劉明潔， 林 婧， 關國平， BROCHU G， GUIDOIN R， 王 璐

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620；3. 拉法爾大學 外科系， 魁北克 G1V0A6， 加拿大)

前交叉韌帶(ACL)損傷是常見的運動損傷，其損傷后嚴重影響膝關節(jié)的運動功能，如不及時處理還會引發(fā)關節(jié)軟骨和半月板的損傷[1]。ACL為致密結締組織，內部缺乏血供，且關節(jié)腔內細胞含量較少，故自我修復能力較低[2]，因此，韌帶斷裂后很難恢復到損傷前的狀態(tài)。韌帶移植是臨床重建斷裂ACL的有效方式[3]。自體移植仍是臨床治療韌帶缺損的金標準，然而自體移植物往往存在二次創(chuàng)傷、供體不足等問題。人工韌帶具有取材方便，力學性能優(yōu)良，無病原體交叉?zhèn)鞑ワL險等優(yōu)點，一度成為臨床常用移植物[4-5]。人工韌帶的臨床應用可追溯至20世紀60年代，1963年美國食品藥品監(jiān)督局(FDA)批準了首個人工韌帶產品Proplast? [6]。隨著合成材料的發(fā)展，Leeds-Keio?，Gore-Tex?和Stryker?等材料、結構、形態(tài)各異的人工韌帶產品見諸報道[7-8]，但絕大多數產品最終都因為中長期效果不佳而被淘汰[9-10]。法國的LARS?人工韌帶自20世紀90年代投入臨床應用以來，總體回訪效果較好，重建滿意度較高，但其仍然存在促韌帶再生效果不佳等問題[11-12]?；诖?，本文擬對已有的典型紡織基人工韌帶移植物進行結構與性能分析，比較這些人工韌帶的結構特點及性能優(yōu)勢；同時對Stryker?-Meadox產品的移出物進行失效分析，探究其失效機制，以期為改善現有人工韌帶和開發(fā)新產品提供指導。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

人工韌帶試樣： Synchro?(美國Synchro Medical，1#)；Ligastic?(法國Orthomed，2#)；Raschel?(法國Cendis Médical，3#)；Proflex?(法國Protek，4#)；Lygeron?(法國Orthogroup，5#)； Stryker?-Meadox(美國Stryker，6#)； Kennedy-LAD?(美國3M，7#)； SEM?(法國Science et Médecine，8#)；Ligaid?(法國Proth-Aid，9#)； HTP 820(美國3 M，10#)；Braided PHP(法國Cendis Médical，11#)

儀器：CH-12.7-BTSX型數顯千分臺式乳膠測厚儀(上海六菱儀器廠)；M50型數碼照相機(佳能株式會社)；SMZ745T型體視顯微鏡(尼康株式會社)；N2型織物密度鏡(國營常州紡織儀器廠)；Flex SEM 1000型掃描電子顯微鏡(日立科技有限公司)；YG(B)026G型紡織品多功能強力儀(大榮紡織儀器有限公司)；Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀(賽默飛世爾科技有限公司)；D/max-2550 PC型X射線多晶衍射儀(日本Rigaku公司)；TGA4000型熱重分析儀(珀金埃爾默儀器有限公司)。

1.2 測試方法

選擇典型產品Stryker?-Meadox(6#)進行失效機制分析，其移出樣為體內移出物，表面附著有人體組織，分析測試前對試樣進行無損清洗[13-14]：先將試樣在5%的NaHCO3溶液中煮沸5 min，用去離子水充分清洗后再用質量分數為7%的NaClO溶液和質量分數為3%的H2O2溶液交替浸泡至其質量不再減少為止。

1.2.1 紡織結構分析

1.2.1.1幾何特征 使用游標卡尺測量各試樣的長度及寬度，特殊標記各試樣的特征部位(引導線、連接段、兩端)的幾何參數。使用數顯千分臺式乳膠測厚儀測量各試樣的厚度。各參數均在試樣上隨機選擇不同部位進行測量，取平均值作為測試結果(n=10)。

1.2.1.2織造特性 首先對試樣進行宏觀觀察，使用數碼照相機采集圖片。隨后，使用體視顯微鏡進一步觀察試樣的組織結構、織造方式、紗線形貌等。最后，對于復雜組織，采用拆紗的方式分析其組織結構。

