絲滌混構(gòu)小口徑人造血管的設(shè)計(jì)與成型

關(guān) 穎，關(guān)國(guó)平，楊小元，彭 蕾，王 璐

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

絲滌混構(gòu)小口徑人造血管的設(shè)計(jì)與成型

關(guān) 穎，關(guān)國(guó)平，楊小元，彭 蕾，王 璐

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

理想的小口徑人造血管產(chǎn)品需要同時(shí)具備良好的力學(xué)性能和生物相容性，目前尚無(wú)理想產(chǎn)品成功應(yīng)用于臨床.以真絲和滌綸長(zhǎng)絲為原材料，真絲編織紗為經(jīng)紗，在經(jīng)改裝的全自動(dòng)劍桿織機(jī)上，成功地制備了絲滌混構(gòu)小口徑人造血管管坯，并對(duì)其進(jìn)行脫膠處理.試驗(yàn)結(jié)果表明，制得的人造血管試樣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、形態(tài)均勻，脫膠處理后人造血管試樣的壁厚在0.3 mm內(nèi)、內(nèi)直徑約4mm、緊度在100%左右.

真絲；滌綸；小口徑人造血管；設(shè)計(jì)；制備

Design and Weaving of the Silk-Polyester Interwoven

據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年大約有55萬(wàn)例需要進(jìn)行旁路手術(shù)的病人，其中近8萬(wàn)人由于自體小口徑血管缺乏而導(dǎo)致手術(shù)無(wú)法進(jìn)行[1].常見(jiàn)的血管性疾病，如冠心病、心肌梗死、周邊動(dòng)脈粥樣硬化癥等，多是由小口徑血管病變產(chǎn)生的疾病，由此造成的死亡占血管性疾病死亡人口的大多數(shù)[2].目前，大口徑人造血管方面的研究以及臨床應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，但是小口徑(直徑<6 mm)人造血管因其具有血流速度較慢、血壓低等特點(diǎn)，易形成血栓或內(nèi)膜異常增生，導(dǎo)致移植后血管遠(yuǎn)期通暢率低[3].因此，提高小口徑人造血管的抗血栓和促內(nèi)皮化性能，對(duì)于提高其遠(yuǎn)期通暢率具有重要意義.同時(shí)，人造血管還應(yīng)具有優(yōu)良的力學(xué)性能，能夠承受體內(nèi)血壓的作用.前人多是通過(guò)表面改性的方法，如引入肝素、聚乙二醇(PEG)等，或采用表面涂層的方法，提高小口徑人造血管的遠(yuǎn)期通暢率，但是效果仍不十分理想[4].

目前市場(chǎng)上可見(jiàn)的小口徑人造血管有兩種，分別是Vascutek?的小口徑人造血管[5]和Thoratec公司的Vectra小口徑人造血管，最小直徑分別為6和5mm.現(xiàn)有的小口徑人造血管中遠(yuǎn)期仍然容易發(fā)生阻塞，且臨床資料較少，所以臨床上還沒(méi)有完全符合應(yīng)用要求的小口徑人造血管[6].為此，本文擬設(shè)計(jì)并制備一種力學(xué)性能及生物相容性兼顧的絲滌混構(gòu)小口徑人造血管，通過(guò)抗血栓及促內(nèi)皮化的方式實(shí)現(xiàn)其中遠(yuǎn)期持久通暢.

真絲長(zhǎng)期用于手術(shù)縫合線(xiàn)[7]，具有較好的環(huán)境穩(wěn)定性[8]，且有利于內(nèi)皮細(xì)胞增殖[9].研究表明，大口徑真絲人造血管具有較好的生物相容性和力學(xué)性能[10]；真絲人造血管網(wǎng)孔適度，組織反應(yīng)輕，新生內(nèi)膜生長(zhǎng)完整，但其保型性較差[11].而且，早期限于技術(shù)手段的原因，小口徑真絲人造血管的織造較為困難，因此，真絲小口徑人造血管的研究未能深入.以滌綸人造血管重建主動(dòng)脈者，術(shù)后5年通暢率可達(dá)85%～95%[12].滌綸人造血管的力學(xué)性能好且長(zhǎng)期通暢率高，在重建大口徑血管方面目前沒(méi)有異議.但純滌綸材料的小口徑人造血管應(yīng)用仍不理想，其中遠(yuǎn)期通暢率大大降低[13].因此，本文結(jié)合絲素纖維良好的生物相容性和滌綸長(zhǎng)絲良好的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)并制備絲滌混構(gòu)小口徑人造血管，為解決小口徑人造血管遠(yuǎn)期通暢率低這一問(wèn)題做初步探索.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文選用兩種醫(yī)用級(jí)真絲股線(xiàn)和一種醫(yī)用級(jí)滌綸復(fù)絲作為原材料，其具體規(guī)格及力學(xué)性能如表1所示.其中，紗線(xiàn)線(xiàn)密度和拉伸性能參照GB/T 3916測(cè)得，紗線(xiàn)直徑在光學(xué)顯微鏡(尼康ECLIPSE E200型)下測(cè)試得到.

