管状人造血管拉伸夹持件的设计和应用

林 婧， 籍晓萍， 王 璐

（东华大学纺织学院，上海 201600）

0 引言

作为人体内的永久性植入体，人造血管在体内的使用寿命应超过受体病人的期望寿命值［1］。所以一个理想的人造血管［2］除了应该具有良好的生物相容性和生物功能性外，同时还要具备良好的生物耐久性［3］。耐久性是描述血管移植后维持其物理结构的能力，即良好的化学稳定性和生物力学性能。由于受到收缩压和舒张压所导致的周期性脉动压力的长期作用，人造血管易产生周向和轴向形变［4-5］，因此，在人造血管众多力学性能中，周向和轴向拉伸性能是其重要的性能表征。

在先前的研究中，对人造血管的周向拉伸，国际标准 ISO7198［6］和我国医药行业标准 YY 0500-2004［7］虽然有推荐的周向拉伸夹持件参考结构，但很少有研究报道运用可以完全保持试样管状形态的夹持件进行拉伸测试［8-10］;而对于人造血管的轴向拉伸，标准中没有明确规定夹持件形态，仅建议保持试样的管状形态，一般实验就采用管状试样剪成平面长条，或是压偏试样的两端，安装于测试平面织物的夹头内后拉伸。由于这样的夹持装置未能保持试样的原状，在夹持口试样应力集中，拉伸过程对试样的结构也产生了破坏，影响了测试结果的准确性。虽然有研究使用圆柱形夹持件［11-12］，但测试的稳定性和广泛性有一定的局限。

针对上述问题，本文通过对常规织物强力仪的改进，实现了在同一仪器上进行多项人造血管的力学性能测试，完成了针对医用纺织品进行测试的多功能强力仪。特别是周向和轴向拉伸性能，在充分保持试样管状形态下实现测试，还根据测试的需要配置了不同量程与精度范围的传感器和各档直径尺寸的辅助夹持件，满足各类管状试样的测试要求。经过2年多学生实验及科学研究［13-15］的验证，医用纺织品多功能强力仪具有操作简便、功能性强、数据精准的优点。

1 拉伸夹持件的设计

1.1 周向拉伸夹持件

根据ISO 7198推荐的管状人造血管夹持件的参考结构［6］（见图1），设计制作了适应于测试直径2～45 mm管状人造血管的夹持件，包括夹具和拉伸件（见图2），并且为了防止实验过程中半圆形的上下两个夹具在拉伸件的卡槽中易产生滑移而影响试验数据，在上下两个拉伸件的卡槽中加入对应的限位片。

图1 ISO 7198周向拉伸参考夹持件结构图

不同规格的半圆形夹具3、4可用于测试直径2～45 mm的人造血管试样，直径是每1 mm为一档，长度从30～70 mm分为5档，每10 mm为一档，且对应相应的拉伸件1、2，这样可大大减少拉伸件的数量，即拉伸件也分为5档。周向拉伸专用的传感器有5.0、0.5和0.1 kN三档，匹配不同材料的拉伸强力。

图2 周向拉伸夹持件实物图

另外，考虑到拉伸过程中小径夹具（D≤6 mm）容易弹出丢失，或对实验人员的安全造成影响，为此制作了配套的可以放置在仪器操作面上的防护门（见图3），其装样时开启，拉伸过程中关闭。

图3 周向拉伸测试防护门

1.2 轴向拉伸夹持件的设计

由于ISO7198中尚无明确规定管状人造血管轴向拉伸时夹具的结构形态［6］，为了保持试样的管状轴向受力拉伸状态，即试验夹头的形态与夹头的夹持力必须保证管状样本在整个拉伸过程中不产生横向剪切力和滑移［11］，设计制作了适用直径2～45 mm人造血管试样的夹持件：即一对上下对称的拉伸件和夹具，见图4。其中塑料圈和塑料锥以1 mm为一档，相应的拉伸件和夹具分为三档。传感器规格同周向拉伸，有5.0、0.5和0.1 kN三种，以供不同材料拉伸强力的选择。

2 功能验证

选取直径4 mm的涤纶机织平纹人造血管进行周向和轴向拉伸性能测试，拉伸速度50 mm/min，轴向拉伸的夹持距离为20 mm。由于周向拉伸试样长度需要满足大于样品自然状态下内径的要求，故取10 mm。在保持试样管状形态下分别对其周向和轴向拉伸性能进行测试，上夹头以恒速握持试验拉伸直至断裂，分别记录其周向拉伸断裂强力和轴向拉伸断裂强力。其中，周向拉伸性能的测试结果可以由断裂强度表示，其表达式如下：

图4 轴向拉伸夹持件实物图

式中：F周向为周向拉伸断裂强力，单位为N;T周向为周向拉伸断裂强度，单位为N/mm;L为周向拉伸试样长度，即周向拉伸时，试样在轴向上的长度，单位为mm，本次试验取L为10 mm。

而轴向拉伸性能的测试结果也可以由轴向拉伸断裂力和专用轴向拉伸断裂强度［16］表达：

式中：F轴向为轴向拉伸断裂力（N）;T轴向为专用轴向拉伸断裂强度（N/mm）;D为试样直径（mm），本次试验取D为4 mm。

实验结果如表1所示，实验指标的CV值在一个可接受的范围内，人造血管的周向断裂强度较轴向断裂强度大，这与临床上人造血管在周向长期受到周期性脉动压力的作用而需要更强的结构是相吻合的。

表1 人造血管周向和轴向拉伸性能测试结果

测试仪器的重现性表示在实际相同的测试条件下，对同一被测物进行连续多次测量，其结果的一致程度［17］。为了验证该仪器的重现性，以周向拉伸性能为例，选取直径都为6 mm的3种不同试样进行周向拉伸性能测试，分别为：商用进口 ePTFE、商用国产ePTFE和针织经平绒管状人造血管。由于管状人造血管试样较为珍贵，故对每个试样进行3次测试。由表2可见，所有试样的CV范围在0.61% ～3.51%，表明测试仪器的精密度较高，即运用所设计的管状人造血管周向拉伸夹持件进行实验的重现性较好。

表2 3种人造血管的周向拉伸测试结果

3 结语

经过2年的实验及科学研究验证，改进后的周向及轴向拉伸夹持件可以充分保持试样测试时的管状形态，更为有效地模拟管状人造血管在体内的受力情况，测试数据精准。夹持件配置了不同规格高精传感器、夹具及拉伸件（直径2～45 mm）。除广泛应用与人造血管的力学性能测试外，还可适用于其他管状试样。

致谢：感谢温州大荣纺织仪器有限公司给予的技术支持。

（References）：

［1］ 赵荟菁.国外人造血管的发展和我国人造血管现状［J］.现代纺织技术，2006，14（3）：55-57.

［2］ 王 璐，丁 辛，Durand B.人造血管的生物力学性能表征［J］.纺织学报，2003（1）：3-6.

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