丝涤混构小口径人造血管的结构与性能

关　颖，关国平，杨小元，彭　蕾，王　璐

(东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

丝涤混构小口径人造血管的结构与性能

关颖，关国平，杨小元，彭蕾，王璐

(东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

为了获得力学性能及生物学性能俱佳的小口径人造血管，设计并制备出一系列丝涤混构的机织小口径人造血管管坯，并对其进行结构表征及力学性能研究.结果表明：纱线线密度与组织类型决定人造血管中丝素的表达率与分布；所有试样的径向拉伸强度均优于商用人造血管；顶破强度不低于商用ePTFE人造血管(SW)，且均优于犬股动脉；水渗透性值均低于170 mL/(cm2·min)，移植前无需预凝；所有试样的顺应性均优于对照样SW.

小口径人造血管；丝素表达率；涤纶；水渗透性；力学性能

很多外周血管疾病和先天性心脏病手术需要小口径人造血管进行重建或分流[1].目前大口径人造血管方面的研究以及临床应用已经较为成熟，但小口径(<6 mm)人造血管因其特殊的血液流动和血压特点，较其他部位更易形成血栓和新生内膜增厚，导致移植后远期通畅率低[2].目前商用的小口径人造血管种类十分有限，主要制造商有Vascutek[3]，Braun和Gore-Tex，且临床资料少见.人体内小口径血管的内直径低至4 mm以下，移植用人造血管的内直径必须与宿主血管内直径相匹配[4]，因此，临床需要不同规格、力学性能及生物学性能更好的小口径人造血管.

涤纶和膨化聚四氟乙烯(ePTFE)是目前研究较多的小口径人造血管材料[5].在搭桥手术中使用小口径ePTFE血管通畅率非常低[2]，临床资料显示，其1年通畅率大约为60%，而3年通畅率低至14%[6-7].尽管如此，ePTFE血管几乎是唯一的选择[8]，涤纶小口径人造血管并未得到较好的应用.

基于本课题组此前的研究已经获得的一系列结构均匀、成型良好的机织丝涤混构小口径人造血管，本文着重对这些人造血管试样进行较为详细的结构表征与性能研究，包括丝素纤维在人造血管中的表达率及其分布，人造血管的水渗透性、径向拉伸断裂强度、顶破强度和顺应性等.

1　材料和方法

1.1试验材料

机织管状成型的6种丝涤混构的小口径人造血管，其结构参数如表1所示.

表1　管状织物结构参数Table 1　Structural parameters of the tubular fabrics

采用商品名为Goretex_Standard Wall(SW)、直径为6 mm的ePTFE商用人造血管用作对照.

1.2丝素表达率与丝素分布的定义及计算方法

本文的初衷是引入丝素纤维，利用其优良的血液和组织相容性，达到较好的远期通畅率.由于人造血管内表面与血液直接接触，因此人造血管内表面丝素纤维的表达率与分布对于人造血管的性能至关重要.本文提出丝素表达率的概念对人造血管内表面丝素的平面含量进行描述.

丝素表达率定义：人造血管单位面积的内表面中丝素材料面积所占的百分比.具体计算方法：(1)对试样内表面进行显微拍照；(2)利用Photoshop图像处理软件截取单位面积图像，计算其像素值(图1和2)，再利用选择工具选中单位面积区域中丝素部分，读取真丝部分像素值(图3和4)；(3)计算丝素部分像素值占单位面积区域像素值的百分比即得丝素表达率.

图1　截取单位面积的图像Fig.1　Cutting out unit area

图2　单位面积图像像素值Fig.2　Pixel value of unit area

图3　选取真丝部分图像Fig.3　Selecting silk portion

图4　真丝部分图像像素值Fig.4　Pixel value of silk portion

本文同时计算了丝素表达率的理论值.理论值1是假设织物紧度为100%，经纬纱密度、粗细均相同时计算所得；理论值2是依据本文的设计经纬纱密度(5.00 根/mm×4.00 根/mm)、经纬纱实际直径计算所得.丝素表达率理论值计算示意图见图5，则：

(1)

式中：A为单位区域内经纱覆盖的面积；B为单位区域内纬纱覆盖的面积；C为单位区域内孔隙的面积.

