李 倩 王云云 李毓陵 王文祖 粟菲栗

(東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海，201620)

機(jī)織人工氣管的性能分析*

李 倩 王云云 李毓陵 王文祖 粟菲栗

(東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海，201620)

采用多層和多重結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，研制出一種緯二重結(jié)構(gòu)機(jī)織人工氣管。通過徑向壓縮、徑向拉伸等力學(xué)性能測試，并以針織人工氣管為參照，分析機(jī)織人工氣管的特性，為進(jìn)一步試驗應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

人工氣管，機(jī)織，緯二重，力學(xué)性能測試

因氣管病變，患者有時需要切除一段氣管并進(jìn)行氣管再建術(shù)。氣管外科重建主要通過自體組織重建、異體氣管移植、人工氣管假體和組織工程化氣管來完成［1-2］。自體組織重建取材有限，異體氣管移植易產(chǎn)生排異反應(yīng)，組織工程化氣管的研究尚處于起步階段，還有大量的技術(shù)難題需要解決。而人工氣管由于材料的可選擇性和結(jié)構(gòu)的可塑造性，使得其研究一直保持著強(qiáng)大的生命力。

材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計是人工氣管研究能否取得突破性進(jìn)展的關(guān)鍵。近年來，高分子生物材料工程和生物醫(yī)學(xué)工程的有機(jī)結(jié)合為設(shè)計并研制理想的人工器官提供了必備的物質(zhì)條件。高分子生物材料如聚合物具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和加工性能，可為細(xì)胞生長和組織再生提供適宜的支架，成為人工氣管的首選材料。

人工氣管的結(jié)構(gòu)有多種，最常見的是普通單層管狀結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)是由材料縫合而成或直接一步成型的。研究表明，此類單層管狀結(jié)構(gòu)中，機(jī)織人工氣管的徑向支撐力比針織人工氣管?。?］。近年來，有人提出了一種螺旋增強(qiáng)管狀結(jié)構(gòu)［4］，即在普通機(jī)織人工氣管管坯的外壁上固定一個螺旋絲狀物，這種結(jié)構(gòu)在一定程度上提高了人工氣管的徑向支撐力，但操作分步進(jìn)行有些繁瑣，質(zhì)量和穩(wěn)定性難以保證。

從機(jī)織管狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計角度分析，螺旋增強(qiáng)管狀結(jié)構(gòu)完全可以采用機(jī)織方法一次形成。也就是說，通過采用復(fù)雜的多層或多重組織，可以制備出管道內(nèi)壁光滑、徑向支撐力大的人工氣管以滿足基本要求。本文采用以緯二重組織為基礎(chǔ)組織的方法，進(jìn)行機(jī)織人工氣管的織造。織造時，外層緯紗選用單絲，覆在管道的表面，起增加徑向支撐力的作用;內(nèi)層緯紗及經(jīng)紗均采用復(fù)絲，形成氣管的致密內(nèi)壁，有利于呼吸順暢。對此種人工氣管進(jìn)行力學(xué)性能測試，并與針織人工氣管進(jìn)行對照，分析其性能特點，為進(jìn)一步的試驗奠定基礎(chǔ)。

1 人工氣管的材料

本文選用的材料是直徑0.25 mm和0.18 mm的丙綸(PP)單絲及線密度99 D/36 f的滌綸(T)復(fù)絲(見表1)。

表1 材料的基本數(shù)據(jù)

2 人工氣管的織制

采用以1/5右斜紋為基礎(chǔ)組織的緯二重組織進(jìn)行機(jī)織人工氣管的織造。丙綸作為表層緯紗，滌綸分別作為里層緯紗及經(jīng)紗。樣品采用四梭箱小樣劍桿織機(jī)［5］織造。織造數(shù)據(jù)見表2。

表2 機(jī)織織造參數(shù)

同時采用單針筒小口徑圓緯針織機(jī)，應(yīng)用添紗組織織制針織人工氣管。丙綸為面紗，滌綸為地紗。織造數(shù)據(jù)見表3。

表3 針織織造參數(shù)

3 力學(xué)性能測試分析及比較

根據(jù)合作醫(yī)院的測試要求，采用多功能拉伸儀對以上8種樣品分別進(jìn)行徑向壓縮及拉伸性能的測試。

3.1 徑向壓縮性能測試

設(shè)人工氣管壓扁所用的力為N(N)，人工氣管的壓縮直徑為d(mm)，比壓縮力為P(N/mm)，則三者之間的關(guān)系為:P=N/d。測試的直接數(shù)據(jù)是壓縮力N，考慮到壓縮直徑d對結(jié)果的影響，因此利用上述關(guān)系式換算成比壓縮力P。壓扁速度為200 mm/min時，得到的比壓縮力如圖1所示。