1.2.1.3物理性能 通過織物密度鏡和體視顯微鏡測量織物的密度：機織試樣測量其經緯密；編織試樣測量其編織角和編織密度；針織試樣測量其線圈橫縱密。

1.2.2 移出物失效機制分析

1.2.2.1微觀形貌觀察 將植入前樣和體內移出樣按結構分為外殼和內芯2類，分別選擇同一部分的相同位置進行觀察。首先使用體視顯微鏡觀察試樣的表面形貌，重點關注其形態(tài)結構變化、纖維形態(tài)、線圈結構等。其次，使用掃描電子顯微鏡在10 kV下選擇移出樣和原前樣的相同部位依次在50倍和500倍下進行觀察與圖像采集。觀察移出樣的紡織結構、表面形態(tài)、纖維形態(tài)等變化，重點觀察試樣斷裂點纖維的狀態(tài)。

1.2.2.2力學性能分析 通過拉伸斷裂測試對試樣的紗線進行強力分析，參考GB/T 14344—2008《化學纖維 長絲拉伸性能試驗方法》并結合實際試樣情況進行改進，使用紡織品多功能強力儀配合手動夾頭測試，每種樣品進行5次測試，最終結果取平均值。使用ORIGIN軟件繪制各試樣的應力-應變曲線。

1.2.2.3化學結構、熱穩(wěn)定性及結晶性能分析 使用配置衰減全反射附件(AFR)的傅里葉變換紅外光譜儀通過傅里葉紅外測試(AFR-FTIR)以及熱重分析對試樣材料進行表征。

使用X射線多晶衍射儀進行纖維結晶度分析。將材料剪為細粉末狀，每次取體積約為1 cm3的試樣進行測試。使用JADE軟件對X射線衍射圖譜進行分峰，并計算材料的結晶度。

2 結果與討論

2.1 紡織基人工韌帶的結構

2.1.1 紡織基人工韌帶的幾何特征及組織結構

11種紡織基人工韌帶移植物的幾何特征及組織結構如表1所示。人工韌帶移植物的寬度主要集中在0.6～1.0 cm范圍內，這與人的ACL(0.4～1.0 cm[2])寬度匹配。人工韌帶移植物的厚度主要集中在2個范圍內：小于1 mm(9個試樣)和1～5 mm(2個試樣)。產生厚度差異的主要原因是各移植物的結構與用途差異。從結構看，厚度小于1 mm的紡織基人工韌帶移植物多為單層編織結構，而厚度為1～5 mm的則為多層結構。從用途看，加強型人工韌帶，如8#和9#，其臨床使用時是與半腱肌、股薄肌腱等軟組織移植物一起使用，起到支撐與應力保護作用，故其厚度較小[15]。而永久型人工韌帶，如6#，則是單獨作為ACL的替代植入物，故其厚度相對較大。

表1 11種人工韌帶移植物的幾何特征及組織結構Tab.1 Geometric characteristics and structures of 11 artificial ligaments

試樣的織造方式包括機織、經編、編織3種。按所使用的紗線，可分為單絲、復絲、單絲復絲混合3種。按結構分，可分為單層和多層結構2種。其中：單層結構包括單層編織、單層編織管狀、單層經編和單層機織結構；多層結構如芯殼結構、多層內芯等。結合其用途分析，單層結構，尤其是單層編織結構的移植物多為加強型人工韌帶移植物；而多層結構的移植物則多為永久替代型人工韌帶移植物。

2.1.2 紡織基人工韌帶的密度

各試樣的密度測試結果如表2～4所示。可見，各經編試樣的密度較為接近，線圈縱密明顯高于線圈橫密。各機織試樣的密度存在明顯差異；4#與5#的密度明顯較低，其結構為類織帶結構，有明顯的大孔存在；6#的密度相對較高，其結構為單層機織平紋且由復絲織造，結構緊密。各編織試樣的編織角接近，無明顯差異，其表觀形態(tài)與結構亦相似。各試樣的編織密度存在兩極分化情況，這與試樣的紗線細度有關，也與其結構設計有關。通過改變紗線細度及結構可以調控人工韌帶的表面形貌及整體柔順性，而表面形貌對組織細胞的粘附、增殖和穿透等有顯著影響[16]。較好的柔順性則有利于關節(jié)的靈活性和減小人工韌帶與骨組織之間的應力，有利于愈合[6]。