(a) 理论值1

(b) SPT1，SPT2，SPT3的理论值2

(c) SPT4，SPT5，SPT6的理论值2注：黑色为经纱所覆盖的区域；白色为纬纱所覆盖的区域；灰色为孔隙.图5　丝素表达率理论值示意图Fig.5　Sketch of the theoretical value of silk expression rate

1.3水渗透性测试

用水渗透仪[9]对人造血管的整体水渗透性进行测试，具体试验方法参照文献[10-11].本文取有效测试长度为4 cm的试样进行整体水渗透性测试，试样面积为5.024 cm2，连续测试10 min，分别测量每分钟的水渗透量，最后取10 min的平均值.

S=π·d·L1

(2)

式中：S为测试面积；d为人造血管直径(4 mm)；L1为有效测试长度.

1.4径向拉伸断裂强度测试

试样的径向拉伸断裂强度参照文献[10]进行测试，测试示意图如图6所示.每个管状织物测试3次，取3次最大负载力的平均值T(N)，计算径向拉伸断裂强度F(N/mm)：

F=T/(2L2)

(3)

式中：L2为试样长度(20 mm).

图6　血管径向拉伸强度测试示意图Fig.6　Sketch of radial tensile strength test of vascular prototypes

1.5顶破性能测试

顶破强度反映血管承受集中点(面)压力的能力[12]，本文用探头顶破强度评价人造血管在遇到诸如假性动脉瘤情况下的力学性能[13].假性动脉瘤指动脉管壁被撕裂或穿破，血液自此破口流出被主动脉邻近的组织包裹而形成血肿.探头顶破强度即为人造血管样本在承受渐升压力至爆破时的最大强度，探头顶破受力不等于假性动脉瘤情况下人工血管的受力情况，但是在现有条件下探头顶破强度测试是最接近的测试方法.将试验样品以平布的形式夹在两个环形夹头中间，并将织物位置固定.半球形顶破探头以恒定速度向下运动，与织物接触并将其顶破.本文使用温州大荣仪器有限公司特制的YG-B 026G 型生物医用材料多功能强力仪，探头直径为1.5 mm.参照文献[10]的测试方法进行测试.

1.6顺应性测试

顺应性通过Bose公司的动态力学模拟系统测得.它可以精确、实时地记录被测试血管在脉动压力下的直径变化情况.试样长度为5 cm.根据文献[10]要求，分别测试7.0～12.0 kPa,10.7～16.0 kPa,14.7～20.0 kPa这3个压力段下的顺应性.顺应性计算式为

(4)

式中：C为顺应性(%/(100 mmHg))；p1和p2分别表示低压力值和高压力值；Rp2和Rp1分别对应为低压力值和高压力值时的血管半径.

1.7统计分析

用Excel 2007进行数据的统计分析，所有数据值均表示为平均值±标准差.采用t检验法比较样本之间的显著性差异，p<0.05时认为有显著差异，p<0.01时认为有极显著差异.

2　结果与讨论

2.1丝素表达率

丝涤混构小口径人造血管理论丝素表达率、织造管坯丝素表达率及其整理后的丝素表达率如表2所示.以SPT1，SPT2和SPT3为一组；SPT4，SPT5和SPT6为另一组，比较纱线相同、织物组织不同时，试样丝素表达率的差异.由表2可以看出，SPT1和SPT2的丝素表达率理论值相同，但两者丝素表达率试验值有显著差异.这是由于SPT1的纬密小于SPT2，即单位面积内SPT1所含的涤纶部分更少，丝素表达率相对较高.SPT3的理论值和试验值没有显著差异，原因是其交织点最少，打纬阻力小，所以其丝素表达率最接近理论值.SPT4，SPT5和SPT6织造管坯的试验值均大于理论值2，并有极显著差异，原因是试样的经纱密度均大于计算理论值时的经密(5.00 根/mm)，则在单位区域内真丝纱线分布相对较多.而纱线不同、组织相同时，真丝纱线线密度越大，丝素表达率越大，即SPT1>SPT4，SPT2>SPT5，SPT3>SPT6.

