丝涤混构小口径人造血管的设计与成型

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设计与成型

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)

理想的小口径人造血管产品需要同时具备良好的力学性能和生物相容性，目前尚无理想产品成功应用于临床.以真丝和涤纶长丝为原材料，真丝编织纱为经纱，在经改装的全自动剑杆织机上，成功地制备了丝涤混构小口径人造血管管坯，并对其进行脱胶处理.试验结果表明，制得的人造血管试样结构稳定、形态均匀，脱胶处理后人造血管试样的壁厚在0.3 mm内、内直径约4mm、紧度在100%左右.

真丝；涤纶；小口径人造血管；设计；制备

Design and Weaving of the Silk-Polyester Interwoven

据统计，美国每年大约有55万例需要进行旁路手术的病人，其中近8万人由于自体小口径血管缺乏而导致手术无法进行[1].常见的血管性疾病，如冠心病、心肌梗死、周边动脉粥样硬化症等，多是由小口径血管病变产生的疾病，由此造成的死亡占血管性疾病死亡人口的大多数[2].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，但是小口径(直径<6 mm)人造血管因其具有血流速度较慢、血压低等特点，易形成血栓或内膜异常增生，导致移植后血管远期通畅率低[3].因此，提高小口径人造血管的抗血栓和促内皮化性能，对于提高其远期通畅率具有重要意义.同时，人造血管还应具有优良的力学性能，能够承受体内血压的作用.前人多是通过表面改性的方法，如引入肝素、聚乙二醇(PEG)等，或采用表面涂层的方法，提高小口径人造血管的远期通畅率，但是效果仍不十分理想[4].

目前市场上可见的小口径人造血管有两种，分别是Vascutek®的小口径人造血管[5]和Thoratec公司的Vectra小口径人造血管，最小直径分别为6和5mm.现有的小口径人造血管中远期仍然容易发生阻塞，且临床资料较少，所以临床上还没有完全符合应用要求的小口径人造血管[6].为此，本文拟设计并制备一种力学性能及生物相容性兼顾的丝涤混构小口径人造血管，通过抗血栓及促内皮化的方式实现其中远期持久通畅.

真丝长期用于手术缝合线[7]，具有较好的环境稳定性[8]，且有利于内皮细胞增殖[9].研究表明，大口径真丝人造血管具有较好的生物相容性和力学性能[10]；真丝人造血管网孔适度，组织反应轻，新生内膜生长完整，但其保型性较差[11].而且，早期限于技术手段的原因，小口径真丝人造血管的织造较为困难，因此，真丝小口径人造血管的研究未能深入.以涤纶人造血管重建主动脉者，术后5年通畅率可达85%～95%[12].涤纶人造血管的力学性能好且长期通畅率高，在重建大口径血管方面目前没有异议.但纯涤纶材料的小口径人造血管应用仍不理想，其中远期通畅率大大降低[13].因此，本文结合丝素纤维良好的生物相容性和涤纶长丝良好的力学性能，设计并制备丝涤混构小口径人造血管，为解决小口径人造血管远期通畅率低这一问题做初步探索.

1 材料与方法

1.1 试验材料

本文选用两种医用级真丝股线和一种医用级涤纶复丝作为原材料，其具体规格及力学性能如表1所示.其中，纱线线密度和拉伸性能参照GB/T 3916测得，纱线直径在光学显微镜(尼康ECLIPSE E200型)下测试得到.

表1 纱线原料规格及力学性能Table 1 Yarn specification and mechanical properties

1.2 试验方法

1.2.1 经纱制备

本文经纱采用三股编织结构，即将三股真丝在自主设计的编织机上编织成纱线，以增加纱线的抱合力，提高其强力.采用编织纱是因为相同线密度的编织纱比相同线密度的合股加捻纱线抱合力更好，结构更稳定，不易起毛.在两种不同真丝试样的织造过程中，未出现编织纱断头的现象，说明本文的编织纱作为经纱是简便、有效且可行的[14].编织纱无需上浆、退浆即可直接织造，从而减少人造血管移植后发生炎症反应的可能，简化织造工艺.编织纱参数如表2所示.