表1 紗線(xiàn)原料規(guī)格及力學(xué)性能Table 1 Yarn specification and mechanical properties

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 經(jīng)紗制備

本文經(jīng)紗采用三股編織結(jié)構(gòu)，即將三股真絲在自主設(shè)計(jì)的編織機(jī)上編織成紗線(xiàn)，以增加紗線(xiàn)的抱合力，提高其強(qiáng)力.采用編織紗是因?yàn)橄嗤€(xiàn)密度的編織紗比相同線(xiàn)密度的合股加捻紗線(xiàn)抱合力更好，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，不易起毛.在兩種不同真絲試樣的織造過(guò)程中，未出現(xiàn)編織紗斷頭的現(xiàn)象，說(shuō)明本文的編織紗作為經(jīng)紗是簡(jiǎn)便、有效且可行的[14].編織紗無(wú)需上漿、退漿即可直接織造，從而減少人造血管移植后發(fā)生炎癥反應(yīng)的可能，簡(jiǎn)化織造工藝.編織紗參數(shù)如表2所示.

表2 真絲編織紗規(guī)格及力學(xué)性能Table 2 Specification and mechanical properties of braided silk yarns

1.2.2 管狀織物的制備

本文采用經(jīng)改裝的全自動(dòng)劍桿織機(jī)[15]進(jìn)行管狀織物的一次成型制備.

(1) 絲滌人造血管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).組織圖設(shè)計(jì)：首先根據(jù)織物用途和外觀，選擇合適的表組織，然后采用“底片反轉(zhuǎn)法”確定里組織，再結(jié)合總經(jīng)根數(shù)畫(huà)出橫截面圖，由此確定管狀織物的組織圖.為了使管狀織物上下層連接部分的組織具有連續(xù)性，表、里層經(jīng)紗的排列比為1∶1，表、里緯紗的投緯比為1∶1.總經(jīng)根數(shù)根據(jù)投緯方向和組織的緯向飛數(shù)進(jìn)行修正.

本文經(jīng)紗采用真絲編織紗、緯紗采用滌綸復(fù)絲，滌綸彈性?xún)?yōu)于真絲，使管狀織物具有更好的徑向順應(yīng)性.織物基本組織采用1/1平紋、2/2斜紋和1/3斜紋3種，制備具有不同管壁絲素表達(dá)率的管狀織物.商用大口徑機(jī)織人造血管經(jīng)緯密度值并不是唯一的，一般經(jīng)密約為5.00根/mm，緯密約為4.00根/mm[16-17].結(jié)合紗線(xiàn)線(xiàn)密度和實(shí)驗(yàn)室織機(jī)狀況，確定本文的管狀織物經(jīng)密為5.00根/mm，緯密為4.00根/mm.管狀織物的設(shè)計(jì)內(nèi)直徑為4mm.以A*和C分別為經(jīng)、緯紗織制的1/1平紋、2/2斜紋和1/3斜紋管狀織物，依次編號(hào)為SPT1，SPT2和SPT3；以B*和C分別為經(jīng)、緯紗織制的1/1平紋、2/2斜紋和1/3斜紋管狀織物，依次編號(hào)為SPT4，SPT5和SPT6.

(2) 管狀織物的制備.在經(jīng)改裝的全自動(dòng)劍桿織機(jī)上一次成型管狀織物.總經(jīng)根數(shù)為63根，8片綜頁(yè)，穿綜方式為順穿法，鋼筘筘號(hào)為200筘/10cm，每筘4入.同時(shí)在管狀織物的左右邊緣處各穿入一根張力較大的特線(xiàn)，使管幅邊緣處與管幅中間部位的經(jīng)密保持一致，并保證折幅平整.特線(xiàn)不被織入織物內(nèi)部，織物下機(jī)后即可被抽出.