表2　丝涤混构小口径人造血管的丝素表达率理论值和试验值Table 2　The theoretical and experimental silk expression rate of silk-polyester interwoven small-diameter vascular prosthesis　%

对比织造管坯整理前后的试验值可以发现，相同纱线线密度不同组织类型的试样，其整理前后的试验值均有显著差异.由于脱胶使纱线变细，整理后SPT1，SPT3和SPT4的丝素表达率降低.但脱胶处理同时还会使织物紧度增加，整理后SPT2，SPT5和SPT6的丝素表达率反而增加.3种组织类型的人造血管丝素表达率试验值关系为1/3斜纹试样>平纹试样>2/2斜纹试样.相同组织类型不同纱线线密度时，丝素表达率大小仍为SPT1>SPT4，SPT2>SPT5，SPT3>SPT6.

实际织造过程中，应考虑丝素在人造血管中的分布，由于各组织结构具有不同的特点，平纹组织丝素分布最均匀，2/2斜纹组织丝素表达率最低而丝素分布相对集中，1/3斜纹丝素表达率最高且丝素分布较集中.

2.2水渗透性

水渗透性测试结果如表3所示.由表3可知，本文所有试样的水渗透性均在170 mL/(cm2·min)以下，植入人体之前无需预凝[14].

表3　试样水渗透性测试结果Table 3　Test results of water permeability of the samples

对于相同纱线线密度不同组织类型的试样，平纹试样水渗透性值显著低于斜纹组织试样的水渗透性值.因为平纹组织的交织点比斜纹组织多，织物结构更为紧密，不利于水透过管壁，故水渗透值较低.对于不同纱线相同组织结构的试样，纱线线密度较大的试样水渗透性值低于线密度较小的试样值.原因是纱线线密度越大，在相同的织造条件下，织物紧度越大，当水压相同时，水更不易穿过管壁孔隙流出.

值得一提的是，SPT2，SPT3和SPT4的水渗透性值较为接近.这表明，线密度较大的纱线和致密的组织结构均有益于降低水渗透性，从而可以通过改变纱线线密度或组织结构来调节试样的水渗透性.

2.3径向拉伸断裂强度

试样径向拉伸断裂测试结果如表4所示.由表4可见，所有试样的径向拉伸断裂强度均显著高于对照样SW的径向拉伸断裂强度，说明所制备的丝涤混构小口径人造血管试样的径向拉伸强度均满足临床使用要求.

表4　试样径向拉伸断裂强度测试结果Table 4　Test results of radial tensile strength of the samples

对于纱线不同、组织结构相同的试样，SPT2和SPT5，SPT3和SPT6径向拉伸断裂强度无显著性差异，其原因是径向拉伸测试时，主要是纬纱受力，各试样纬纱类型、规格相同，因此径向拉伸断裂强度也相近.对于纱线相同、组织结构不同的试样，其径向拉伸断裂强度大小为平纹试样<斜纹试样.不同组织试样的纬向浮长关系为平纹<斜纹，而纬向浮长越长，其对织物径向拉伸断裂强度的贡献越大，径向拉伸断裂强度值越高，故径向拉伸断裂强度大小为平纹试样<斜纹试样.对于本文的高密织物试样，其组织结构(纬向浮长)对径向拉伸断裂强度有较大的影响.

2.4顶破强度

试样顶破强度测试结果如表5所示.由表5可见，与对照样SW相比，除SPT5和SPT6外，其他4个试样的顶破强度均显著高于SW的顶破强度，说明本文所制备的一系列试样的力学性能满足临床要求.与犬股动脉的顶破强度(0.286 MPa)[15]对比，所有样本的顶破强度均显著增大.

表5　试样顶破强度测试结果Table 5　Test results of bursting strength of the samples

对于纱线相同、组织不同的试样，SPT1，SPT2和SPT3的顶破强度没有显著差异，但SPT4的顶破强度显著高于SPT5和SPT6.可能是由于SPT1，SPT2和SPT3试样的经、纬密相近，经、纬纱同时承受负荷，故顶破强度也较相近，而SPT4试样的经、纬密差异比SPT5和SPT6小，故其顶破强力比SPT5和SPT6的大.

