经编疝修复补片的力学性能表征与临床意义

苗琳莉，徐 睿，NOOR Sanbhal ，王 璐，GUIDOIN Robert

(1. 东华大学 a. 纺织学院； b. 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620;2. 拉瓦尔大学 医学院, 魁北克 QC G1V 0A6)

经编疝修复补片的力学性能表征与临床意义

苗琳莉1a,1b，徐 睿1a,1b，NOOR Sanbhal1a,1b，王 璐1a,1b，GUIDOIN Robert2

(1. 东华大学 a. 纺织学院； b. 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620;2. 拉瓦尔大学 医学院, 魁北克 QC G1V 0A6)

对具有三针开口经缎组织的疝修复补片进行抗张强度、延伸性和刚度的测试与评价，提出临床应用的建议.在强度与延伸性上，顶破测试结果表明该结构补片的强度远大于腹壁的生理要求，但伸长率不能满足腹壁弹性要求.单向拉伸测试表明密度对比系数K影响其力学各向异性，K值较高时更符合腹壁的各向异性特点.缝合牵拉和纵向撕裂性能符合腹壁的力学要求，但当横向线圈被破坏时，横向撕裂强力显著降低.该结构补片的弯曲刚度有正反面差异，临床学者应重视材料的正反面刚度与纵横向的力学差异，在进行剪裁时应避免破坏横向线圈.

经编； 疝修复补片; 三针开口经缎组织; 力学性能; 各向异性; 刚度

疝气是外科常见疾病之一，现代无张力疝补术采用人工补片来加强腹股沟管后壁，已在业内获得广泛认可[1].目前，人工补片已成为普通外科的3大类医用材料之一[2]，其按照纺织结构分为机织补片(如Vicryl 机织补片)、非织补片(如Surgimesh WN)和经编补片(如Bard补片、Parietene补片等)[3]. Vicryl机织补片主要材料为聚乳酸(PLA)，尚不能达到修复腹壁所需的强度[4].非织补片虽有较好的临床效果[5]，但同机织补片一样，在目前的临床应用中较少.经编补片的应用最广泛，其力学性能良好，能够提高缺损腹壁的强度，网孔结构多样化并可促进组织生长.但不同材料与不同经编结构的补片有不同的力学性能，补片与腹壁生理力学特性不相符是影响疝复发风险、患者的不适感和术后生活质量的重要因素[6].目前，使用低质量、大孔径补片来改善腹壁顺应性，提高患者术后生活质量，已达成共识.轻量大孔网片也成为补片发展的趋势[7-8]，但仍没有一种补片达到理想目标[9].理想的疝修复补片在力学方面应具有对腹壁永久性修复和不改变腹壁顺应性的特点[3]，即有足够强度，符合生理特性的弹性和刚度.腹壁理论最大抗张强度为16 N/cm[10]，而男性腹壁组织在16 N/cm时的纵向伸长率为(23 ±7 )%，横向伸长率为(15±5) %，女性腹壁纵向伸长率为(32±17)%，横向伸长率为(17±5 )%；符合腹壁生理弹性的补片需在16 N/cm下有(25±7)%的伸长率[11].腹壁组织的单向拉伸至破坏的结果虽各有不同，但都表明腹壁组织的纵向抗拉强度小于横向，分别为5～15 N/cm，10～75 N/cm[12-15].

我国对补片的基础研究力度不足，研究方法不完善，无法为补片的创新提供强有力的指导.因此，从腹壁生物力学特性出发，对补片的强度、延伸性和刚度进行有效评价，分析结构对力学性能的影响，有助于为改善补片的结构和创新提供理论支撑.本文以三针开口经缎组织为基础，探讨了补片的抗张强度、延伸性和刚度的力学测试与试验方法，并与临床要求进行对比.

1 材料与方法

1.1 试验原料

本文采用东华大学纺织学院生物医用纺织品研究中心提供的三针开口经缎组织的聚丙烯补片，单丝直径为(0.157 ± 0.004) mm，补片的结构参数如表1所示，其中：K为横密与纵密的比值.

