人工韌帶拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞測試裝置的設(shè)計和應(yīng)用

盧 俊， 李姝佳， 陳泓傑， 湯 旭， 勞繼紅， 王 璐， 林 婧

(東華大學(xué) a.紡織學(xué)院， b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，c.機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

據(jù)報道，全世界每年前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)損傷病例超過200萬，且大多發(fā)生在與體育運(yùn)動相關(guān)的情形下[1]。臨床上使用韌帶移植物進(jìn)行重建治療，主要包括自體移植物、同種異體移植物和人工韌帶3類[2-5]。其中人工韌帶具有材料來源廣泛、不損傷自體組織、術(shù)后恢復(fù)較快等一系列優(yōu)點(diǎn)，是目前韌帶移植物的重點(diǎn)研究方向。早期對于人工韌帶的力學(xué)性能評估主要采用單軸向拉伸和循環(huán)加載拉伸等測試方法，將拉伸測試結(jié)果與自體韌帶的斷裂強(qiáng)力、強(qiáng)度和剛度等指標(biāo)進(jìn)行對比，以評估人工韌帶的耐疲勞性能[6-12]。但有學(xué)者[13]分析移植失效的人工韌帶發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)移植物的失效是由膝關(guān)節(jié)的過度拉伸扭轉(zhuǎn)所導(dǎo)致。YY/T 0965—2014《無源外科植入物 人工韌帶專用要求》中亦要求對人工韌帶的扭轉(zhuǎn)性能進(jìn)行測試。因此，人工韌帶的循環(huán)拉伸性能及扭轉(zhuǎn)性能是評估其耐疲勞性能的重要力學(xué)指標(biāo)。

目前，國內(nèi)外已有部分研究團(tuán)隊研發(fā)出測試前交叉韌帶及其移植物的生物力學(xué)性能體外檢測裝置。1991年，Drouin等[14]首次對人工韌帶進(jìn)行多自由度生物力學(xué)性能檢測，他們基于對前交叉韌帶的受力情況及移植手術(shù)方法的研究，選取關(guān)節(jié)的拉伸參數(shù)和扭轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行體外疲勞模擬循環(huán)測試，研究發(fā)現(xiàn)基于這兩類參數(shù)設(shè)計的裝置能夠有效反映人工韌帶移植后的受力情況。黃偉等[15]設(shè)計了一種膝關(guān)節(jié)韌帶生物力學(xué)性能試驗儀，通過測試脛骨在扭力作用下的轉(zhuǎn)動角度以定量研究韌帶的生物力學(xué)特性，但未考慮拉伸載荷的作用。朱丹杰[16]設(shè)計了一種可對生物軟組織進(jìn)行沿材料軸向拉伸和扭轉(zhuǎn)測試的生物力學(xué)性能評估裝置。但針對紡織基人工韌帶移植物拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞性能測試裝置的研究仍非常有限。本文設(shè)計了一種紡織基人工韌帶拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞測試裝置，通過對不同疲勞測試時間點(diǎn)的人工韌帶進(jìn)行耐疲勞性能分析，以評估拉伸扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷作用下人工韌帶的耐疲勞性能，期望該裝置在拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞研究方面能為人工韌帶生物力學(xué)研究提供一些新思路。

1 拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞測試裝置的設(shè)計

在設(shè)計和制備人工韌帶產(chǎn)品時，除需使用織物強(qiáng)力儀對其單軸拉伸性能進(jìn)行評估外，還需考慮到在人體膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)人工韌帶會受到脛骨對其施加的扭轉(zhuǎn)剪切載荷作用。故考慮對織物強(qiáng)力儀進(jìn)行改裝，即將織物強(qiáng)力儀的下夾具設(shè)計成扭轉(zhuǎn)疲勞裝置測試組件，從而實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)剪切載荷的施加，而上夾具則用于施加定負(fù)荷以作拉伸測試。人工韌帶拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞測試裝置由計算機(jī)、YG(B)026H型織物強(qiáng)力儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司，中國浙江)、力學(xué)傳感器、上夾持裝置和扭轉(zhuǎn)疲勞裝置組件構(gòu)成，如圖1所示?？椢飶?qiáng)力儀通過數(shù)據(jù)串口線與計算機(jī)連接；力學(xué)傳感器固定于織物強(qiáng)力儀上，并在下端接上夾持裝置以實現(xiàn)樣品的定負(fù)荷拉伸。扭轉(zhuǎn)疲勞裝置組件包括3個部分，即夾持機(jī)構(gòu)、扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)(見圖2)。

圖1 人工韌帶拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞測試裝置組成Fig.1 Composition of artificial ligament tensile and torsion fatigue testing device