表2 1#～3#織造密度測試結果Tab.2 Fabric density test results of 1#～3#

表3 4#～6#試樣織造密度測試結果Tab.3 Fabric density test results of 4#～6#

表4 7#～11#試樣編織密度測試結果Tab.4 Fabric braid density test results of 7#～11#

2.1.3 紡織基人工韌帶的織造特點

11種試樣的宏觀觀察結果如圖1所示。各試樣均為多孔結構，這是紡織材料的典型特征。多孔結構有利于組織液和細胞的滲入，也有利于人工韌帶與周圍組織的融合[17]。同時，可見部分試樣(8#)中段采用松散條帶狀結構，這種結構可能是模仿了人的ACL中段的膠原纖維束結構，有利于維持關節(jié)靈活性。從試樣結構可以推斷，試樣兩端的連接方式有懸吊線(4#、9#)、塑料引導管(2#、6#)、鋼絲(3#、8#)等幾類。

圖1 11種紡織基人工韌帶織造結構照片Fig.1 Textile structure images of 11 textile-based artificial ligaments. (a) Digital camera images; (b) Stereomicroscope images

2.2 移出物失效機制

從上述研究發(fā)現，6#樣品屬于永久型人工韌帶產品，其結構為經編外殼內包多條機織內芯，在幾何形態(tài)上與人的ACL相近，是典型的紡織基人工韌帶產品，故選擇6#樣品進行移出物失效機制探究。

2.2.1 試樣微觀形貌

圖2示出2種試樣體視顯微鏡照片。由圖可知，即便經過清洗，體內移出樣其外殼纖維表面仍有組織殘留，但內芯部位少見組織殘留。可見其在植入過程中的組織滲透并未達到移植物內部，組織再生效果不佳。其次，可以發(fā)現，移出樣較原樣的紡織結構有明顯的不同，線圈變形扭曲，存在因紗線斷裂造成的線圈斷裂和脫散，線圈排列不規(guī)整。通過照片可見：移出樣內芯明顯變形扭曲，不再呈規(guī)整條帶狀，邊緣的紗線磨損斷裂明顯，表面不再光滑平整；紗線亦存在磨損情況，部分纖維斷裂，紡織結構變形，經緯紗不再垂直，中間的一條單絲也出現扭曲變形。

圖2 2種試樣體視顯微鏡照片(×20)Fig.2 Stereomicroscopic images of two samples(×20). (a) Virgin outer shell outside; (b) Virgin outer shell inside; (c) Virgin inner core; (d) Explant outer shell outside; (e) Explant outer shell inside; (f) Explant inner core

原樣和移出樣內芯的SEM照片如圖3(a),(b)所示。通過對原樣表面觀察可見試樣紡織結構完整：復絲排列整齊，纖維沒有斷裂或變形；單絲表面光滑，無裂痕。移出樣紡織結構部分損失：復絲分散為單纖維，纖維存在斷裂情況，斷裂處出現叢狀末端，但纖維表面未見磨損情況；單絲表面出現明顯裂痕，同時也觀察到有復絲劈裂現象。組織殘留方面，可以看到纖維表面有明顯組織殘留，但殘余量不大，纖維束中部未見組織包裹，單絲表面基本無組織粘附。

原樣和移出樣外殼的SEM照片如圖3(e)、(f)所示。原樣表面線圈排列整齊完整，紡織結構完整，無明顯變形。移出樣線圈脫散，紡織結構破壞。復絲中存在纖維斷裂、扭轉，斷裂處纖維末端呈叢狀，并伴隨有纖維的軸向劈裂。纖維表面有明顯的磨損情況。組織方面，外殼表面的膠原殘留明顯多于內芯，并存在大塊組織包裹于纖維外部的情況。

通過對比2種試樣，推測其失效原因可能是纖維的磨損或撕拉斷裂造成的復絲斷裂，進而使紡織結構破壞，最終導致整個人工韌帶產生斷裂或失效。外殼的斷裂情況相較內芯更為嚴重，可能與其外層磨損有關，外殼外側線圈脫散較其內側更為嚴重，且纖維表面可見明顯的磨損痕跡，而內側纖維幾乎無磨損。據此推測，人工韌帶在植入人體后主要的磨損是骨與人工韌帶間的磨損，而韌帶內部內芯與外殼間磨損較小。

圖3 2種試樣的SEM照片(×50)Fig.3 SEM images of two samples(×50). (a) Virgin inner core; (b) Explant inner core; (c) Virgin outer shell inside; (d) Explant outer shell inside; (e) Virgin outer shell outside; (f) Explant outer shell outside