(3) 后處理.碳酸鈉水溶液能夠有效地脫除真絲材料中的絲膠[18].本文經(jīng)系列優(yōu)化試驗(yàn)[19]，脫膠處理的優(yōu)化工藝：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的碳酸鈉水溶液，溫度為(87±2)℃，水浴時(shí)間為90min，配合攪拌和適當(dāng)?shù)臋C(jī)械外力作用.脫膠時(shí)試樣呈自由狀態(tài).

脫膠后的試樣放入飽和苦味酸胭脂紅溶液中，沸水浴加熱5min染色，觀察顏色.用飽和苦味酸胭脂紅染色后，絲膠部分呈紅色，絲素部分呈黃色，而滌綸不會(huì)被染色.

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，用t檢驗(yàn)法比較樣本間的顯著性差異，p<0.05時(shí)認(rèn)為有顯著差異.

2 結(jié)果與討論

2.1 管坯宏觀結(jié)構(gòu)形態(tài)

圖1是管坯試樣及經(jīng)后處理和熱定型試樣的實(shí)物照片.圖2是管坯后處理前、后的光學(xué)顯微鏡照片.由圖2可以看出，處理后真絲紗線(xiàn)直徑變小，滌綸復(fù)絲在組織點(diǎn)處均勻鋪散開(kāi)，經(jīng)緯紗線(xiàn)排列更均勻、緊密.由于處理后真絲紗線(xiàn)直徑變小，含真絲織物的孔洞比處理前多，且平紋織物(SPT1)尤為明顯.

圖1 管狀織物外觀Fig.1 Appearance of tubular fabrics

圖2 脫膠處理前后織物結(jié)構(gòu)照片(×40)Fig.2 Photos of fabric construction before and after degumming (×40)

2.2 脫膠效果分析

圖3和4分別為脫膠處理后的管狀織物染色前后的照片.試驗(yàn)表明，管狀織物經(jīng)90min碳酸鈉水溶液脫膠處理后，飽和苦味酸胭脂紅溶液染色后的織物經(jīng)紗呈黃色(RGB:145，91，59)，即絲素的顏色.說(shuō)明通過(guò)現(xiàn)行的脫膠方法可以有效地除去織物表面的部分絲膠.

圖3 脫膠處理后管狀織物未染色照片F(xiàn)ig.3 Photos of degummed tubular fabrics without dyeing

圖4 脫膠處理后管狀織物染色照片F(xiàn)ig.4 Photos of degummed tubular fabrics with dyeing

2.3 管狀織物經(jīng)緯密

處理前后管狀織物的經(jīng)密和緯密如圖5所示.由圖5可以看出，管狀織物在脫膠處理后經(jīng)緯密均較脫膠處理前有所增加.這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)脫膠處理，在化學(xué)試劑、熱和機(jī)械共同作用下，紗線(xiàn)內(nèi)應(yīng)力減小，紗線(xiàn)的排布更為緊密.平紋管狀織物經(jīng)緯密均最小，這是因?yàn)槠郊y組織的交織點(diǎn)較多，所以經(jīng)緯紗之間的摩擦阻力較大，織造時(shí)緯紗不容易打緊，脫膠時(shí)紗線(xiàn)間相對(duì)滑移能力較弱.

圖5 脫膠處理前后管狀織物的經(jīng)、緯密Fig.5 Warp and weft count of tubular fabrics before and after degumming

2.4 壁厚

將管狀織物沿側(cè)邊豎直剪開(kāi)，展開(kāi)平鋪，并用厚度儀測(cè)其在一定壓力下不同部位的厚度值，即管壁厚度.本文測(cè)量10個(gè)不同部位的管壁厚度取平均值.參照文獻(xiàn)[20]，壓腳壓力設(shè)定為981Pa(10cN).壁厚主要由經(jīng)緯紗的交織狀態(tài)、屈曲波高和經(jīng)緯紗粗細(xì)等決定.6種管狀織物壁厚測(cè)試結(jié)果如表3所示.

