經編疝修復補片的力學性能表征與臨床意義

苗琳莉，徐 睿，NOOR Sanbhal ，王 璐，GUIDOIN Robert

(1. 東華大學 a. 紡織學院； b. 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620;2. 拉瓦爾大學 醫(yī)學院, 魁北克 QC G1V 0A6)

經編疝修復補片的力學性能表征與臨床意義

苗琳莉1a,1b，徐 睿1a,1b，NOOR Sanbhal1a,1b，王 璐1a,1b，GUIDOIN Robert2

(1. 東華大學 a. 紡織學院； b. 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620;2. 拉瓦爾大學 醫(yī)學院, 魁北克 QC G1V 0A6)

對具有三針開口經緞組織的疝修復補片進行抗張強度、延伸性和剛度的測試與評價，提出臨床應用的建議.在強度與延伸性上，頂破測試結果表明該結構補片的強度遠大于腹壁的生理要求，但伸長率不能滿足腹壁彈性要求.單向拉伸測試表明密度對比系數(shù)K影響其力學各向異性，K值較高時更符合腹壁的各向異性特點.縫合牽拉和縱向撕裂性能符合腹壁的力學要求，但當橫向線圈被破壞時，橫向撕裂強力顯著降低.該結構補片的彎曲剛度有正反面差異，臨床學者應重視材料的正反面剛度與縱橫向的力學差異，在進行剪裁時應避免破壞橫向線圈.

經編； 疝修復補片; 三針開口經緞組織; 力學性能; 各向異性; 剛度

疝氣是外科常見疾病之一，現(xiàn)代無張力疝補術采用人工補片來加強腹股溝管后壁，已在業(yè)內獲得廣泛認可[1].目前，人工補片已成為普通外科的3大類醫(yī)用材料之一[2]，其按照紡織結構分為機織補片(如Vicryl 機織補片)、非織補片(如Surgimesh WN)和經編補片(如Bard補片、Parietene補片等)[3]. Vicryl機織補片主要材料為聚乳酸(PLA)，尚不能達到修復腹壁所需的強度[4].非織補片雖有較好的臨床效果[5]，但同機織補片一樣，在目前的臨床應用中較少.經編補片的應用最廣泛，其力學性能良好，能夠提高缺損腹壁的強度，網孔結構多樣化并可促進組織生長.但不同材料與不同經編結構的補片有不同的力學性能，補片與腹壁生理力學特性不相符是影響?zhàn)迯桶l(fā)風險、患者的不適感和術后生活質量的重要因素[6].目前，使用低質量、大孔徑補片來改善腹壁順應性，提高患者術后生活質量，已達成共識.輕量大孔網片也成為補片發(fā)展的趨勢[7-8]，但仍沒有一種補片達到理想目標[9].理想的疝修復補片在力學方面應具有對腹壁永久性修復和不改變腹壁順應性的特點[3]，即有足夠強度，符合生理特性的彈性和剛度.腹壁理論最大抗張強度為16 N/cm[10]，而男性腹壁組織在16 N/cm時的縱向伸長率為(23 ±7 )%，橫向伸長率為(15±5) %，女性腹壁縱向伸長率為(32±17)%，橫向伸長率為(17±5 )%；符合腹壁生理彈性的補片需在16 N/cm下有(25±7)%的伸長率[11].腹壁組織的單向拉伸至破壞的結果雖各有不同，但都表明腹壁組織的縱向抗拉強度小于橫向，分別為5～15 N/cm，10～75 N/cm[12-15].

我國對補片的基礎研究力度不足，研究方法不完善，無法為補片的創(chuàng)新提供強有力的指導.因此，從腹壁生物力學特性出發(fā)，對補片的強度、延伸性和剛度進行有效評價，分析結構對力學性能的影響，有助于為改善補片的結構和創(chuàng)新提供理論支撐.本文以三針開口經緞組織為基礎，探討了補片的抗張強度、延伸性和剛度的力學測試與試驗方法，并與臨床要求進行對比.

1 材料與方法

1.1 試驗原料

本文采用東華大學紡織學院生物醫(yī)用紡織品研究中心提供的三針開口經緞組織的聚丙烯補片，單絲直徑為(0.157 ± 0.004) mm，補片的結構參數(shù)如表1所示，其中：K為橫密與縱密的比值.