2.2.2 原材料分子結構

6#樣品單絲和復絲的紅外光譜圖及熱重分析曲線如圖4所示，復絲材料最大吸收峰出現在1 716 cm-1處，第2強吸收峰出現在1 246 cm-1處，在1 121/1 099 cm-1處出現1個分裂的峰，同時在725 cm-1處出現1個尖峰。復絲的紅外圖譜特征峰的位置強度均與聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)相符合。單絲材料最大吸收峰出現在2 918 cm-1處，隨后在2 838 cm-1處出現1個尖峰。在1 454、1 376 cm-12個位置分別出現一個尖峰。單絲的紅外光譜的特征峰位置強度均與聚丙烯(PP)相符。結合熱重曲線分析，認為樣品中使用的復絲材料應為PET，單絲材料為PP。

圖4 6#樣品單絲和復絲的紅外與熱重分析圖譜Fig.4 FT-IR (a) and TGA (b) pattern of monofilament and multifilament used in 6#

2.2.3 原材料結晶度

結晶度分析可以有效地表征纖維的強力、內部分子排列情況，結晶度越大，材料的強度越好，但斷裂伸長率和彈性會有所下降[18]。原樣和移出樣的X射線衍射圖譜如圖5所示。由圖譜計算得到內芯部位結晶度：移出樣為(56.17±6.57)%；原樣為(67.10±12.90)%。外殼部位結晶度，移出樣為(52.53±4.61)%，而原樣為(63.26±5.20)%。通過對比可見，對于相同部位的纖維，移出樣的結晶度明顯低于原樣。說明材料在植入人體后存在一定程度的結構變化及結晶度變化，而內芯的差異小于外殼，這可能與外殼與人體組織之間的接觸及相互作用較多有關，同時內芯中有PP單絲的存在，對平均結晶度起到了一定的提升作用。

圖5 原樣和移出樣的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of virgin and explant.(a) Inner core; (b) Outer shell

2.2.4 試樣力學性能

原樣和移出樣芯部的經紗和緯紗拉伸斷裂曲線如圖6所示。2種試樣經紗和緯紗的拉伸曲線形態(tài)基本一致，相同紗線時，原樣的斷裂強度均高于移出樣，而斷裂伸長率則低于移出樣。這些結果與預期相符。結合結晶度測試結果分析，原因可能是由于移出樣在體內發(fā)生了一定的老化，結晶度下降直接導致材料的強力降低。通過結構分析已知其經紗和緯紗均為PET復絲，但經紗相對較粗，同時每根內芯的經紗系統(tǒng)中有1根PP單絲，起到力學增強效果。2種試樣間的強力差異與紗線在體內的降解有關，同時移出樣由于存在漸進降解情況，紗線間存在一定的差異，同一移出樣的不同部位紗線的力學性能存在一定差異(標準差σ=13.48)。經紗與緯紗的材料雖然都是PET復絲，但從曲線中可見緯紗曲線抖動較劇烈。根據紡織結構分析，原因可能是同一根緯紗的不同部分處于人工韌帶的不同位置，二者所處的環(huán)境及受力不同，導致緯紗中的單絲出現弱節(jié)，故曲線抖動較明顯。

圖6 原樣和移出樣芯部的經紗和緯紗典型拉伸斷裂曲線Fig.6 Typical strain and stress curves of warp and weft yarns of virgin and explant inner core. (a) Warp yarn; (b) Weft yarn

3 結束語

本文分析了11種典型紡織基人工韌帶產品的組織結構，并對其中的代表性產品的移出物進行了失效分析。組織結構方面，紡織基人工韌帶產品的成型方式主要有機織、編織和經編3種。各產品紡織結構及幾何形態(tài)的差異主要取決于各自的臨床適應癥。中長期來看，體內復雜力學環(huán)境下高分子材料內部結構變化導致的結晶度下降，材料松弛，力學性能下降以及骨與移植物間的摩擦導致的紗線磨損等，是導致人工韌帶斷裂、移植失效的主要原因。

紡織材料是規(guī)則的多孔材料，具有高孔隙率、高連通率的特點，這對開發(fā)人工韌帶產品十分有利。不僅尺寸可控，還可以滿足人工韌帶對高強度、高靈活性的要求，而且有利于人體組織原位生長。以往的人工韌帶產品在結構方面進行了諸多嘗試，這對未來實現全可降解、促腱骨愈合、高強度及誘導韌帶組織原位再生的人工韌帶產品開發(fā)提供了重要參考。