由圖1可以看出:機(jī)織樣品(1～4)的比壓縮力均大于針織樣品(5～8);用直徑為0.25 mm丙綸織制的人工氣管樣品的比壓縮力值隨緯密的增加急劇增大，用直徑為0.18 mm丙綸織制的人工氣管樣品的比壓縮力值相對較小;隨縱密的增加，針織樣品的比壓縮力值增加緩慢。

圖1 比壓縮力

3.2 徑向拉伸性能測試

人工氣管在人體內(nèi)受到的徑向拉伸力一般很小，因此這里的測試不將樣品直接拉斷，而是用拉伸一定長度L(mm)后的拉伸力來比較徑向拉伸力的差異。測試參數(shù)見表4，測試結(jié)果見圖2和圖3。

表4 徑向拉伸性能測試參數(shù)

由圖2可知，機(jī)織樣品的徑向拉伸力均遠(yuǎn)大于針織樣品，說明機(jī)織樣品的尺寸穩(wěn)定性高于針織樣品。材料一定，機(jī)織樣品的徑向拉伸力隨緯密的增大而增大;樣品3、4密度一定，使用0.25 mm丙綸的3號樣品的徑向拉伸力遠(yuǎn)大于使用0.18 mm丙綸的4號樣品。針織樣品隨縱密的增大，徑向拉伸力也呈現(xiàn)增大趨勢，但變化平緩。

圖2 徑向拉伸力

圖3 彈性回復(fù)率

由圖3可知，針織樣品的彈性回復(fù)率高于機(jī)織樣品，各樣品的彈性回復(fù)率沒有呈現(xiàn)出規(guī)律變化。

4 結(jié)果分析

由以上測試結(jié)果可知:相同材料，機(jī)織樣品在徑向壓縮和徑向拉伸方面都遠(yuǎn)強(qiáng)于針織樣品，但在彈性恢復(fù)方面不如針織樣品，原因在于它們的結(jié)構(gòu)差異。針織物由線圈圈套而成，在受到外力時，首先是線圈的變形，圈柱與圈弧之間相互轉(zhuǎn)移，線圈形態(tài)、紗線間的接觸點隨之變化，然后才是紗線的伸長，而線圈變形量較大，因此徑向拉伸力就小。機(jī)織物由兩組或多組紗線相互交織而成，交織處紗線微量變形形成屈曲波，當(dāng)受到外力時，首先是屈曲波的伸直，然后是紗線的伸長，但屈曲波的變形量較小，因此徑向拉伸力較大。

機(jī)織人工氣管的結(jié)構(gòu)相對于針織人工氣管來說較緊密，若機(jī)織人工氣管的交織點發(fā)生變化，其恢復(fù)比較困難，因此機(jī)織人工氣管的彈性回復(fù)率比較低。

5 結(jié)語

(1)采用適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)組織，可以織造出內(nèi)壁光滑，徑向支撐力滿足要求的機(jī)織人工氣管。

(2)設(shè)計合理的機(jī)織人工氣管的徑向支撐力明顯高于針織人工氣管。

(3)機(jī)織人工氣管的尺寸穩(wěn)定性高于針織人工氣管。

(4)針織人工氣管的彈性回復(fù)率高于機(jī)織人工氣管。

［1］LEE C J，MOON K O，CHOI H，et al.Tissue engineered tracheal prosthesis with acceleratedly cultured homologous chondrocytes as an alternative of tracheal reconstruction［J］.J Cardiovasc Surg，2002，43:275-279.

［2］FUCHS J R，NASSERI B A，VACANTI J P.Tissue engineering:a 21st century solution to surgical reconstruction ［J］.Ann Thorac Surg，2001，72:577-591.

［3］徐艷.紡織結(jié)構(gòu)生物復(fù)合材料人工氣管的開發(fā)［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2004(4):11-16.

［4］清水慶彥，中村達(dá)雄.人工氣管:日本，00813851.6［P］.2001-04-12.

［5］李毓陵，李剛.剛性劍桿織機(jī)1×4多梭箱機(jī)構(gòu):中國，200710042827.9［P］.2007-06-27.

Performance analysis of woven artificial trachea

Li Qian，Wang Yunyun，Li Yuling，Wang Wenzu，Su Feili
(The Key Lab.of Textile Science＆ Technology，Ministry of Education，Donghua University)

On the basis of double weave and backed weave construction，a sort of weft backed weave artificial trachea was designed and manufactured.Compared with knitting artificial trachea，the performances of woven artificial trachea were studied by testing their mechanical properties including diametral compression property and radial tensile property.

artificial trachea，woven，backed weave，mechanics performance testing

TS156.67

A

1004－7093(2011)06－0012－03

* 高等院校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃項目(B07024)

2010－11－05

李倩，女，1985年生，在讀碩士研究生。研究方向為生物醫(yī)用紡織品開發(fā)。