表2 真丝编织纱规格及力学性能Table 2 Specification and mechanical properties of braided silk yarns

1.2.2 管状织物的制备

本文采用经改装的全自动剑杆织机[15]进行管状织物的一次成型制备.

(1) 丝涤人造血管的结构设计.组织图设计：首先根据织物用途和外观，选择合适的表组织，然后采用“底片反转法”确定里组织，再结合总经根数画出横截面图，由此确定管状织物的组织图.为了使管状织物上下层连接部分的组织具有连续性，表、里层经纱的排列比为1∶1，表、里纬纱的投纬比为1∶1.总经根数根据投纬方向和组织的纬向飞数进行修正.

本文经纱采用真丝编织纱、纬纱采用涤纶复丝，涤纶弹性优于真丝，使管状织物具有更好的径向顺应性.织物基本组织采用1/1平纹、2/2斜纹和1/3斜纹3种，制备具有不同管壁丝素表达率的管状织物.商用大口径机织人造血管经纬密度值并不是唯一的，一般经密约为5.00根/mm，纬密约为4.00根/mm[16-17].结合纱线线密度和实验室织机状况，确定本文的管状织物经密为5.00根/mm，纬密为4.00根/mm.管状织物的设计内直径为4mm.以A*和C分别为经、纬纱织制的1/1平纹、2/2斜纹和1/3斜纹管状织物，依次编号为SPT1，SPT2和SPT3；以B*和C分别为经、纬纱织制的1/1平纹、2/2斜纹和1/3斜纹管状织物，依次编号为SPT4，SPT5和SPT6.

(2) 管状织物的制备.在经改装的全自动剑杆织机上一次成型管状织物.总经根数为63根，8片综页，穿综方式为顺穿法，钢筘筘号为200筘/10cm，每筘4入.同时在管状织物的左右边缘处各穿入一根张力较大的特线，使管幅边缘处与管幅中间部位的经密保持一致，并保证折幅平整.特线不被织入织物内部，织物下机后即可被抽出.

(3) 后处理.碳酸钠水溶液能够有效地脱除真丝材料中的丝胶[18].本文经系列优化试验[19]，脱胶处理的优化工艺：质量分数为0.05%的碳酸钠水溶液，温度为(87±2)℃，水浴时间为90min，配合搅拌和适当的机械外力作用.脱胶时试样呈自由状态.

脱胶后的试样放入饱和苦味酸胭脂红溶液中，沸水浴加热5min染色，观察颜色.用饱和苦味酸胭脂红染色后，丝胶部分呈红色，丝素部分呈黄色，而涤纶不会被染色.

1.3 统计分析

采用Excel 2007进行数据的统计分析，用t检验法比较样本间的显著性差异，p<0.05时认为有显著差异.

2 结果与讨论

2.1 管坯宏观结构形态

图1是管坯试样及经后处理和热定型试样的实物照片.图2是管坯后处理前、后的光学显微镜照片.由图2可以看出，处理后真丝纱线直径变小，涤纶复丝在组织点处均匀铺散开，经纬纱线排列更均匀、紧密.由于处理后真丝纱线直径变小，含真丝织物的孔洞比处理前多，且平纹织物(SPT1)尤为明显.

图1 管状织物外观Fig.1 Appearance of tubular fabrics

图2 脱胶处理前后织物结构照片(×40)Fig.2 Photos of fabric construction before and after degumming (×40)

2.2 脱胶效果分析

图3和4分别为脱胶处理后的管状织物染色前后的照片.试验表明，管状织物经90min碳酸钠水溶液脱胶处理后，饱和苦味酸胭脂红溶液染色后的织物经纱呈黄色(RGB:145，91，59)，即丝素的颜色.说明通过现行的脱胶方法可以有效地除去织物表面的部分丝胶.

