肛瘺封堵器的材料設計與生物力學研究

劉穎 崔海坡 宋成利 李來福 郎景成 姜赫宣

摘要：針對肛瘺的手術治療，設計一款可降解的肛瘺封堵器，主要利用高溫熔融法制備不同分子量、不同基團的左旋聚乳酸試件，通過拉伸試驗獲得材料的應力–應變曲線，確定了封堵器的最佳制作材料。利用有限元仿真分析軟件ABAQUS，系統(tǒng)地研究了封堵器在植入過程中的應力–應變分布以及徑向支撐力等參數(shù)的變化。結果表明：分子量為110萬、基團為酯封端的左旋聚乳酸彈性模量值最高；封堵器在封堵過程中受到的最大應力沒有超過其許用應力（4.55 kPa），初始接觸階段應力僅集中在封堵器周圍區(qū)域，并且距離接觸中心越遠，應力值越大；隨著封堵器的不斷侵入，接觸應力以環(huán)形波的方式從接觸中心向四周擴散；封堵器基本保持了初始形狀，沒有發(fā)生明顯的擠壓變形，在封堵過程中具有良好的封堵效果且不易被破壞。

關鍵詞：左旋聚乳酸；有限元分析；封堵器；肛瘺

中圖分類號：TB 333

文獻標志碼：A

Material design and biomechanical study on sealing device for anal fistula

LIU Ying，CUI Haipo，SONG Chengli，LI Laifu，LANG Jingcheng，JIANG Hexuan

（Shanghai Institute for Minimally Invasive Therapy，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：Aiming at the surgical treatment of anal fistula，a degradable anal fistula sealing device was designed.L-polylactic acid specimens with different molecular weights and different groups were prepared by high-temperature melting method.The stress-strain curve of the material was obtained by tensile test，and the best material for the sealing device was determined.Finite element simulation analysis software ABAQUS was used to systematically study the stress-strain distribution and radial support force during the sealing process.The results showed that the elastic modulus of L-polylactic acid is the highest with the molecular weight of 1.1 million and the group is ester-sealed.The maximum stress of the sealing device in the process of sealing did not exceed its allowable stress 4.55 kPa.In the initial contact stage，the stress was only concentrated in the area around the sealing device，and the further away from the contact center，the greater the stress value was.The contact stress diffused from the contact center to all sides in the form of ring wave with the continuous intrusion of the sealing device.The sealing device basically maintained the initial shape and did not have obvious extrusion deformation.It would not be crushed in the sealing process and had agood sealing effect.

Keywords：L-polylactic acid;finite element analysis;sealing device;anal fistula

肛瘺是臨床上較為常見和棘手的肛腸科疾病之一，發(fā)生于肛門直腸周圍皮膚之間的病理性管道。大約有33%的肛瘺由肛周膿腫繼發(fā)而形成，其臨床癥狀、治療方式等相關情況都具有其特殊性，不能自愈，必須手術治療。我國肛瘺發(fā)病率為1.67%～3.60%，中青年好發(fā)，男性是女性的2～6倍，其中復雜性肛瘺占5%～15%，為一種難治的良性疾病，治療不徹底有惡變傾向[1-2]。肛瘺治療的關鍵在于正確找到內(nèi)口，盡可能減少肛門括約肌的損傷，最大限度保護及維持肛門的功能，減少并發(fā)癥的發(fā)生，降低復發(fā)率[3]。

對于肛瘺的治療多以手術為主，包括肛瘺切開術、肛瘺掛線術、括約肌保留術、肛瘺栓、纖維蛋白膠封堵術等。這些手術都會對肛門括約肌造成不可修復的損傷，且術后容易復發(fā)，復發(fā)風險在10%～57%?，F(xiàn)階段肛瘺治療已經(jīng)逐漸從創(chuàng)傷較大的開放手術轉(zhuǎn)變?yōu)槲?chuàng)手術，從切開性手術轉(zhuǎn)變?yōu)榛謴托允中g[4-7]。但是，對于復雜性肛瘺治療、術后復發(fā)、愈合緩慢等臨床難題，仍然沒有很好的解決方案和治療器械?，F(xiàn)有的組織閉合器大多采用不可被人體吸收的材料所制作，如在做肛瘺內(nèi)口閉合時采用不銹鋼釘使切口相吻合，或采用鈦合金閉合夾對肛瘺內(nèi)口進行閉合。鋼釘或閉合夾均需二次手術取出，增加了患者的痛苦和手術風險，且對病人的生活質(zhì)量造成較大影響。左旋聚乳酸（PLLA）具有良好的生物降解性和生物相容性，且易于加工成型，已被美國食品和藥物管理局批準用于生物醫(yī)學的各個領域[8-9]。左旋聚乳酸作為內(nèi)固定材料最大的優(yōu)勢在于剛性小，無應力遮擋作用，植入人體能夠很好地被吸收，不需要二次手術取出，實現(xiàn)體內(nèi)無異物的治療效果，近年來已成為研究的熱點[10-11]。