表3 脫膠處理前后管狀織物的管壁厚度Table 3 Thickness of tubular fabrics before and after degumming mm

由表3可以看出，SPT2和SPT6兩種管狀織物處理前后的壁厚無(wú)顯著差異(p>0.05).SPT1，SPT4，SPT5試樣處理前后壁厚有顯著差異，且處理后試樣壁厚增加(p<0.05)，只有SPT3試樣處理后壁厚顯著減小(p?0.05).分析其原因，SPT1，SPT4，SPT5試樣處理后其緊度增大，導(dǎo)致織物的屈曲波高增大，從而織物的壁厚增大.而SPT3中可能是因?yàn)檎娼z紗線(xiàn)粗，脫膠后紗線(xiàn)變細(xì)較多，即使結(jié)構(gòu)調(diào)整，經(jīng)緯密加大，但壁厚還是稍減小.

紗線(xiàn)相同、織物組織不同時(shí)，處理前各織物壁厚關(guān)系：SPT1>SPT2>SPT3，SPT6>SPT5>SPT4；處理后各織物壁厚關(guān)系：SPT1>SPT2>SPT3，SPT6>SPT5=SPT4.織物處理前后壁厚變化差異不明顯.

紗線(xiàn)不同、織物組織相同時(shí)，SPT1-SPT4，SPT2-SPT5，SPT3-SPT6這3組管狀織物壁厚均有顯著差異.處理前：管狀織物壁厚關(guān)系為SPT1>SPT4，SPT2>SPT5，SPT3>SPT6；處理后：管狀織物壁厚規(guī)律與處理前一致.試驗(yàn)結(jié)果顯示，織物組織相同、紗線(xiàn)不同的管狀織物，紗線(xiàn)線(xiàn)密度增加，管狀織物壁厚亦增加.

2.5 管狀織物內(nèi)直徑

在織造過(guò)程中，緯紗張力、特線(xiàn)張力和剛度等都直接影響織物機(jī)上幅寬的變化，同時(shí)也導(dǎo)致織成后管狀織物內(nèi)徑變化.由于人造血管內(nèi)徑與宿主血管內(nèi)徑的匹配程度對(duì)血管遠(yuǎn)期通暢率有重要影響[21]，所以織造過(guò)程中對(duì)管狀織物管徑的穩(wěn)定控制顯得尤為重要，本文分別測(cè)試了處理前后試樣的管徑.

本文的管徑值通過(guò)數(shù)字式游標(biāo)卡尺(精度：0.01mm) 測(cè)量管幅W(mm)和壁厚T(mm)后計(jì)算求得.管狀織物內(nèi)直徑D1(mm)、外直徑D2(mm)、壁厚T以及管幅的關(guān)系為

D2=D1+2T

(1)

(2)

管狀織物各參數(shù)如圖6所示.

圖6 管狀織物參數(shù)示意圖Fig.6 Sketch of tubular fabric parameters

測(cè)量并計(jì)算得到管狀織物處理前后的內(nèi)直徑如表4所示.由表4可以看出，除SPT3試樣，處理后管狀織物內(nèi)直徑都較處理前有所減小.主要是由于在后處理過(guò)程中，管狀織物經(jīng)過(guò)水浸潤(rùn)和熱處理后，在織造過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得以消除，紗線(xiàn)排列更為緊密，表現(xiàn)為內(nèi)徑減小.而根據(jù)前文，SPT3試樣處理后其壁厚有明顯減小，故其處理前后內(nèi)直徑差異不大.

紗線(xiàn)相同、織物組織不同時(shí)，管狀織物內(nèi)直徑關(guān)系為SPT1>SPT2>SPT3，SPT4>SPT5>SPT6.造成管狀織物內(nèi)直徑不同最主要原因是織物組織交織點(diǎn)數(shù)的不同，平紋組織交織點(diǎn)最多，在相同的織造條件下，平紋組織管狀織物的織造打緯阻力最大，各紗線(xiàn)間不易發(fā)生相對(duì)滑移；1/3斜紋組織交織點(diǎn)較少，故在織造打緯時(shí)，紗線(xiàn)間較易發(fā)生滑移，經(jīng)紗在緯紗張力作用下相互靠攏，所以1/3斜紋組織比平紋組織管狀織物內(nèi)徑小.因此，在采用同種紗線(xiàn)進(jìn)行管狀織物織造時(shí)，為獲得相同的織物管徑，不同組織類(lèi)型織物的緯紗張力關(guān)系應(yīng)為平紋>2/2斜紋>1/3斜紋.在織造過(guò)程中，根據(jù)不同的組織類(lèi)型調(diào)節(jié)織造的實(shí)時(shí)緯紗張力.同樣，對(duì)比處理前后試樣管徑的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，平紋織物的內(nèi)直徑變化最大，1/3斜紋織物的內(nèi)直徑變化相對(duì)較小.