图3 脱胶处理后管状织物未染色照片Fig.3 Photos of degummed tubular fabrics without dyeing

图4 脱胶处理后管状织物染色照片Fig.4 Photos of degummed tubular fabrics with dyeing

2.3 管状织物经纬密

处理前后管状织物的经密和纬密如图5所示.由图5可以看出，管状织物在脱胶处理后经纬密均较脱胶处理前有所增加.这是因为经过脱胶处理，在化学试剂、热和机械共同作用下，纱线内应力减小，纱线的排布更为紧密.平纹管状织物经纬密均最小，这是因为平纹组织的交织点较多，所以经纬纱之间的摩擦阻力较大，织造时纬纱不容易打紧，脱胶时纱线间相对滑移能力较弱.

图5 脱胶处理前后管状织物的经、纬密Fig.5 Warp and weft count of tubular fabrics before and after degumming

2.4 壁厚

将管状织物沿侧边竖直剪开，展开平铺，并用厚度仪测其在一定压力下不同部位的厚度值，即管壁厚度.本文测量10个不同部位的管壁厚度取平均值.参照文献[20]，压脚压力设定为981Pa(10cN).壁厚主要由经纬纱的交织状态、屈曲波高和经纬纱粗细等决定.6种管状织物壁厚测试结果如表3所示.

表3 脱胶处理前后管状织物的管壁厚度Table 3 Thickness of tubular fabrics before and after degumming mm

由表3可以看出，SPT2和SPT6两种管状织物处理前后的壁厚无显著差异(p>0.05).SPT1，SPT4，SPT5试样处理前后壁厚有显著差异，且处理后试样壁厚增加(p<0.05)，只有SPT3试样处理后壁厚显著减小(p≪0.05).分析其原因，SPT1，SPT4，SPT5试样处理后其紧度增大，导致织物的屈曲波高增大，从而织物的壁厚增大.而SPT3中可能是因为真丝纱线粗，脱胶后纱线变细较多，即使结构调整，经纬密加大，但壁厚还是稍减小.

纱线相同、织物组织不同时，处理前各织物壁厚关系：SPT1>SPT2>SPT3，SPT6>SPT5>SPT4；处理后各织物壁厚关系：SPT1>SPT2>SPT3，SPT6>SPT5=SPT4.织物处理前后壁厚变化差异不明显.

纱线不同、织物组织相同时，SPT1-SPT4，SPT2-SPT5，SPT3-SPT6这3组管状织物壁厚均有显著差异.处理前：管状织物壁厚关系为SPT1>SPT4，SPT2>SPT5，SPT3>SPT6；处理后：管状织物壁厚规律与处理前一致.试验结果显示，织物组织相同、纱线不同的管状织物，纱线线密度增加，管状织物壁厚亦增加.

2.5 管状织物内直径

在织造过程中，纬纱张力、特线张力和刚度等都直接影响织物机上幅宽的变化，同时也导致织成后管状织物内径变化.由于人造血管内径与宿主血管内径的匹配程度对血管远期通畅率有重要影响[21]，所以织造过程中对管状织物管径的稳定控制显得尤为重要，本文分别测试了处理前后试样的管径.

本文的管径值通过数字式游标卡尺(精度：0.01mm) 测量管幅W(mm)和壁厚T(mm)后计算求得.管状织物内直径D1(mm)、外直径D2(mm)、壁厚T以及管幅的关系为

D2=D1+2T

(1)

(2)

管状织物各参数如图6所示.

图6 管状织物参数示意图Fig.6 Sketch of tubular fabric parameters

测量并计算得到管状织物处理前后的内直径如表4所示.由表4可以看出，除SPT3试样，处理后管状织物内直径都较处理前有所减小.主要是由于在后处理过程中，管状织物经过水浸润和热处理后，在织造过程中产生的内应力得以消除，纱线排列更为紧密，表现为内径减小.而根据前文，SPT3试样处理后其壁厚有明显减小，故其处理前后内直径差异不大.