表 1 补片的结构参数

1.2 测试方法

1.2.1 补片的抗张强度

补片在植入人体后需要在其四周边缘经缝合线或疝钉固定，补片在腹压下应具有一定的抗张能力.单向拉伸是衡量补片抗张强度和力学各向异性的常用有效方法.顶破是另一种常用的力学评价方法，补片在顶破测试时四周被约束，比单向拉伸更符合临床受力情况.文献[16]表明一些补片在植入人体后存在固定边缘破裂的风险，大多数用于腹股沟疝修复的预成型补片，在中间有开口并形成圆孔，补片在腹压下应具有抗撕裂性能，缝合线固定处也应有抗边缘破裂的能力，故考察补片力学性能应同时考虑撕裂强度和缝合牵拉强度.

采用YG(B)026G型医用纺织品强力仪(温州大荣纺织仪器有限公司)对补片进行力学性能测试，样本数量为5.参照ASTM D5035—2011测试拉伸性能，试样大小为15 cm×5 cm，隔距为7.5 cm，拉伸速度为300 mm/min，预加张力为1 N.参照GB/T 19976—2005测试顶破性能，试样大小为9 cm × 9 cm，使用标准中规定的直径为38 mm的钢球进行测试，有效夹持直径为4.5 cm；另使用改造的内径为1.13 cm的夹持板，球形探头直径为10 mm，试样大小为5 cm × 5 cm，该规格可用于较小试样的测试，探头速度为305 mm/min，预加张力为1 N，根据式(1)计算顶破伸长率.参照ISO 7198—1998的缝合固位强度测试并加以改进测试缝合牵拉性能，试样大小为5 cm×5 cm，用金属缝合线在补片边缘1.5 cm处穿过，形成半环并夹持在下夹头中，上下夹头隔距为10 cm，拉伸速度为100 mm/min，预加张力为0.3 N，测试纵、横向的断裂强力.参照GB/T 3917.3—2009梯形撕裂法测试撕裂性能，试样大小为15 cm×7.5 cm，拉伸速度为100 mm/min，预加张力为1 N.另采用体视显微镜观察测试前的剪切口形态.

(1)

1.2.2 补片的延伸性

补片的延伸性即拉伸时的应变，表示在受拉力时的伸长变形能力的大小.补片在临床应用中不会承受一次性被破坏的应力，具有临床意义的延伸性应为小应力下的应变，本文考察16 N/cm下的伸长率.

1.2.3 补片的刚度

补片的弯曲刚度指抵抗弯曲方向形状变化的能力，悬臂梁法可直接得到弯曲刚度[17-18].本文使用LLY-01型电子硬挺度仪(莱州市电子仪器有限公司)，参照DIN 53362—2003，压板速度为0.3 cm/s，由式(2)和(3)计算单位面积抗弯刚度(B，mN×cm2).另外，以伸长到5%的应力与应变之比作为衡量补片在小应变下的刚度.

(2)

(3)

其中：F1为单位长度悬臂弯曲力，mN/cm；m为试样的质量，g;l为长度，cm;l0为试样弯曲长度，cm;g为重力加速度，m/s2.

1.2.4 数据处理与统计检验

使用SPSS-20.0软件对同一试样的纵、横向与正、反面进行独立T检验，用单因素方差分析对不同试样的同一性能测试结果进行多重比较分析，置信度为95%，p<0.05时有显著性差异.