表 1 補片的結構參數(shù)

1.2 測試方法

1.2.1 補片的抗張強度

補片在植入人體后需要在其四周邊緣經縫合線或疝釘固定，補片在腹壓下應具有一定的抗張能力.單向拉伸是衡量補片抗張強度和力學各向異性的常用有效方法.頂破是另一種常用的力學評價方法，補片在頂破測試時四周被約束，比單向拉伸更符合臨床受力情況.文獻[16]表明一些補片在植入人體后存在固定邊緣破裂的風險，大多數(shù)用于腹股溝疝修復的預成型補片，在中間有開口并形成圓孔，補片在腹壓下應具有抗撕裂性能，縫合線固定處也應有抗邊緣破裂的能力，故考察補片力學性能應同時考慮撕裂強度和縫合牽拉強度.

采用YG(B)026G型醫(yī)用紡織品強力儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)對補片進行力學性能測試，樣本數(shù)量為5.參照ASTM D5035—2011測試拉伸性能，試樣大小為15 cm×5 cm，隔距為7.5 cm，拉伸速度為300 mm/min，預加張力為1 N.參照GB/T 19976—2005測試頂破性能，試樣大小為9 cm × 9 cm，使用標準中規(guī)定的直徑為38 mm的鋼球進行測試，有效夾持直徑為4.5 cm；另使用改造的內徑為1.13 cm的夾持板，球形探頭直徑為10 mm，試樣大小為5 cm × 5 cm，該規(guī)格可用于較小試樣的測試，探頭速度為305 mm/min，預加張力為1 N，根據式(1)計算頂破伸長率.參照ISO 7198—1998的縫合固位強度測試并加以改進測試縫合牽拉性能，試樣大小為5 cm×5 cm，用金屬縫合線在補片邊緣1.5 cm處穿過，形成半環(huán)并夾持在下夾頭中，上下夾頭隔距為10 cm，拉伸速度為100 mm/min，預加張力為0.3 N，測試縱、橫向的斷裂強力.參照GB/T 3917.3—2009梯形撕裂法測試撕裂性能，試樣大小為15 cm×7.5 cm，拉伸速度為100 mm/min，預加張力為1 N.另采用體視顯微鏡觀察測試前的剪切口形態(tài).

(1)

1.2.2 補片的延伸性

補片的延伸性即拉伸時的應變，表示在受拉力時的伸長變形能力的大小.補片在臨床應用中不會承受一次性被破壞的應力，具有臨床意義的延伸性應為小應力下的應變，本文考察16 N/cm下的伸長率.

1.2.3 補片的剛度

補片的彎曲剛度指抵抗彎曲方向形狀變化的能力，懸臂梁法可直接得到彎曲剛度[17-18].本文使用LLY-01型電子硬挺度儀(萊州市電子儀器有限公司)，參照DIN 53362—2003，壓板速度為0.3 cm/s，由式(2)和(3)計算單位面積抗彎剛度(B，mN×cm2).另外，以伸長到5%的應力與應變之比作為衡量補片在小應變下的剛度.

(2)

(3)

其中：F1為單位長度懸臂彎曲力，mN/cm；m為試樣的質量，g;l為長度，cm;l0為試樣彎曲長度，cm;g為重力加速度，m/s2.

1.2.4 數(shù)據處理與統(tǒng)計檢驗

使用SPSS-20.0軟件對同一試樣的縱、橫向與正、反面進行獨立T檢驗，用單因素方差分析對不同試樣的同一性能測試結果進行多重比較分析，置信度為95%，p<0.05時有顯著性差異.

