拉伸法測(cè)Mersilk縫合線的力學(xué)性能

劉小利，袁小燕，牛曉東

長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部，山西長(zhǎng)治046000

前言

醫(yī)用縫合線按照吸收性分為非吸收性縫合線和可吸收縫合線［1-2］。醫(yī)用絲線由蠶絲經(jīng)脫膠涂蠟后編織或捻合而成，是一種常見(jiàn)的非吸收性手術(shù)縫合線［3］。由于絲線具有良好的打結(jié)強(qiáng)度、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，在眼科、神經(jīng)外科和心血管外科中很受歡迎［4-5］。最具代表性的醫(yī)用絲線是ETHICON公司生產(chǎn)的Mersilk縫合線，Mersilk縫合線采用天然絲線，在拉力下經(jīng)編織而成。醫(yī)用縫合線的力學(xué)性能一般使用萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測(cè)定，但是一般的院校并不具備該實(shí)驗(yàn)裝置。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)FD-YC-II型楊氏模量測(cè)定儀，采用拉伸法測(cè)Mersilk縫合線的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

FD-YC-II型楊氏模量測(cè)定儀的支架頂端設(shè)有樣品夾持裝置，樣品下端的夾持裝置連接一小圓柱，圓柱中部的平面上有細(xì)橫線供讀數(shù)用，小圓柱下端附有砝碼盤(pán)。兩個(gè)夾持裝置之間的距離即為樣品的實(shí)際長(zhǎng)度。JC10型讀數(shù)顯微鏡用來(lái)觀測(cè)樣品下端小圓柱中部平面上細(xì)橫線位置及其變化，其目鏡前方分劃板的刻度范圍0～8 mm，無(wú)法測(cè)量比較大的形變。本實(shí)驗(yàn)用JCD3型讀數(shù)顯微鏡代替JC10型讀數(shù)顯微鏡測(cè)細(xì)橫線位置：旋轉(zhuǎn)JCD3型讀數(shù)顯微鏡并固定，使測(cè)微鼓輪朝上，鏡筒及物鏡正對(duì)樣品下端的小圓柱平面，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental installation

1-0型Mersilk縫合線購(gòu)于美國(guó)ETHICON公司，隨機(jī)抽取不同生產(chǎn)批次的5根縫合線作為實(shí)驗(yàn)材料，相同的實(shí)驗(yàn)過(guò)程重復(fù)5次。室溫下，將1-0型Mersilk縫合線從包裝中取出后沿豎直方向用上、下兩個(gè)夾具拉直。JC10型讀數(shù)顯微鏡沿著支架上下移動(dòng)分別測(cè)Mersilk縫合線在1/4、2/4和3/4處3個(gè)不同位置的直徑平均值作為每根縫合線的實(shí)際直徑d，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。每次實(shí)驗(yàn)要求縫合線的初始長(zhǎng)度相同，卷尺測(cè)量?jī)蓚€(gè)夾具之間的距離即Mersilk縫合線的初始長(zhǎng)度l0=24.00 cm。JCD3型讀數(shù)顯微鏡記錄此時(shí)小圓柱上的細(xì)橫線指示的刻度Y0。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從100 g開(kāi)始，每100 g增加一次砝碼直到Mersilk縫合線被拉斷為止，縫合線被拉斷時(shí)的砝碼質(zhì)量為最大載荷mmax，拉伸強(qiáng)度為σmax，斷裂伸長(zhǎng)率為εmax，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

應(yīng)力計(jì)算公式為：

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Experimental data

其中，mi為下掛砝碼質(zhì)量。

應(yīng)變計(jì)算公式為：

其中，Yi為拉伸過(guò)程中JCD3型讀數(shù)顯微鏡測(cè)得的細(xì)橫線位置，讀數(shù)越小表示拉伸長(zhǎng)度越大。對(duì)應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)代入式（1）和式（2），利用Excel軟件計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中認(rèn)為直徑不變，此處的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)楣こ虘?yīng)力和工程應(yīng)變，反映的是材料的整體性質(zhì)［6-7］。

對(duì)表1的5組數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，得出兩兩相關(guān)系數(shù)均大于0.99，經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，P＜0.01，說(shuō)明每組數(shù)據(jù)相似度高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，重復(fù)性好。以第3次實(shí)驗(yàn)為例，Excel軟件處理數(shù)據(jù)，并對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行三階多項(xiàng)式擬合［8］，三階擬合公式為：

其中，ε表示應(yīng)變，σ表示應(yīng)力，單位為MPa，R2=0.999 8。

縫合線完整的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可以看出三階擬合公式很好地描述了拉伸Mersilk縫合線的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，曲線形式和Chu［9］和Naleway等［10］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。本實(shí)驗(yàn)以1-0型Mersilk縫合線為研究對(duì)象，Chu和Naleway的實(shí)驗(yàn)材料分別是2-0型和3-0型的Mersilk縫合線。相同材料、不同規(guī)格縫合線的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量等力學(xué)性質(zhì)并不相同，但是卻具有形狀相似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；而對(duì)于不同材料的縫合線，即使具有相同的拉伸強(qiáng)度，應(yīng)力-應(yīng)變曲線也不相同，因此可根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的具體形狀來(lái)區(qū)分不同材料的縫合線［9-11］。

圖2 Mersilk縫合線的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of Mersilk suture