对于纱线不同、组织结构相同的试样，SPT2和SPT3的顶破强度分别大于SPT5和SPT6的顶破强度，这是因为SPT2和SPT3的纱线线密度比SPT5和SPT6大.由此说明，对于斜纹组织试样而言，纱线线密度对试样的顶破强度影响较大.对于平纹试样，SPT4的顶破强度显著高于SPT1.这可能是一方面SPT4的经密大于SPT1，所以有更多的经纱承受顶破探头的作用；另一方面SPT1所用经纱的断裂强度为31.8 cN/tex，SPT4所用经纱的断裂强度为34.1 cN/tex.

值得一提的是，SPT4，SPT5和SPT6的顶破强度与其径向拉伸断裂强度的变化规律不一致，主要原因可能是管状织物径向拉伸断裂和顶破的机理不同，影响因素也有差异.测试径向拉伸强度时，径向拉伸力主要作用于纬纱上.影响径向拉伸强度的因素有纬纱的类型、织物组织类型(纬向浮长)等.在顶破强度测试时，变形能力小或强度低的纱线先断裂，即沿着经向和纬向相对撕裂；若经纬纱变形能力相近，则经纬纱接近同时断裂，顶破强力也较单系统受力时高.试样顶破强度主要影响因素为经、纬纱的力学性能和经纬密.

2.5顺应性

顺应性测试结果如表6所示.由表6可以看出，丝涤混构小口径人造血管的顺应性介于猪颈动脉[16]和SW之间，且本文所有试样顺应性随压力变化的规律是一致的，均在7.0～12.0 kPa时顺应性值最大，14.7～20.0 kPa时顺应性值最低.

表6　顺应性测试结果Table 6　Test results of compliance　%/(100 mmHg)

3　结　语

本文对自行研制的一系列丝涤混构小口径人造血管试样进行了详细的结构表征及性能测试，结果表明，采用机织管状成型的方法织制的丝涤混构小口径人造血管试样具有均匀稳定的结构和良好的力学性能，满足临床免预凝的应用要求.

纱线线密度与织物组织结构决定丝涤混构小口径人造血管中丝素的表达率与分布.本文所有人造血管试样的水渗透性值均不大于170 mL/(cm2·min)，使用前无需预凝.所有试样的径向拉伸强度均大于对照样SW；顶破强度也不低于对照样SW，且均优于犬股动脉；试样的顺应性均优于对照样SW.

由于Ⅲ类移植型医疗器械除了需要具备结构均匀稳定、力学性能良好外，还需具备良好的生物相容性.因此，评价并改善试样的生物相容性是未来研究的主要方向.

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Structure and Properties of the Silk-Polyester Interwoven Small-Diameter Vascular Prosthesis

GUANYing,GUANGuo-ping,YANGXiao-yuan,PENGLei,WANGLu

(Key Laboratory of Textile Science & Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China)

In order to obtain small-diameter vascular prosthesis with excellent mechanical properties and biocompatibility,a series of silk-polyester interwoven small-diameter vascular prostheses were designed and fabricated,in addition,their structure and mechanical properties were evaluated.The silk expression rate and distribution depended upon the yarn linear density and fabric structure.Overall,the radial strength of all the samples were superior to that of the commercial sample,the bursting strength of all the samples were no worse than that of SW,even better than that of the canine femoral artery.The water permeability of all the samples was lower than 170 mL/(cm2·min),which made the samples preclot-free.The compliance of all the samples was superior than that of SW.Key words: small-diameter vascular prosthesis; silk expression rate; polyester；water permeability; mechanical properties

1671-0444(2015)02-0167-06

2013-09-22

教育部博士点基金资助项目(20100075110001)；国家自然科学基金资助项目(51003014)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2232015A3-02)

关颖(1991—)，女，河南商丘人，博士研究生，研究方向为生物医用纺织品结构与性能.E-mail: ggyf1991@163.com

王璐(联系人)，女，教授，E-mail: wanglu@dhu.edu.cn

TS 106.67

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