三维纺织基疝修复假体的压缩性能定量研究

苗琳莉， 毛 迎， 李 彦， 孙红蕊， 关国平,3， 王富军,3， 王 璐,3

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620； 3. 东华大学 纺织生物医用材料科学与技术创新引智基地， 上海 201620)

三维纺织基疝修复假体的压缩性能定量研究

苗琳莉1,2， 毛 迎1,2， 李 彦1,2， 孙红蕊1， 关国平1,2,3， 王富军1,2,3， 王 璐1,2,3

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620； 3. 东华大学 纺织生物医用材料科学与技术创新引智基地， 上海 201620)

三维纺织基疝修复假体良好的抗压缩性能是保证疝气治疗无张力手术的关键，然而目前对于其抗压缩性能的评价尚无量化研究。为此，通过采用压缩仪探索定量表征三维纺织基疝修复假体抵抗压缩性能的测试方法及指标，进而获得影响测试结果的主要因素。结果表明：压缩仪测试可定量表征三维纺织基疝修复假体的压缩性能；压缩强力、应力松弛率和塑性变形率可较全面地评价三维纺织基疝修复假体的压缩性能；约束环直径和压缩量等测试参数对三维纺织基疝修复假体的抗压缩性能指标均有明显影响；三维疝修复假体的压缩测试最佳参数为3 cm直径约束环，30%压缩量。

三维疝修复补片； 压缩性能； 疝气； 聚丙烯； 压缩测试方法

疝气是常见的外科疾病，指人体组织或器官由于生理或病理性缺损或腹壁薄弱处产生突起[1]，其中腹股沟疝的发病率最高[2]，男、女性终生发病率分别为27%和3%[3]。据相关数据[4]统计，世界每年约有2 000万例疝修补手术，我国每年约有300万新发的腹股沟疝病人。1989年，现代无张力疝修补手术逐渐代替了传统的组织修复，术后疼痛轻，恢复快，初发疝修补术后复发率低于1%，复发性疝低于2%[5-6]。1982年，文献[7]首先报道了腹腔镜腹股沟疝修补术，1990年证实其具有术后恢复快和疼痛少的优点[8]。近20年来，无张力疝修补术和纺织基疝修复假体的出现，推动了腹股沟疝修补的发展。

目前，应用较多的纺织基疝修复假体材料有聚丙烯(PP)、聚酯(PET)、膨化聚四氟乙烯(ePTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等[9-11]。聚丙烯材料因具有相容性好、抗张强度性高、成本低等优点而被广泛用于外科手术中[12]。疝气修补术中常用的纺织基假体结构主要包括普通二维平片及三维补片2种。其中，三维纺织基疝修复假体通常是由二维平面结构材料经热处理所得，其外观形态从平面转为立体，不但可方便手术操作，还能更好地适应解剖结构。植入人体后，该结构的补片在受到腹腔压力的挤压时可分散压力，减小缺损边缘的应力集中，同时还具有一定刚度，不会因太柔软而发生外翻。基于上述优势，三维纺织基疝修复假体在被用于填塞法和疝环填充式手术中填补缺损疝环时，可使得腹腔压力对缺损腹横筋膜的冲击力得到缓解。研究表明，立体网塞良好的抗压缩性能是保证手术治疗成功的重要因素，然而对于具有瓣状圆锥形态的三维纺织基疝修复假体，国内外均缺乏标准化的力学性能评价方法，尤其是对抗压缩性能亟需研发量化方法予以表征。

基于本课题组前期研究获得的一系列结构形态良好的三维纺织基疝修复假体，本文着重于测试和表征该系列三维纺织基疝修复假体的抗压缩性能。

1 实验部分

1.1实验材料

选用5种不同基础结构的聚丙烯平片通过特殊模具热定型后得到的三维纺织基疝修复假体(见图1)，每种试样制备30个网塞样品，其物理结构如表1所示。其中试样厚度采用CH-12.7-BTSX数显千分台式测厚仪测得，孔隙率参照ISO 7198—1998《心血管植入物——人工血管》中的面积法，采用SMZ745T体视显微镜(尼康仪器(上海)有限公司)测得。其中高度是指试样顶点的垂直高度，用游标卡尺测量。

图1 三维纺织基疝修复假体Fig.1 3-D textile prostheses. (a) Sample appearance； (b) Compressive test status

试样编号厚度/mm孔隙率/%高度/mmA0504±00214271±2972331±098B0513±00104258±1822217±153C0532±00124332±1952106±145D0537±00124108±2062119±093E0530±00164128±3012218±124

1.2压缩实验方法的设计

三维纺织基疝修复假体用于疝修复时，受腹腔压力和人体活动如咳嗽、打喷嚏时产生的挤压力影响，发生一定程度的形变。此种受力情况与平面假体完全不同，因此需采用新的测试方法对其压缩性能进行测试。压缩性能反映了三维结构的体内移植物在一个方向上受力变形而引起整体的力学性能变化。本文利用YG061型径向压缩仪器，测试三维纺织基疝修复假体的压缩性能，反映其承载负荷能力、刚度和回弹性。