1—夾持副部；2—夾持主體；3—扭轉(zhuǎn)齒輪；4—連接套筒；5—織物強(qiáng)力儀連接基座；6—轉(zhuǎn)盤；7—調(diào)速電機(jī)；8—連桿；9—直齒齒條。圖2 扭轉(zhuǎn)疲勞裝置組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of torsion fatigue device component

夾持機(jī)構(gòu)包括夾持副部和夾持主體。夾持試樣部分設(shè)計為矩形齒狀，以保證測試過程中夾持試樣下端穩(wěn)定且不發(fā)生滑移，同時倒細(xì)微圓角防止磨損切割試樣。

扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括調(diào)速電機(jī)、轉(zhuǎn)盤、連桿、扭轉(zhuǎn)齒輪和直齒齒條。調(diào)速電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤通過連桿帶動直齒齒條在滑槽內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動，構(gòu)成對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是一種使回轉(zhuǎn)運(yùn)動和往復(fù)直線運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的機(jī)構(gòu)，在各類機(jī)械中得以廣泛應(yīng)用，比如用于汽車發(fā)動機(jī)，通過燃燒空氣產(chǎn)生的壓力將活塞的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動。扭轉(zhuǎn)齒輪和往復(fù)直線齒條相互嚙合作扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過鍵連接實現(xiàn)周向定位，軸向與夾持機(jī)構(gòu)過盈配合連接，最終實現(xiàn)與夾持機(jī)構(gòu)相連的人工韌帶試樣的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。

連接結(jié)構(gòu)包括連接套筒和織物強(qiáng)力儀連接基座。扭轉(zhuǎn)疲勞裝置組件通過織物強(qiáng)力儀連接基座與織物強(qiáng)力儀底座連接固定。

相比單一的拉伸或扭轉(zhuǎn)測試方法，該裝置通過織物強(qiáng)力儀對人工韌帶試樣上端進(jìn)行定負(fù)荷拉伸疲勞測試，并通過扭轉(zhuǎn)疲勞裝置組件在試樣下端進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞測試，可同時考察人工韌帶拉伸、扭轉(zhuǎn)兩個運(yùn)動自由度的耐疲勞性能。整體裝置僅通過設(shè)計試樣下端的不同裝夾方式，而不改變織物強(qiáng)力儀自身的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，具有較好的測試穩(wěn)定性，可實現(xiàn)拉伸扭轉(zhuǎn)的同步測試。

2 拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞測試裝置的功能驗證

2.1 試驗材料

參照人體韌帶的受力特征及人工管道成型方法的研究[17-18]，制備了2種結(jié)構(gòu)的人工韌帶，即0軸紗兩向編織人工韌帶(試樣A)和4軸紗三向編織人工韌帶(試樣B)。其中，試樣B軸紗的引入是為了提高人工韌帶在軸向上的承載能力，以使在軸向小應(yīng)力作用下有更多紗線承擔(dān)載荷作用，即提高試樣的初始剛度，從而避免人工韌帶的斷裂現(xiàn)象發(fā)生在軸向上。人工韌帶選用的紗線規(guī)格如表1所示，其中“±”后面為對應(yīng)指標(biāo)計算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表1 人工韌帶選用的紗線規(guī)格Table 1 Selection of yarn specifications for artificial ligaments

2.2 拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞模擬測試

2.2.1 試驗參數(shù)確定

前交叉韌帶生物力學(xué)性能方面的臨床研究表明，人體正常行走過程中韌帶受力最高載荷約為250 N[19-21]。因此，設(shè)定定負(fù)荷拉伸載荷為250 N，并保持至試驗結(jié)束，以模擬前交叉韌帶的正常拉伸受力狀態(tài)。根據(jù)人體正常行走過程中前交叉韌帶扭轉(zhuǎn)受力情況的分析[22-24]，前交叉韌帶在一個步態(tài)周期內(nèi)的扭轉(zhuǎn)角度為0～15°，故將扭轉(zhuǎn)角度設(shè)置為15°。人體正常步態(tài)頻率為1 Hz，但考慮到加速試驗以及試驗差異性，故扭轉(zhuǎn)頻率設(shè)置為4 Hz，試驗時間分別設(shè)置為0、8和16 h，相當(dāng)于分別執(zhí)行0、115 200和230 400次扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載，每組扭轉(zhuǎn)循環(huán)做3次平行試驗。

2.2.2 組件及試樣安裝與測試

測試時，先將調(diào)速電機(jī)固定在強(qiáng)力儀底座上,再用帶頭銷釘將織物強(qiáng)力儀連接基座與強(qiáng)力儀底座連接,然后調(diào)整連桿位置，使直齒齒條與轉(zhuǎn)盤對心,最后將人工韌帶試樣上端夾持在織物強(qiáng)力儀的上夾持裝置上，下端夾持在夾持副部和夾持主體之間，實際測試有效長度為20 mm。完成裝置和試樣的安裝后，根據(jù)第2.2.1節(jié)確定的試驗參數(shù)進(jìn)行拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞模擬測試。