基于上述分析，本文以左旋聚乳酸為原材料，設計一款新型可降解肛瘺封堵器。首先，通過實驗確定封堵器最佳制作材料，然后利用有限元仿真分析技術，系統(tǒng)研究封堵器在植入過程中的應力應變分布以及徑向支撐力等參數(shù)的變化，為肛瘺內(nèi)口封堵器的設計和優(yōu)化提供參考，從而為臨床上肛瘺疾病的治療提供新型的手術方案和相應理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料與實驗

本文設計的封堵器采用左旋聚乳酸材料制作，原材料購自山東省濟南市岱罡生物聚乳酸有限公司。為選擇最佳力學性能的制作材料，并為后續(xù)有限元仿真分析輸入材料參數(shù)，首先針對3種不同分子量以及3種不同基團的左旋聚乳酸，開展了拉伸實驗。3種型號左旋聚乳酸DG-L200、DG-L400、DG-L600的分子量分別為22萬、55萬、110萬，3種基團分別為酯封端、端羥基、端羧基。在分析分子量對材料力學性能影響規(guī)律時，固定基團為酯封端；在分析基團對材料力學性能影響規(guī)律時，固定分子量為110萬。通過高溫熔融法制備啞鈴狀試件，其尺寸如圖1所示。根據(jù)國家標準《高分子材料拉伸性能試驗方法：GB/T1040.1—2006》開展單向拉伸實驗，拉伸速度為10 mm/min。

1.2結果分析

經(jīng)拉伸實驗測得的左旋聚乳酸系列材料的應力–應變曲線如圖2所示，彈性模量如表1所示，彈性模量低意味著在較小的外力作用下會發(fā)生較大的變形[12]。對于瘺道封堵器而言，其制作材料的彈性模量越高，則封堵器在使用過程中的變形越小，結構的穩(wěn)定性就越好，從而能夠支撐瘺道的擠壓和變形，達到封堵的效果。根據(jù)表1所知，隨著材料分子量的增加，其彈性模量呈現(xiàn)增大趨勢，即分子量為110萬的左旋聚乳酸具有較高的彈性模量。而對于酯封端、端羥基、端羧基第5期劉穎，等：肛瘺封堵器的材料設計與生物力學研究4893種基團而言，酯封端左旋聚乳酸剛度更大，具有更佳的抗變形能力。根據(jù)實驗結果，選擇分子量為110萬、基團為酯封端的左旋聚乳酸作為瘺道封堵器的制作材料。

2有限元模型

2.1幾何模型

2.1.1封堵器模型

肛瘺內(nèi)口封堵器以線圈狀植入物為主體，結構簡單，無額外扭矩，與瘺道接觸時容易定位且能夠分散瘺道內(nèi)壓的沖擊。將這種可吸收的線圈狀植入物包裹在肛瘺的內(nèi)口周圍，可抵抗瘺道內(nèi)口的周向壓縮，在保證瘺道愈合的同時保留了括約肌功能，通過肛瘺內(nèi)口封堵器的推送裝置將植入物旋進正確的深度，自動調(diào)節(jié)患者之間的差異，最終達到治愈的目的。圖3為封堵器的尺寸圖，單位為mm。

2.1.2肌肉組織和瘺道模型

肌肉組織由于沒有特定的形狀，因此可以忽略肌肉組織形狀對于封堵過程的影響[13]，在建模時將其設計為一個規(guī)則的圓柱體?？紤]到對稱性，將肌肉組織模型簡化為四分之一圓弧。由于只研究封堵器在局部瘺道進行封堵過程中的封堵效果，不考慮復雜瘺道以及多瘺道的封堵，故將瘺道簡化為一個長圓柱體。

2.2材料參數(shù)

在ABAUQS 2016中進行有限元靜力學分析時，肛瘺內(nèi)口封堵器材料為上述試驗確定的酯封端DG-L600（分子量為110萬）的左旋聚乳酸，將材料視為各向同性、連續(xù)均勻的線彈性材料。封堵器及肌肉組織的材料參數(shù)如表2所示。

對于肌肉組織的材料模型，綜合考慮幾類常見的超彈性模型，如Neo-Hooken[14]，Ogden，Mooney-Rivlin和Yeho[15]等，選擇Ogden模型，其應變能函數(shù)模型采用冪級數(shù)表達形式，更易于擬合各向同性的非線性材料。而且肌肉組織材料應用三階Ogden超彈性模型，最大的特殊性在于理論算法上采用了主拉伸作為基準變量，而不是常見的應變張量不變量[16]。Ogden模型中包括2個參數(shù)，分別為剪切模量μ與應變硬化指數(shù)α，這兩個參數(shù)能夠較好地反映外應力作用下肌肉組織硬化的力學性能。Ogden模型的應變能函數(shù)如式（1）所示：