從圖2可看出，拉伸Mersilk縫合線的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)。拉伸初期應(yīng)變小于4%時(shí)曲線較陡，隨著應(yīng)變?cè)龃?，曲線斜率逐漸減小，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾虞^為均勻，這可能和蠶絲纖維的結(jié)構(gòu)有關(guān)［12］。Mersilk縫合線是由脫膠后的蠶絲編織而成，主要包含絲素纖維。絲素是一種纖維狀蛋白，由表層的無(wú)定形區(qū)和內(nèi)部的結(jié)晶區(qū)組成。無(wú)定形區(qū)的大分子取向度較低，使得Mersilk縫合線具有較高的拉伸變形能力，因此在應(yīng)變大于4%后曲線較為平緩。

2.2 拉伸強(qiáng)度

由表1可知，1-0型Mersilk縫合線的拉伸強(qiáng)度平均值為320.87 MPa。斷裂伸長(zhǎng)率平均值為11.91%。

Abiri等［13］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著拉伸速度（或應(yīng)變率）的增大，同一規(guī)格Mersilk縫合線的拉伸強(qiáng)度也隨之增加，但差異并不顯著。本實(shí)驗(yàn)拉伸Mersilk縫合線共增加砝碼34次，增加一次砝碼所用時(shí)間約為60 s，基本保證了應(yīng)變速率近似恒定，可以忽略應(yīng)變速率對(duì)Mersilk縫合線力學(xué)性能的影響。本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是美國(guó)藥典（USP）中的1-0型非吸收手術(shù)縫合線，其線徑規(guī)格為0.350 mm。Abiri等［13］的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有測(cè)量縫合線直徑，而是根據(jù)縫合線規(guī)格計(jì)算縫合線的橫截面積，并將其用于抗拉強(qiáng)度計(jì)算，得到1-0型Mersilk縫合線的抗拉強(qiáng)度為（40.46±2.44）kN·cm-2，即（404.6±24.4）MPa。而本實(shí)驗(yàn)測(cè)定的Mersilk縫合線直徑平均值為0.372 mm，計(jì)算出的抗拉強(qiáng)度平均值為320.87 MPa，因此縫合線的實(shí)際直徑是造成抗拉強(qiáng)度存在誤差的主要原因［14-15］。另一可能原因是縫合線夾持裝置對(duì)縫線結(jié)構(gòu)的影響，會(huì)使得縫合線總是在靠近夾具處斷裂，拉伸強(qiáng)度減小，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要保證夾具和縫合線之間既不能打滑，也不能夾得太緊使得縫合線在靠近夾具處結(jié)構(gòu)改變?cè)斐煽p合線提前斷裂，拉伸強(qiáng)度減小。

2.3 楊氏模量

由圖2可看出，Mersilk縫合線的應(yīng)力-應(yīng)變曲線起始部分不是直線，楊氏模量E可用起始切線模量（初始模量）來(lái)定義，起始切線模量為應(yīng)力-應(yīng)變曲線在原點(diǎn)的斜率［4-6］：

將擬合式（3）代入式（4）計(jì)算楊氏模量，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。楊氏模量平均值為65.91 MPa。楊氏模量可以反映縫合線的剛度［11］，楊氏模量越小縫合線的剛度越小，彈性就越大，在給定應(yīng)力下，縫合線越容易被拉伸。

2.4 滯后回線

拉伸法可以測(cè)一般金屬絲的滯后現(xiàn)象［16］，也可以測(cè)具有超彈性的金屬材料的滯后環(huán)［17］，Mersilk縫合線的原料蠶絲屬于天然高分子材料［18］，具有粘彈性，有比較大的拉伸變形能力，用拉伸法可以測(cè)出其滯后回線。

將1-0型Mersilk縫合線用兩個(gè)夾具拉直，從100 g開(kāi)始，每100 g增加一次砝碼，將Mersilk縫合線拉伸至應(yīng)變約為4%之后每100 g卸載一次砝碼，每次加載、卸載砝碼所用時(shí)間均為60 s，測(cè)Mersilk縫合線的加載卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 加載卸載應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線Fig.3 Stress-strain hysteresis loops under loading and unloading

從圖3可以看出，Mersilk縫合線的卸載曲線和加載曲線不重合，滯后現(xiàn)象明顯。卸載初期Mersilk縫合線不能及時(shí)回縮仍在伸長(zhǎng)，曲線斜率為負(fù)值。隨著卸載過(guò)程的進(jìn)行，縫合線回縮、長(zhǎng)度變小，曲線斜率變?yōu)檎担乜s幅度逐漸增大，曲線斜率逐漸減小。卸載結(jié)束后，形變不能完全恢復(fù)，殘余應(yīng)變約為1.6%，說(shuō)明有永久性形變。應(yīng)力-應(yīng)變存在滯后現(xiàn)象說(shuō)明加載時(shí)消耗于材料的變形功大于卸載時(shí)材料放出的變形功，因而有一部分變形功為材料所吸收。

3 結(jié)論

在FD-YC-II楊氏模量測(cè)定儀的基礎(chǔ)上，用JCD3型讀數(shù)顯微鏡測(cè)量拉伸Mersilk縫合線過(guò)程中的軸向形變，從而得出了1-0型Mersilk縫合線的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和楊氏模量，并測(cè)定了Mersilk縫合線的應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線。實(shí)驗(yàn)具有可行性，測(cè)定Mersilk縫合線力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，結(jié)果可靠，可以用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于高等院校尤其是醫(yī)藥類專業(yè)學(xué)生了解黏彈性材料的力學(xué)性質(zhì)，體會(huì)物理與醫(yī)學(xué)的密切聯(lián)系，提高學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣［19-20］，還可以為臨床醫(yī)學(xué)工作者使用手術(shù)縫合線提供一定的數(shù)據(jù)參考。