2 结果与讨论

2.1 单向拉伸性能

单向拉伸的测试结果如表2所示. 由表2可知，试样A和B的纵向断裂强度超过75 N/cm，横向远大于15 N/cm；试样C的纵、横向断裂强力无显著性差别，断裂强度皆远大于15 N/cm，能够抵抗腹壁压力.各试样在16 N/cm下的纵、横向伸长率之间有显著性差异，除试样C的横向外，都能够达到(25±7)%.试样A在16 N/cm下的横向伸长率大于纵向，弹性模量小于纵向，纵向抗张强度优于横向，最接近腹壁各向异性特点，在放置补片时，需将补片横向沿腹壁纵向放置.试样B和C在16 N/cm下的纵向伸长率大于横向，弹性模量小于横向，故需将补片纵向沿腹壁纵向放置.该结构补片的横密越大，纵向断裂强力越大，初始弹性模量越大，断裂伸长率越小；纵密越大，横向断裂强力越大，初始弹性模量越大，断裂伸长率越小.因为横密越大，单位宽度内的纵行数越多，沿纵向拉伸时，有更多单丝同时受力.但试样C的纵密很高，单丝在编织时所受张力增大，与机器部件摩擦增多，使纵、横向强力均下降，横向延伸性显著下降.3个试样的纵密相差较大，横密相差不大，使横向断裂伸长率之间均有显著性差异，密度对比系数K越小，断裂强力的纵、横向差异越小，伸长率差异越大.

表 2 各试样的单向拉伸性能特征值

2.2 缝合牵拉性能

缝合牵拉强力的测试结果如表3所示.由表3可知，横向牵拉强力大于纵向，这与商用三针开口经缎组织补片(BardMesh)的缝合牵拉结果一致，但试样C的纵、横向之间无显著性差异[19].当使用0-PP缝合线穿过猪腹壁边缘1.5 cm进行缝合牵拉，缝合点数量为1时，缝合牵拉力至少为46 N[20]，本文中的补片的缝合牵拉强力均大于46 N，具有良好的抗缝合牵拉力.

表 3 各试样的缝合牵拉强力

2.3 撕裂性能

梯形撕裂的测试结果如表4所示.

表 4 各试样纵向撕裂特征值

由表4可知，各试样的纵向最大撕破力之间有显著性差异，横密越大，纵向撕破力越大.各试样的横向撕裂性能受剪切口形态的影响较大，详细数据如表5所示.撕裂切口的线圈形态与撕裂后补片的形态如图1所示.由表5可知，每个试样的横向撕破力均有一组较大值和一组较小值.根据每个试样的测试结果与相应剪切口形态，发现当切口沿延展线时(图1(a))，试样斜向继续撕裂(图1(b))，力值较大的(测试序号1～3)；当切口沿线圈时(图1(c))，试样沿切口方向继续撕裂(图1(d))，力值较小(测试序号4～6).表5中分别计算出各试样横向撕裂特征值在两种情况下的平均值，从峰值平均值来看，所有试样的纵向和当沿横向延展线剪开时都至少能够承受46 N的力，具有抗撕裂能力.试样B和C与A的比较可知，纵密越大，横向撕破力越大，但试样A与C之间无显著性差异，试样C的横向撕破力也因纵密过大而降低.由于纵向撕裂强力不受剪切口线圈形态的影响，预成型补片在进行裁剪时应沿纵向产生切口，避免破坏横向圈弧与圈柱的完整性，对横向进行剪裁时可沿延展线剪切.

表 5 各试样横向撕裂特征值

(a) 沿横向延展线的缺口(×20) (b) 沿横向延展线缺口的撕裂形态

(c) 沿横向线圈的缺口(×20) (d) 沿横向线圈缺口的撕裂形态

2.4 顶破性能

各试样的顶破测试结果如表6所示.由表6可知，所有试样的顶破强度大于16 N/cm，具有抵抗腹壁压力的能力，但仅试样A略能达到最低弹性要求.在单向拉伸中，非拉伸方向产生收缩，16 N/cm下的伸长率比顶破伸长率高，补片在实际受力时周围被束缚，故采用单向拉伸可能会过高评价其延伸性.

两种测试方法所得结果均为总密度越大，顶破强力越大，顶破位移和16 N/cm下的伸长率越小.试样C和B的总密度相近，用38 mm钢球测试时，试样C的顶破强力明显比试样B低.用10 mm钢球测试时，试样C的顶破强力仅比试样B略低且与试样B之间无显著性差异，顶破位移和16 N/cm下的伸长率比试样A和B大.试样在38 mm钢球有更多面积未与钢球接触，两种方法所得曲线(图2)差异很大，由于试样的有效夹持面积比不同，曲线的起始段斜率变化相反.K值越大，两种方法的强度相差越小，甚至几乎相同，可见测试方法对结果有很大影响，在引用数据时需注明测试方法.