由于在后處理前后試樣的管徑均出現(xiàn)不同程度的變化，所以在織造過(guò)程中，需要考慮到后處理時(shí)管徑的收縮，設(shè)計(jì)并控制織造時(shí)管狀織物的管徑.

表4 脫膠處理前后管狀織物的內(nèi)直徑Table 4 Internal diameter of tubular fabrics before and after degumming mm

2.6 織物緊度

織物緊度用于反映織物的緊密程度，包括經(jīng)向緊度Ej、緯向緊度Ew和總緊度E，其計(jì)算式分別如式(3)～(5)所示.

(3)

(4)

E=Ej+Ew-0.01Ej·Ew

(5)

式中：dj和dw分別為經(jīng)、緯紗直徑(mm)；a和b分別為兩根相鄰經(jīng)、緯紗間的平均中心距離(mm)；Pj和Pw分別為經(jīng)、緯密(根/10cm).

根據(jù)實(shí)測(cè)的經(jīng)、緯紗密度和紗線(xiàn)直徑，計(jì)算得到各管狀織物的總緊度如表5所示.由表5可以看出，管狀織物處理前的總緊度均在96%以上，由于SPT4，SPT5，SPT6試樣的經(jīng)紗比SPT1，SPT2，SPT3試樣的經(jīng)紗細(xì)，因此前者的總緊度也較小.處理前，平紋試樣總緊度最小，2/2斜紋和1/3斜紋試樣總緊度相近.處理后，各管狀試樣中紗線(xiàn)應(yīng)力減小，結(jié)構(gòu)重排，紗線(xiàn)排列更為緊密、均勻，表現(xiàn)為管狀織物的管徑減小，織物總緊度增大，處理后織物的總緊度均達(dá)到100%左右.雖然脫膠處理使真絲紗線(xiàn)線(xiàn)密度減小，但織物的總緊度并沒(méi)有因此降低.對(duì)本文的管狀織物而言，紗線(xiàn)排列緊密對(duì)織物總緊度增大的影響大于紗線(xiàn)線(xiàn)密度減小的影響.脫膠處理不僅能去除真絲上不必要的絲膠成分，而且處理后紗線(xiàn)重排使織物結(jié)構(gòu)更緊密，效果等同于緊密化處理.

表5 脫膠處理前后管狀織物的總緊度Table 5 Cover factor of tubular fabrics before and after degumming %

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在經(jīng)改裝的全自動(dòng)劍桿織機(jī)上，成功地一次成型了一系列結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、形態(tài)均勻的絲滌混構(gòu)小口徑人造血管管坯，并對(duì)其進(jìn)行脫膠處理，對(duì)比了處理前后管狀織物經(jīng)緯密度、管壁厚度、管徑及其總緊度的變化.研究表明，經(jīng)脫膠處理后管狀織物的壁厚在0.3 mm內(nèi)、內(nèi)直徑約為4mm、緊度在100%左右.同時(shí)，初步探索了以編織紗為經(jīng)紗，免上漿、退漿等工序的小口徑人造血管管坯織造工藝.

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Small-Diameter Vascular Prosthesis

GUANYing,GUANGuo-ping,YANGXiao-yuan,PENGLei,WANGLu

(Key Laboratory of Textile Science & Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China)

Desired small-diameter vascular prosthesis should be with excellent mechanical properties and biocompatibility,however,there is no such artificial graft clinically.Silk-polyester interwoven small-diameter vascular prototypes were fabricated by the loom with braided silk yarns as the warp yarns，then，degumming was applied on the prototypes.The research result indicated that the fabricated small-diameter vascular prototypes were in stable structure and uniformed appearance，after degumming,the thickness of the wall was less than 0.3 mm,internal diameter was about 4mm,and the cover factor of the fabric was about 100%.

silk; polyester; small-diameter vascular prosthesis; design; fabrication

1671-0444(2015)01-0010-06

2013-09-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51003014)；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20100075110001)

關(guān) 穎(1991—)，女，河南商丘人，博士研究生，研究方向?yàn)樯镝t(yī)用紡織品結(jié)構(gòu)與性能.E-mail:ggyf1991@163.com

王 璐(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail:wanglu@dhu.edu.cn

TS 106.67

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