖3所示。試樣操作隔距為100mm,預(yù)加張力為0.1 N,拉伸速度為100mm/min。試驗中采用高強(qiáng)滌綸縫合線,縫合線從距織物邊緣3 mm 處孔洞中穿過,兩端被上夾頭夾住,被測試樣由下夾頭固定??v、橫向試樣各5塊,試樣尺寸為50mm×50mm。

    圖3 試樣拉脫試驗示意圖Fig.3 Schematic program of suture pull-off measurement

    1.3.3 生物相容性的測試

    (1) 手術(shù)方法。30只質(zhì)量為2.0~2.3 kg的新西蘭大白兔(同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院動物飼養(yǎng)中心提供)被隨機(jī)分為2組,分別為PLA網(wǎng)片組與假手術(shù)對照組。使用補(bǔ)片的試驗組中,每只動物植入兩張網(wǎng)片;假手術(shù)對照組的操作方法與網(wǎng)片組相同。

    手術(shù)中,首先將動物背部脫毛后,由耳緣靜脈注射3%的麻醉劑戊巴比妥鈉。背部縱向切開長約3cm的切口,鈍性分離皮下筋膜,將5cm×3cm大小的補(bǔ)片平鋪埋植于皮下,在網(wǎng)片中央縫合固定(圖4)。埋植完畢后逐層縫合皮膚切緣。術(shù)后不使用抗生素,試驗期間所有動物均飼養(yǎng)在溫度為15~25℃和相對濕度為60%~70%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中,每天定時補(bǔ)給飼料與水。每組的5只動物分別于1個月、3個月、6個月后采用空氣栓塞法處死,并將補(bǔ)片及其周圍皮膚肌肉同時取材、固定。

    圖4 植入動物背部的PLA盆底修復(fù)網(wǎng)片F(xiàn)ig.4 The PLA mesh being implanted on the back of animal

    (2) 補(bǔ)片-組織的大體觀察。對試驗期間的補(bǔ)片-組織復(fù)合物進(jìn)行觀察,記錄補(bǔ)片粘連、折疊、暴露等異?,F(xiàn)象的發(fā)生率。

    (3) 補(bǔ)片-組織的收縮率。收縮率采用補(bǔ)片-組織減少的面積與植入前面積比值表示。補(bǔ)片取出后立即采用透明薄膜描繪其輪廓邊緣,并將圖片輸入電腦中,通過Photoshop CS6讀取補(bǔ)片圖像部分的像素值,計算其與植入前圖像像素的比值,即得到補(bǔ)片收縮率。每組隨機(jī)抽取3個樣品進(jìn)行測試,結(jié)果以重復(fù)試驗的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差表示。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片的結(jié)構(gòu)參數(shù)

    經(jīng)過不同熱定型工藝后PLA網(wǎng)片的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。由表2可知,PLA 網(wǎng)片屬于重量型網(wǎng)片,網(wǎng)片的面密度為 87.88~97.35 g/m2,厚度為 0.593 9~0.703 7mm,孔隙率達(dá)到63.77%~69.21%。其中7#試樣面密度最小,孔隙率相對最大。溫度對網(wǎng)片的面密度影響較為明顯,溫度每升高10℃,面密度平均減少2 g/m2左右,厚度平均減少0.02~0.03 mm,孔隙率平均增大0.8%左右。而當(dāng)溫度不變時,采用更長的定型時間導(dǎo)致網(wǎng)片的面密度增加,但對厚度以及孔隙率的影響不明顯。

    表2 PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of PLA mesh

    2.2 PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片的力學(xué)性能分析

    2.2.1 斷裂強(qiáng)力

    熱定型后的PLA 盆底修補(bǔ)網(wǎng)片的縱向斷裂強(qiáng)力為94.3~186.7 N,橫向斷裂強(qiáng)力為25.1~74.3 N。定型溫度和定型時間對PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片縱、橫向斷裂強(qiáng)力的影響情況如圖5所示。由圖5可知,網(wǎng)片的斷裂強(qiáng)力隨著定型溫度的升高總體呈增加趨勢。以溫度140℃定型后的PLA網(wǎng)片在縱、橫向皆具有最大的強(qiáng)力;但是當(dāng)定型溫度從120℃升高至130℃時,網(wǎng)片的強(qiáng)力基本無變化。這可能是由于網(wǎng)片在140℃ 條件下加熱一段時間后,PLA 單絲的熱收縮現(xiàn)象嚴(yán)重,造成網(wǎng)片的線圈分布更為緊密。定型時間的變化對PLA網(wǎng)片的斷裂強(qiáng)力的影響無明顯的規(guī)律,增加定型時間并未造成網(wǎng)片強(qiáng)力的明顯損失。