2 結果與討論

2.1 單向拉伸性能

單向拉伸的測試結果如表2所示. 由表2可知，試樣A和B的縱向斷裂強度超過75 N/cm，橫向遠大于15 N/cm；試樣C的縱、橫向斷裂強力無顯著性差別，斷裂強度皆遠大于15 N/cm，能夠抵抗腹壁壓力.各試樣在16 N/cm下的縱、橫向伸長率之間有顯著性差異，除試樣C的橫向外，都能夠達到(25±7)%.試樣A在16 N/cm下的橫向伸長率大于縱向，彈性模量小于縱向，縱向抗張強度優(yōu)于橫向，最接近腹壁各向異性特點，在放置補片時，需將補片橫向沿腹壁縱向放置.試樣B和C在16 N/cm下的縱向伸長率大于橫向，彈性模量小于橫向，故需將補片縱向沿腹壁縱向放置.該結構補片的橫密越大，縱向斷裂強力越大，初始彈性模量越大，斷裂伸長率越??；縱密越大，橫向斷裂強力越大，初始彈性模量越大，斷裂伸長率越小.因為橫密越大，單位寬度內的縱行數(shù)越多，沿縱向拉伸時，有更多單絲同時受力.但試樣C的縱密很高，單絲在編織時所受張力增大，與機器部件摩擦增多，使縱、橫向強力均下降，橫向延伸性顯著下降.3個試樣的縱密相差較大，橫密相差不大，使橫向斷裂伸長率之間均有顯著性差異，密度對比系數(shù)K越小，斷裂強力的縱、橫向差異越小，伸長率差異越大.

表 2 各試樣的單向拉伸性能特征值

2.2 縫合牽拉性能

縫合牽拉強力的測試結果如表3所示.由表3可知，橫向牽拉強力大于縱向，這與商用三針開口經緞組織補片(BardMesh)的縫合牽拉結果一致，但試樣C的縱、橫向之間無顯著性差異[19].當使用0-PP縫合線穿過豬腹壁邊緣1.5 cm進行縫合牽拉，縫合點數(shù)量為1時，縫合牽拉力至少為46 N[20]，本文中的補片的縫合牽拉強力均大于46 N，具有良好的抗縫合牽拉力.

表 3 各試樣的縫合牽拉強力

2.3 撕裂性能

梯形撕裂的測試結果如表4所示.

表 4 各試樣縱向撕裂特征值

由表4可知，各試樣的縱向最大撕破力之間有顯著性差異，橫密越大，縱向撕破力越大.各試樣的橫向撕裂性能受剪切口形態(tài)的影響較大，詳細數(shù)據如表5所示.撕裂切口的線圈形態(tài)與撕裂后補片的形態(tài)如圖1所示.由表5可知，每個試樣的橫向撕破力均有一組較大值和一組較小值.根據每個試樣的測試結果與相應剪切口形態(tài)，發(fā)現(xiàn)當切口沿延展線時(圖1(a))，試樣斜向繼續(xù)撕裂(圖1(b))，力值較大的(測試序號1～3)；當切口沿線圈時(圖1(c))，試樣沿切口方向繼續(xù)撕裂(圖1(d))，力值較小(測試序號4～6).表5中分別計算出各試樣橫向撕裂特征值在兩種情況下的平均值，從峰值平均值來看，所有試樣的縱向和當沿橫向延展線剪開時都至少能夠承受46 N的力，具有抗撕裂能力.試樣B和C與A的比較可知，縱密越大，橫向撕破力越大，但試樣A與C之間無顯著性差異，試樣C的橫向撕破力也因縱密過大而降低.由于縱向撕裂強力不受剪切口線圈形態(tài)的影響，預成型補片在進行裁剪時應沿縱向產生切口，避免破壞橫向圈弧與圈柱的完整性，對橫向進行剪裁時可沿延展線剪切.

表 5 各試樣橫向撕裂特征值

(a) 沿橫向延展線的缺口(×20) (b) 沿橫向延展線缺口的撕裂形態(tài)

(c) 沿橫向線圈的缺口(×20) (d) 沿橫向線圈缺口的撕裂形態(tài)

2.4 頂破性能

各試樣的頂破測試結果如表6所示.由表6可知，所有試樣的頂破強度大于16 N/cm，具有抵抗腹壁壓力的能力，但僅試樣A略能達到最低彈性要求.在單向拉伸中，非拉伸方向產生收縮，16 N/cm下的伸長率比頂破伸長率高，補片在實際受力時周圍被束縛，故采用單向拉伸可能會過高評價其延伸性.