纱线相同、织物组织不同时，管状织物内直径关系为SPT1>SPT2>SPT3，SPT4>SPT5>SPT6.造成管状织物内直径不同最主要原因是织物组织交织点数的不同，平纹组织交织点最多，在相同的织造条件下，平纹组织管状织物的织造打纬阻力最大，各纱线间不易发生相对滑移；1/3斜纹组织交织点较少，故在织造打纬时，纱线间较易发生滑移，经纱在纬纱张力作用下相互靠拢，所以1/3斜纹组织比平纹组织管状织物内径小.因此，在采用同种纱线进行管状织物织造时，为获得相同的织物管径，不同组织类型织物的纬纱张力关系应为平纹>2/2斜纹>1/3斜纹.在织造过程中，根据不同的组织类型调节织造的实时纬纱张力.同样，对比处理前后试样管径的变化情况可以发现，平纹织物的内直径变化最大，1/3斜纹织物的内直径变化相对较小.

由于在后处理前后试样的管径均出现不同程度的变化，所以在织造过程中，需要考虑到后处理时管径的收缩，设计并控制织造时管状织物的管径.

表4 脱胶处理前后管状织物的内直径Table 4 Internal diameter of tubular fabrics before and after degumming mm

2.6 织物紧度

织物紧度用于反映织物的紧密程度，包括经向紧度Ej、纬向紧度Ew和总紧度E，其计算式分别如式(3)～(5)所示.

(3)

(4)

E=Ej+Ew-0.01Ej·Ew

(5)

式中：dj和dw分别为经、纬纱直径(mm)；a和b分别为两根相邻经、纬纱间的平均中心距离(mm)；Pj和Pw分别为经、纬密(根/10cm).

根据实测的经、纬纱密度和纱线直径，计算得到各管状织物的总紧度如表5所示.由表5可以看出，管状织物处理前的总紧度均在96%以上，由于SPT4，SPT5，SPT6试样的经纱比SPT1，SPT2，SPT3试样的经纱细，因此前者的总紧度也较小.处理前，平纹试样总紧度最小，2/2斜纹和1/3斜纹试样总紧度相近.处理后，各管状试样中纱线应力减小，结构重排，纱线排列更为紧密、均匀，表现为管状织物的管径减小，织物总紧度增大，处理后织物的总紧度均达到100%左右.虽然脱胶处理使真丝纱线线密度减小，但织物的总紧度并没有因此降低.对本文的管状织物而言，纱线排列紧密对织物总紧度增大的影响大于纱线线密度减小的影响.脱胶处理不仅能去除真丝上不必要的丝胶成分，而且处理后纱线重排使织物结构更紧密，效果等同于紧密化处理.

表5 脱胶处理前后管状织物的总紧度Table 5 Cover factor of tubular fabrics before and after degumming %

3 结 语

本文在经改装的全自动剑杆织机上，成功地一次成型了一系列结构稳定、形态均匀的丝涤混构小口径人造血管管坯，并对其进行脱胶处理，对比了处理前后管状织物经纬密度、管壁厚度、管径及其总紧度的变化.研究表明，经脱胶处理后管状织物的壁厚在0.3 mm内、内直径约为4mm、紧度在100%左右.同时，初步探索了以编织纱为经纱，免上浆、退浆等工序的小口径人造血管管坯织造工艺.

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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)

Desired small-diameter vascular prosthesis should be with excellent mechanical properties and biocompatibility,however,there is no such artificial graft clinically.Silk-polyester interwoven small-diameter vascular prototypes were fabricated by the loom with braided silk yarns as the warp yarns，then，degumming was applied on the prototypes.The research result indicated that the fabricated small-diameter vascular prototypes were in stable structure and uniformed appearance，after degumming,the thickness of the wall was less than 0.3 mm,internal diameter was about 4mm,and the cover factor of the fabric was about 100%.

silk; polyester; small-diameter vascular prosthesis; design; fabrication

1671-0444(2015)01-0010-06

2013-09-22

国家自然科学基金资助项目(51003014)；教育部博士点基金资助项目(20100075110001)

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

A