    (a) 縱向(b) 橫向

    2.2.2 頂破強(qiáng)力

    熱定型后PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片的頂破強(qiáng)力為120.2~184.6 N。溫度和時間對網(wǎng)片頂破強(qiáng)力的影響如圖6所示。由圖6可知,頂破強(qiáng)力隨著定型溫度的升高顯著降低,在溫度為140℃的條件下定型后的PLA網(wǎng)片具有最低的頂破強(qiáng)力。與斷裂強(qiáng)力相似,定型時間對頂破強(qiáng)力無明顯影響。

    圖6 溫度和時間對PLA修補(bǔ)網(wǎng)片頂破強(qiáng)力的影響Fig.6 The effect of temperature and time on the bursting strength of PLA mesh

    2.2.3 抗彎剛度

    PLA網(wǎng)片經(jīng)過定型后的縱向抗彎剛度為234.04~522.72 mNcm,橫向抗彎剛度為44.13~87.59 mNcm。PLA網(wǎng)片的編鏈襯緯結(jié)構(gòu)決定了其方向性特征,即網(wǎng)片沿縱向硬挺而橫向較為柔軟。溫度和時間對PLA網(wǎng)片抗彎剛度的影響如圖7所示。由圖7可知,隨著定型溫度的升高,網(wǎng)片的縱、橫向彎曲剛度明顯增加,PLA網(wǎng)片變得更加剛硬。隨著定型時間的增加,縱向彎曲剛度呈增加趨勢,而橫向彎曲剛度降低。結(jié)合斷裂強(qiáng)力的試驗結(jié)果可知,網(wǎng)片定型后由于單絲的收縮變得更為緊密,而網(wǎng)片的收縮主要沿彈性更好的橫向進(jìn)行,導(dǎo)致網(wǎng)片的孔眼變得更為細(xì)長,因此網(wǎng)片的縱向彎曲剛度增加而橫向彎曲剛度降低。

    (a) 縱向(b) 橫向

    圖7溫度和時間對PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片抗彎剛度的影響

    Fig.7TheeffectoftemperatureandtimeonthebendingstiffnessofPLAmesh

    2.2.4 縫線拉脫強(qiáng)力

    PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片的縱向縫合線拉脫強(qiáng)力為5.27~13.99 N,橫向縫合線拉脫強(qiáng)力為 21.03~33.6 N。溫度和時間對PLA網(wǎng)片縫線拉脫力的影響如圖8所示。由圖8可知,隨著定型溫度的升高,網(wǎng)片的縫線拉脫力呈降低的趨勢。網(wǎng)片的縫線拉脫力隨定型時間的變化并不明顯,并且無規(guī)律可尋。

    總體而言,相比定型時間,定型溫度對PLA網(wǎng)片的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及力學(xué)性能的影響更為顯著。隨著溫度的升高,網(wǎng)片的斷裂強(qiáng)力增加,頂破強(qiáng)力降低,抗彎剛度增加,縫線拉脫強(qiáng)力降低。網(wǎng)片在高溫定型后性能改變明顯,網(wǎng)片變得更加脆硬并且易受沖擊的影響發(fā)生斷裂。因此過高的熱定型溫度并不適合于PLA網(wǎng)片。但是溫度過低又易導(dǎo)致網(wǎng)片定型不充分,孔眼形狀發(fā)生變化。試驗中發(fā)現(xiàn),定型溫度為120和130℃所對應(yīng)網(wǎng)片的力學(xué)性能極為相近,但是以130℃熱定型后的網(wǎng)片尺寸更為固定?;谙MW(wǎng)片具有穩(wěn)定的強(qiáng)力以及較低的彎曲剛度,選擇PLA網(wǎng)片的熱定型工藝參數(shù)為溫度130℃和時間10 min。