式中：N為模型的階數(shù)，通常取1～3之間的數(shù)；μ和α為材料參數(shù)，μ代表壓力，α為無綱量參數(shù)；D為不可壓縮參數(shù)，表示體積變化。

為了達到所需要的精度要求，保證在應變很高時還能很好地擬合數(shù)據(jù)，選用N=3的超彈性Ogden模型應用于肌肉組織材料[17]。μ和α的取值如表3所示[18]。

2.3網(wǎng)格劃分

靜力學仿真分析中封堵器采用二階–四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為C3D10，單元數(shù)為7504，節(jié)點數(shù)為12580。顯式動力學仿真分析中采用線性–四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為C3D4，封堵器共劃分為175005個單元數(shù)，節(jié)點數(shù)為34604，肌肉組織共劃分為89173個單元，節(jié)點數(shù)為18348。

2.4載荷與邊界條件

2.4.1支撐性能分析

進行支撐性能測試時，為了防止剛體位移，在封堵器主體上約束柱坐標下進行Z向位移，同時在周向?qū)ΨQ面上施加壓力載荷。根據(jù)周旺偉[19]的研究，手術前的瘺道靜息壓為（9.82±1.04）kPa，手術后的瘺道靜息壓為（11.13±2.20）kPa，理論上當封堵器的徑向支撐力超過4.55 kPa時視為被壓壞，故本文僅分析封堵器植入人體后的力學性能，不考慮植入過程時血液和其他體液對封堵器的影響。對封堵器線圈狀主體表面施加一個4.55 kPa的徑向壓力模擬瘺道外載荷的作用，通過計算封堵器在該載荷下的徑向位移來分析封堵器的徑向支撐性能。

為了模擬封堵器植入人體的旋轉(zhuǎn)過程，在封堵器的4個四邊形截面上施加1 N·m的力矩，根據(jù)右手定則為逆時針方向。同時，在旋進的一端施加一個0.0025 N的載荷（f=ps，其中p=9.82 kPa，s=0.25 mm 2）來模擬封堵器植入過程的阻力。

2.4.2封堵過程分析

肛瘺內(nèi)口封堵是一個大變形的過程，需考慮封堵器和組織的接觸。根據(jù)蔣志航[13]的研究，當兩個物體表面相互接觸時，選擇通用的罰摩擦參數(shù)進行滑移摩擦行為的判定，可以順利完成整個封堵過程中的仿真分析。故本文在參數(shù)設定時選擇罰接觸的相互作用，封堵器與肌肉組織的摩擦系數(shù)為0.15。在封堵過程中，封堵器與肌肉組織之間會產(chǎn)生相對滑移，因此選擇動態(tài)接觸方式的面–面接觸，將封堵器線圈狀主體的外周設置為主接觸面，組織接觸的面設置為副接觸面。

對于邊界條件的設置，約束封堵器全部6個自由度作為邊界條件。在封堵器旋轉(zhuǎn)軸上選擇一個參考點，將其與封堵器整體建立耦合約束（distribution coupling）。基于初始邊界條件，對肌肉組織四分之一圓弧的外周施加固定約束。

3結果分析

3.1靜力學分析

由于肛瘺封堵器大多用于肛瘺瘺道的愈合封堵，不僅要承受瘺道的變形，還會受到外力的擠壓。封堵器仿真分析結果如圖4所示，圖中，σ表示應力，ε表示應變。從圖中可以看出，封堵器在封堵過程中最大應力為6.398×10?9 kPa，遠小于其許用應力4.55 kPa，且總體變形也較小。因此，封堵器在封堵過程中能夠承受瘺道的擠壓，滿足瘺道的支撐要求，從而達到封堵的效果。