兩種測試方法所得結果均為總密度越大，頂破強力越大，頂破位移和16 N/cm下的伸長率越小.試樣C和B的總密度相近，用38 mm鋼球測試時，試樣C的頂破強力明顯比試樣B低.用10 mm鋼球測試時，試樣C的頂破強力僅比試樣B略低且與試樣B之間無顯著性差異，頂破位移和16 N/cm下的伸長率比試樣A和B大.試樣在38 mm鋼球有更多面積未與鋼球接觸，兩種方法所得曲線(圖2)差異很大，由于試樣的有效夾持面積比不同，曲線的起始段斜率變化相反.K值越大，兩種方法的強度相差越小，甚至幾乎相同，可見測試方法對結果有很大影響，在引用數(shù)據時需注明測試方法.

表 6 各試樣的頂破性能特征值

(a) 10 mm頂珠 (b) 38 mm頂珠

2.5 彎曲剛度

彎曲剛度的測試結果如表7所示.由表7可知，所有試樣的橫向抗彎剛度大于縱向，反面的抗彎剛度大于正面，且縱、橫向之間以及正、反面之間都有顯著性差異.橫密越大，縱向抗彎剛度越大；縱密越大，橫向抗彎剛度越大.由于縱密比橫密之間相差的線圈數(shù)多，故僅橫向有試樣之間的顯著性差異，密度對比系數(shù)越大，縱橫向上的差別越小，這與單向拉伸的初始彈性模量結果一致，兩種指標都可用于評價補片的剛度.

表 7 各試樣的單位面積抗彎剛度

3 結論與展望

三針開口經緞補片的強度能夠達到甚至超出腹壁最大抗張強度，但其延伸性仍需要改善. 該結構補片的縫合牽拉強力以及縱向撕裂強力能達到腹壁生理特性的要求，但當橫向圈弧與圈柱被破壞，補片在橫向受力時的抗撕裂能力顯著下降.補片原料相同時，織物密度對其力學性能有很大影響，縱密不易過大，否則對各項強力均有不利影響，密度對比系數(shù)K影響其力學各向異性，K越小，縱橫向之間的拉伸斷裂強力的差異越小，伸長率的差異越大，較高K值的補片更符合腹壁各向異性的特點.單向拉伸曲線的初始模量與懸臂梁法測得的抗彎剛度結果一致，都能夠表達補片的剛度，懸臂梁法還能夠表達補片的正、反面差異.臨床使用補片時應選擇合適的方向放置補片，并重視補片正、反面剛度的差異，且應沿縱向或沿橫向的延展線進行剪裁，避免破壞橫向的線圈，補片在預成型的制備中也應遵循此原則.建議補片在設計中能夠標明產品的力學特點和應避免裁剪的位置，有利于醫(yī)生合理的應用材料，提高材料植入后的腹壁順應性以及患者的術后生活質量.

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Characterization of Mechanical Properties of Warp Knitting Hernia Repair Mesh and the Clinical Significance

MIAOLin-li1a,1b,XURui1a,1b,NOORSanbhal1a,1b,WANGLu1a,1b,GUIDOINRobert2

(a. College of Textiles；b. Key Laboratory of Textile Science &Technology, Ministry of Education, 1.Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Faculty of Medicine, Lavel University, Quebec QC G1V 0A6， Canada)

Mechanical tests and evaluation on tensile strength, extension and stiffness of hernia repair mesh with three-needle open atlas stitch were performed，and suggestion for clinical application were proposed. For the strength and extension, the results of ball burst test demonstrated that the strength of the mesh was much higher than that physiological required for abdominal wall, however, the extension cannot satisfy the physiological elasticity. The results of tensile tests showed that the anisotropy of hernia repair mesh was influenced by the ratio (K) of course density to wale density, meshes with highKwas more in line with physiological requirement. The suture pull out strength and tear strength in longitudinal direction were conformed to the required mechanical property of abdominal wall, however, the tear strength in horizontal direction were greatly decreased when integral loops in horizontal direction were broken. Besides, bending stiffness of technical face and technical back were different, clinical researchers should pay more attention to the difference between front and back of the mesh. The damage of loops in horizontal directions should be avoided when cutting the mesh.

warp knitting； hernia repair mesh; three-needle open atlas stitch; mechanical property; anisotropy; stiffness

1671-0444 (2016)06

2015-11-16

苗琳莉(1990—)，女，河南衛(wèi)輝人，碩士研究生，研究方向為醫(yī)用人工補片. E-mail: miaolinli_1990@126.com 王 璐(聯(lián)系人)，女，教授， E-mail: wanglu@dhu.edu.cn

TS 181.8

A