    (a) 縱向(b) 橫向

    圖8溫度和時間對PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片縫合線拉脫強(qiáng)力的影響

    Fig.8Theeffectoftemperatureandtimeonthesuturepull-offforceofPLAmesh

    2.3 PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片的生物相容性分析

    2.3.1 網(wǎng)片-組織的大體情況觀察

    PLA網(wǎng)片暴露出體外的狀況如圖9所示。暴露是指補(bǔ)片通過磨損周圍組織,導(dǎo)致皮膚潰敗并露出體表的現(xiàn)象。網(wǎng)片在植入動物體后的期間,發(fā)現(xiàn)部分補(bǔ)片暴露出體外并且伴隨著周圍組織的膿腫和感染,補(bǔ)片暴露的發(fā)生率為13.33%(4/30)和假手術(shù)對照組相比具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.018)。PLA網(wǎng)片的剛硬特點被認(rèn)為是導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因。

    圖9 PLA網(wǎng)片暴露出動物體外Fig.9 The exposure of PLA mesh

    2.3.2 網(wǎng)片-組織的收縮率

    圖10 PLA網(wǎng)片的收縮現(xiàn)象Fig.10 The shrinkage phenomenon of PLA mesh

    PLA網(wǎng)片的收縮現(xiàn)象如圖10所示。PLA網(wǎng)片的收縮率經(jīng)測試為(2.15±0.26)%,網(wǎng)片基本沒有出現(xiàn)大幅度的變形以及尺寸縮小的現(xiàn)象,導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是網(wǎng)片的厚重結(jié)構(gòu)以及高剛度。厚重的結(jié)構(gòu)使得網(wǎng)片不易受周圍肌肉運(yùn)動的影響,網(wǎng)片不會被反復(fù)拉伸因而穩(wěn)定了其作用面積。

    通過對網(wǎng)片進(jìn)行埋置試驗并對網(wǎng)片-組織的性能進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)PLA網(wǎng)片厚重、剛硬的特點雖然易導(dǎo)致暴露現(xiàn)象的發(fā)生,但是也穩(wěn)定了網(wǎng)片的作用面積,表現(xiàn)為極小的收縮率。PLA網(wǎng)片的低收縮率優(yōu)點是大部分輕量型的盆底補(bǔ)片所欠缺的。如植入體內(nèi)的網(wǎng)片面積的大幅度減少,常常伴隨著網(wǎng)片在體內(nèi)的蜷縮變形,并且導(dǎo)致術(shù)后復(fù)發(fā)甚至需要再次手術(shù),這嚴(yán)重危害了患者的健康。

    4 結(jié) 語

    本文選用直徑為0.138 mm的PLA單絲,在機(jī)號為E20的經(jīng)編小樣機(jī)上編織了三梳編鏈襯緯經(jīng)編網(wǎng)孔組織,通過研究熱定型溫度和時間對網(wǎng)片的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及力學(xué)性能的影響,尋找較為適合本文制備的PLA盆底修補(bǔ)網(wǎng)片的定型工藝。所得結(jié)論如下:

    (1) 隨著定型溫度的增加,PLA網(wǎng)片的斷裂強(qiáng)力增加,頂破強(qiáng)力降低,抗彎剛度增加,縫線拉脫強(qiáng)力降低。但是當(dāng)定型溫度從120℃升高至130℃時,網(wǎng)片的力學(xué)性能變化不大。

    (2) PLA網(wǎng)片的結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)性能隨定型溫度的變化不明顯,并且無固定規(guī)律可尋。但是當(dāng)定型時間過長時,PLA網(wǎng)片的縱向彎曲剛度增加。

    (3) 在對PLA網(wǎng)片充分定型,穩(wěn)定其尺寸和形狀的基礎(chǔ)上,基于穩(wěn)定的強(qiáng)力和較低的彎曲剛度,熱定型工藝進(jìn)行選擇為:定型溫度為130℃和定型時間為10 min。

    (4) 此定型工藝下的PLA網(wǎng)片雖然導(dǎo)致了一定的網(wǎng)片暴露現(xiàn)象(發(fā)生率為13.33%),但是也使得網(wǎng)片具有極低的收縮率(2.15±0.26)%。低收縮的優(yōu)點是盆底修復(fù)網(wǎng)片所迫切需要的重要性能之一,有利于避免術(shù)后疾病的復(fù)發(fā)。

    參 考 文 獻(xiàn)

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