2.3 拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞性能評價

2.3.1 表觀形態(tài)

使用SMZ745T型體式顯微鏡(尼康株式會社，日本東京)和TM 3000型掃描電子顯微鏡(株式會社日立制作所，日本東京)對拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞模擬測試前后試樣的表觀形態(tài)進(jìn)行觀察。

2.3.2 拉伸性能測試

使用YG(B)026H型織物強(qiáng)力儀對拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞模擬測試前后的試樣進(jìn)行單軸向拉伸試驗，以定量評估其拉伸性能的損失情況。初始隔距為20 mm，拉伸速度為1 000 mm/min。拉伸過程中強(qiáng)力儀自動記錄測試曲線和試驗數(shù)據(jù)。試驗結(jié)束后獲取斷裂強(qiáng)力并根據(jù)式(1)計算兩種試樣的剛度。

(1)

式中：S為剛度，N/mm；Femax為拉伸斷裂曲線線性段載荷最大值，N；lemax為拉伸曲線線性段位移最大值，mm。兩種試樣經(jīng)3組拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞模擬測試后的樣品均測試3次，結(jié)果取平均值并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.3.3 彈性回復(fù)性能測試

彈性回復(fù)性能測試可用于模擬ACL損傷發(fā)生時所經(jīng)歷的突然且快速的生理活動，以定量表征試樣回縮變形能力。使用YG(B)026 H型織物強(qiáng)力儀進(jìn)行單次定力拉伸載荷下的彈性回復(fù)試驗，初始隔距為20 mm，拉伸速度和回復(fù)速度均為120 mm/min，定力拉伸載荷為450 N。試驗結(jié)束后根據(jù)單次加載-卸載拉伸曲線(見圖3)，根據(jù)式(2)和(3)分別計算兩種試樣的彈性回復(fù)率和能量耗散率。

圖3 彈性回復(fù)測試單次加載-卸載拉伸曲線Fig.3 Single load-unload stretch curve of elastic recovery test

(2)

式中：Rel為彈性回復(fù)率；le為彈性伸長位移，mm；ls為總伸長位移，mm。

(3)

式中：Red為能量耗散率；f(x)為拉伸加載過程中的力值曲線；g(x)為拉伸卸載過程中的力值曲線。兩種試樣經(jīng)3組拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞模擬測試后的樣品均測試3次，結(jié)果取平均值并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3 結(jié)果與討論

3.1 表觀形態(tài)

兩種試樣不同疲勞時間點(diǎn)的表觀形態(tài)如圖4所示。由圖4可知，兩種試樣在各個疲勞時間點(diǎn)的表觀形態(tài)相對于未經(jīng)疲勞測試試樣都有所變化。在疲勞加載過程中，試樣上端一直處于定負(fù)荷夾緊狀態(tài)，下端一直處于扭轉(zhuǎn)剪切加載狀態(tài)，故試樣受到準(zhǔn)靜態(tài)外力加載后其外徑略有增加，且兩端外徑大于中間段外徑，類似于單軸拉伸試驗條件下呈現(xiàn)的“束腰”形狀。從圖4(f)中可以觀察到，有單纖維從試樣下端承受扭轉(zhuǎn)剪切載荷的部位脫出，推測是因試樣下端在長時間承受定頻率扭轉(zhuǎn)加載后使得編織結(jié)構(gòu)變得松散所導(dǎo)致的。編織物中的長絲紗是依靠纖維間的摩擦力形成穩(wěn)定交織結(jié)構(gòu)，而松散的編織結(jié)構(gòu)可能會造成纖維抱合作用不顯著的某些區(qū)域在張力作用下失去相互作用，導(dǎo)致纖維和紗線脫散。對于人工韌帶而言，經(jīng)長時間扭轉(zhuǎn)作用脫散的纖維可能會在膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)產(chǎn)生碎屑進(jìn)而引發(fā)滑膜炎[25]。通過使用本文設(shè)計的拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞測試裝置進(jìn)行拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞模擬測試以及表觀形貌觀察，可分析評價人工韌帶的耐拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞性能。

圖4 不同疲勞時間點(diǎn)下兩種試樣的表觀形態(tài)Fig.4 Apparent morphology of two specimens at different fatigue time points