表 6 各试样的顶破性能特征值

(a) 10 mm顶珠 (b) 38 mm顶珠

2.5 弯曲刚度

弯曲刚度的测试结果如表7所示.由表7可知，所有试样的横向抗弯刚度大于纵向，反面的抗弯刚度大于正面，且纵、横向之间以及正、反面之间都有显著性差异.横密越大，纵向抗弯刚度越大；纵密越大，横向抗弯刚度越大.由于纵密比横密之间相差的线圈数多，故仅横向有试样之间的显著性差异，密度对比系数越大，纵横向上的差别越小，这与单向拉伸的初始弹性模量结果一致，两种指标都可用于评价补片的刚度.

表 7 各试样的单位面积抗弯刚度

3 结论与展望

三针开口经缎补片的强度能够达到甚至超出腹壁最大抗张强度，但其延伸性仍需要改善. 该结构补片的缝合牵拉强力以及纵向撕裂强力能达到腹壁生理特性的要求，但当横向圈弧与圈柱被破坏，补片在横向受力时的抗撕裂能力显著下降.补片原料相同时，织物密度对其力学性能有很大影响，纵密不易过大，否则对各项强力均有不利影响，密度对比系数K影响其力学各向异性，K越小，纵横向之间的拉伸断裂强力的差异越小，伸长率的差异越大，较高K值的补片更符合腹壁各向异性的特点.单向拉伸曲线的初始模量与悬臂梁法测得的抗弯刚度结果一致，都能够表达补片的刚度，悬臂梁法还能够表达补片的正、反面差异.临床使用补片时应选择合适的方向放置补片，并重视补片正、反面刚度的差异，且应沿纵向或沿横向的延展线进行剪裁，避免破坏横向的线圈，补片在预成型的制备中也应遵循此原则.建议补片在设计中能够标明产品的力学特点和应避免裁剪的位置，有利于医生合理的应用材料，提高材料植入后的腹壁顺应性以及患者的术后生活质量.

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Characterization of Mechanical Properties of Warp Knitting Hernia Repair Mesh and the Clinical Significance

MIAOLin-li1a,1b,XURui1a,1b,NOORSanbhal1a,1b,WANGLu1a,1b,GUIDOINRobert2

(a. College of Textiles；b. Key Laboratory of Textile Science &Technology, Ministry of Education, 1.Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Faculty of Medicine, Lavel University, Quebec QC G1V 0A6， Canada)

Mechanical tests and evaluation on tensile strength, extension and stiffness of hernia repair mesh with three-needle open atlas stitch were performed，and suggestion for clinical application were proposed. For the strength and extension, the results of ball burst test demonstrated that the strength of the mesh was much higher than that physiological required for abdominal wall, however, the extension cannot satisfy the physiological elasticity. The results of tensile tests showed that the anisotropy of hernia repair mesh was influenced by the ratio (K) of course density to wale density, meshes with highKwas more in line with physiological requirement. The suture pull out strength and tear strength in longitudinal direction were conformed to the required mechanical property of abdominal wall, however, the tear strength in horizontal direction were greatly decreased when integral loops in horizontal direction were broken. Besides, bending stiffness of technical face and technical back were different, clinical researchers should pay more attention to the difference between front and back of the mesh. The damage of loops in horizontal directions should be avoided when cutting the mesh.

warp knitting； hernia repair mesh; three-needle open atlas stitch; mechanical property; anisotropy; stiffness

1671-0444 (2016)06

2015-11-16

苗琳莉(1990—)，女，河南卫辉人，硕士研究生，研究方向为医用人工补片. E-mail: miaolinli_1990@126.com 王 璐(联系人)，女，教授， E-mail: wanglu@dhu.edu.cn

TS 181.8

A