3.2動力學分析

圖5為封堵器與組織接觸過程中不同時刻的等效變形云圖。其中，圖5（a）接觸時間為0 s，即封堵器未與組織接觸，相應變形也為0；圖5（b）～（f）為封堵器與組織接觸過程中，接觸時間分別為0.05，0.15，0.25，0.35，0.45 s時，封堵器的變形圖。從圖5（b）～（f）中可以看出，當封堵器一端接觸到組織邊界時，模型開始發(fā)生變形。在初始接觸階段應力僅集中在封堵器三角狀圓弧凸起區(qū)域，距離接觸中心越遠，應力值越大，且隨著封堵器逐漸侵入組織，封堵器的變形也越來越大。接觸時間為0.15 s時，變形達到了8.71 mm；接觸時間超過0.15 s后，應力逐漸向封堵器中心傳遞，封堵器的線圈狀主體承受一部分壓力，開始發(fā)生變形。當接觸時間為0.35 s時，封堵器線圈狀主體承受的應力達到了最大值，此時封堵器變形為7.54 mm；接觸時間為0.45 s時，封堵器變形為3.27 mm。封堵器變形有所減小是因為隨著封堵器的不斷侵入，接觸應力以環(huán)形波的方式從接觸中心向四周擴散開，分散了封堵器所承受的壓力。圖5顯示，在封堵過程中，封堵器基本保持了初始形狀，沒有發(fā)生明顯的擠壓變形，表明封堵器在封堵過程中有良好的封堵效果且不至被破壞。

圖6為組織與封堵器接觸過程中不同時刻組織的等效變形云圖。其中，圖6（a）接觸時間為0 s，即組織未與封堵器接觸，相應變形也為0；圖6（b）～（f）為組織與封堵器接觸過程中，接觸時間分別為0.05，0.15，0.25，0.35，0.45 s時，組織的變形云圖。從圖6（b）～（f）中可以看出，在封堵器逐漸與組織接觸過程中，組織模型從接觸中心向四周以環(huán)形波的形式發(fā)生變形。隨著接觸時間的增加，組織的變形逐漸增大；當接觸時間小于0.15 s時，組織的輪廓并沒有發(fā)生明顯的變形，此時應力主要集中于與封堵器接觸的部分；當接觸時間為0.45 s時，組織的變形達到最大值，為8.99 mm，此時組織輪廓發(fā)生了肉眼可見的破壞變形。

圖7為封堵器與組織接觸過程中不同時刻的等效應力云圖。其中：圖7（a）接觸時間為0 s，即封堵器未與組織接觸，相應應力為0；圖7（b）～（f）為封堵器與組織接觸過程中，接觸時間分別為0.05，0.15，0.25，0.35，0.45 s時，封堵器的應力云圖。由圖7（b）～（e）可以看出，隨著接觸時間的增加，封堵器受到的應力逐漸增大，當接觸時間為0.35 s時，封堵器主體承受的應力達到了最大值，為2.228 kPa，仍小于材料的許用應力4.55 kPa；隨后應力值有所減小，當接觸時間為0.45 s時，最大應力值為1.141 kPa。應力值有所減小是因為隨著封堵器的不斷侵入，接觸應力以環(huán)形波的方式從接觸中心向四周擴散開，分散了封堵器所承受的壓力。圖中顯示，在封堵過程中，封堵器受到的最大應力小于其許用應力，表明封堵器在封堵過程中不至被破壞。

4討 論

肛瘺一旦形成，極難自愈，現(xiàn)今手術仍為肛瘺治療最為有效的方式[20]。由于肛瘺的管道通過外括約肌和肛提肌，有時管道在內(nèi)括約肌之間走行，傳統(tǒng)手術中會切開管道，必然要切開有關的括約肌。特別是通過肛門直腸環(huán)的瘺管[21]，切開肛門直腸環(huán)，術后會引起肛門失禁并且極易感染，對患者日后的正常生活造成極大影響。本文設計了一款新型肛瘺內(nèi)口封堵器，可采用微創(chuàng)的理念完成手術植入。封堵器選用左旋聚乳酸，其剛性小，無應力遮擋作用，植入人體后能夠很好地被吸收，不需要二次手術取出，達到體內(nèi)無異物的治療效果，大大縮短手術時間，且術后護理安全簡單，能夠較大程度地改善患者的生活質(zhì)量。

本文利用有限元數(shù)值仿真分析技術，模擬了封堵器封堵肛瘺的過程。結果表明，封堵器在封堵過程中不會被壓壞，具備良好的封堵效果。但是在封堵過程中，組織發(fā)生了肉眼可見的破壞變形。組織被破壞后會極大地影響患者的術后恢復，是一個比較棘手的問題，但是相較于傳統(tǒng)手術的直接切開，本文所設計的肛瘺封堵器對括約肌造成的損傷是可以接受的。由于本文只研究封堵器在局部瘺道進行封堵過程中的封堵效果，沒有考慮復雜瘺道以及多瘺道的封堵，所以瘺道模型還不能解決復雜瘺道問題。另外，理論上當封堵器的徑向支撐力超過4.55 kPa時視為被壓壞，故本文僅模擬了封堵器植入人體后的力學性能，沒有考慮植入過程時血液和其他體液對封堵器的影響，因此，后續(xù)還需要針對植入過程中人體生理環(huán)境對封堵效果的影響作進一步深入研究。

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（編輯：丁紅藝）