3.2 拉伸性能

兩種試樣不同疲勞時間點(diǎn)的拉伸斷裂曲線如圖5所示。由圖5可知，兩種試樣在各個疲勞時間點(diǎn)下的拉伸斷裂曲線相對于未經(jīng)疲勞測試試樣均有所變化。兩種試樣不同疲勞時間點(diǎn)的斷裂強(qiáng)力和剛度如圖6所示。由圖6(a)可知，兩種試樣的斷裂強(qiáng)力均先增大后減小，但都高于人體ACL的斷裂強(qiáng)力。其中：試樣A斷裂強(qiáng)力先增加8.51%，后降低9.05%；試樣B斷裂強(qiáng)力先增加2.99%，后降低4.47%。由圖6(b)可知，試樣B的剛度在所有時間段均高于試樣A，兩種試樣的剛度均先增大后減小，但都高于人體ACL的剛度。其中：試樣A剛度先增加9.36%，后降低12.65%；試樣B剛度先增加22.45%，后降低10.61%。從介觀尺度來看，試樣在初始一定時間段內(nèi)表現(xiàn)出的分子鏈的屈曲伸直和取向度增加會促使其斷裂強(qiáng)力和剛度增大，而較弱的分子鏈在長時間疲勞循環(huán)作用下會發(fā)生斷裂，導(dǎo)致試樣承受的載荷能力下降，致使試樣的斷裂強(qiáng)力和剛度減小。由此可見，使用本文設(shè)計的拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞測試裝置，先進(jìn)行拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞模擬測試，后直接進(jìn)行拉伸性能測試，可定量評估人工韌帶拉伸性能的損失情況。

圖5 不同疲勞時間點(diǎn)下兩種試樣的拉伸斷裂曲線Fig.5 Tensile curves of two specimens at different fatigue time points

圖6 不同疲勞時間點(diǎn)下兩種試樣的斷裂強(qiáng)力和剛度Fig.6 Strength and stiffness of two specimens at different fatigue time points

3.3 彈性回復(fù)性能

不同疲勞時間點(diǎn)下兩種試樣的彈性回復(fù)曲線如圖7所示。由圖7可知，兩種試樣在各個疲勞時間點(diǎn)下的彈性回復(fù)曲線相對于未經(jīng)疲勞測試試樣都有所變化。不同疲勞時間點(diǎn)下兩種試樣的彈性回復(fù)率和能量耗散率如圖8所示。由圖8(a)可知，兩種試樣的彈性回復(fù)率均為先減小后增大。其中:試樣A彈性回復(fù)率先降低7.20%，后增加22.29%；試樣B彈性回復(fù)率先降低12.24%，后增加19.94%。由圖8(b)可知，兩種試樣的能量耗散率均單調(diào)減小。其中：試樣A能量耗散率先降低9.17%，后繼續(xù)降低4.70%；試樣B能量耗散率先降低7.83%，后繼續(xù)降低11.19%。拉伸性能測試結(jié)果表明，兩種試樣在歷經(jīng)疲勞測試后剛度均先增加后降低，而彈性回復(fù)響應(yīng)則正好相反，這是因為剛度增加會使試樣的拉伸變得困難。能量耗散率單調(diào)下降，推測是和試樣經(jīng)歷疲勞試驗時大分子內(nèi)部能量釋放到環(huán)境中有關(guān)。通過彈性回復(fù)性能測試，可以對人工韌帶試樣的外來載荷響應(yīng)性能進(jìn)行定量分析，以評估經(jīng)歷生理活動后快速恢復(fù)能力。使用本文設(shè)計的拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞測試裝置，先進(jìn)行拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞模擬測試，后直接進(jìn)行彈性回復(fù)性能測試，可定量評估人工韌帶彈性回復(fù)性能的損失情況。

圖7 不同疲勞時間點(diǎn)下兩種試樣的彈性回復(fù)曲線Fig.7 Elastic recovery curves of two specimens at different fatigue time points

圖8 不同疲勞時間點(diǎn)下兩種試樣的彈性回復(fù)率和能量耗散率Fig.8 Elastic recovery rate and energy dissipation rate of two specimens at different fatigue time points

4 結(jié) 語

設(shè)計了一種人工韌帶拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞模擬測試裝置，即拉伸疲勞測試由織物強(qiáng)力儀上夾具以定負(fù)荷拉伸測試的方法實現(xiàn)，扭轉(zhuǎn)疲勞測試通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將調(diào)速電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為下夾具的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動來實現(xiàn)。該裝置不改變強(qiáng)力儀自身的結(jié)構(gòu)組成，具有較好的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)拉伸扭轉(zhuǎn)的同步測試。選用兩種自制的人工韌帶試樣進(jìn)行拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞測試，從表觀形態(tài)、拉伸性能和彈性回復(fù)性能等方面驗證了拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞測試裝置的有效性，有望為人工韌帶移植物產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)及臨床醫(yī)生對于人工韌帶產(chǎn)品的選擇提供指導(dǎo)。