腹股沟疝根据缺损大小可分为3种类型：I型：≤1.5 cm；II型：1.5～3.0 cm；III型：≥3.0 cm[13]。或者，可分为小切口疝(<4 cm)，中切口疝(4～8 cm)[14]。本文选取III型和小切口疝缺损这2种临床常见尺寸，使用内径分别为3、4 cm，高度为0.5 cm的圆环作为试样测试时的约束环。参考人工血管压缩性能的常用压缩量50%[15]，并根据网塞结果特征，即压缩约20%接触褶皱花瓣，压缩约超过30%有应力平台特征，将压缩量分别设置为20%、30%和50%，模拟三维纺织基疝修复假体用于手术时底部受到约束，顶部承受压力的状态(见图1(b))。通过改变底部约束程度和受压程度，用于表现三维疝修复假体在患者体内的不同受力状态。

1.3压缩性能参数的表征

压缩强力反映三维纺织基疝修复假体抗挤压能力；弹性回复率反映其受外力挤压后回复原状的能力；塑性变形率反映其受到反复压力后产生的不可回复变形量；应力松弛率反映其在恒定应变下，所受应力随时间的衰减程度；抗压力保持率反映其在反复压力下的抵抗压缩能力[16]。上述指标较全面地表征三维纺织基疝修复假体的压缩性能，具体计算公式如下。

1.4统计分析

用SPSS 20.0.0软件对数据进行统计分析，所有数据值均表示为平均值±标准差，样本量为5。采用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；p<0.01时认为有极显著差异。

2 结果与讨论

2.1典型压缩曲线分析

三维纺织基疝修复假体的形态特殊，所以它的压缩曲线与其他管状织物的不同，其压缩曲线会随假体表面的折痕而出现轻微的波动。图2示出典型的三维纺织基疝修复假体压缩性能。

图2 压缩性能Fig.2 Compressive properties. (a) Typical compressive resilience curve；(b) Figures of compression process；(c) Typical compressive resilience curves of different compression

由图2可知，当压缩量约为4%时，三维纺织基疝修复假体开始出现屈服区，主要体现在形变量的增速逐渐加快，同时产生的塑性变形量逐渐变大。当压脚接触网塞的花瓣时(见图2(a)、(b)中的标记点①)，压缩模量增加，当压缩量超过30%时(见图2(a)、(b)中的标记点②)，压缩强力不再随着压脚的降低而增大。这是因为压脚面积比试样受压面积小，试样被压部分会向内凹陷，并随着压脚的降低继续向内凹陷，但三维纺织基疝修复假体外部花瓣褶皱处无变化。在这个过程中，假体受到的压缩强力改变很小。当压脚下降到某种程度时，三维纺织基疝修复假体的内部凹陷部分会牵引着外部花瓣下降，压缩强力从而开始升高(见图2(a)、(b)中的标记点③)。这时，三维纺织基疝修复所受的压缩量继续增加，在压缩量为50%时，压缩强力达到最大值(见图2(a)、(b)中的标记点④)。三维纺织基疝修复假体在被压缩后回复时的曲线比较光滑，在50%压缩量时，试样被压下去的凹陷处无法及时复原，如图2(b)中标记点⑤所示，压缩强力为0，对应图2(a)中标记点⑤，随着试样凹陷部位缓慢地回

复，压缩回复曲线开始表现出受力增大的现象(见图2(a)、(b)中的标记点⑥)。

2.2压缩量对压缩特征指标的影响

在不同压缩量的测试条件下，三维纺织基疝修复假体的压缩特征指标如表2～6所示。

表2 约束环(3 cm和4cm)的压缩强力Tab.2 Compressive strength of confinement rings( 3 cm and 4 cm) cN

表3 约束环(3 cm和4cm)的应力松弛率Tab.3 Stress relaxation rate of confinement rings( 3 cm and 4 cm) %

表4 约束环(3 cm和4cm)的抗压力保持率Tab.4 Compressive resistance retain of confinement rings(3 cm and 4 cm ) %

表5 约束环(3 cm和4cm)的弹性回复率Tab.5 Elastic recovery of confinement rings (3 cm and 4 cm) %

表6 约束环(3 cm和4 cm)时的塑性变形率Tab.6 Plastic deformation rate of confinement rings(3 cm and 4 cm) %

表2表明，当压缩量从20%增加到30%时，压缩强力明显变大，压缩量不断增大，但压缩强力的增幅并不显著。三维疝修复假体为三维立体圆锥形结构，测试时锥尖向上较为光滑，中部偏上的部分侧面开始出现褶皱，下部花瓣形结构起支撑作用，因此压缩量增大时仪器受到的阻力增加，表现为压缩强力增大。如表3所示，在3 cm约束环作用下，B、C、D、E试样的应力松弛率随着压缩量的增加而减小。在4 cm约束环作用下，A、C、E试样的应力松弛率随着压缩量的增大而先变大后减小。在压缩量为30%时，B和D试样的应力松弛率比20%时小，但20%和30%压缩量下的应力松弛率均无显著性差异，当试样在50%压缩量下测试时，应力松弛率均显著下降，且对于C、D、E试

样，20%和50%压缩量下的应力松弛率之间有显著性差异，因此当压缩量超过30%时，压缩量越大，三维疝修复假体的应力松弛率越小。表4表明，压缩量对三维疝修复假体的抗压力保持率的影响无明显规律。对表5、6数据分析可知，压缩量对试样的弹性回复率没有明显的影响，但对塑性变形率的影响非常显著，如2.1所述，当压缩量增加至50%时，部分弹性形变未能及时回复，三维疝修复假体的塑性变形量越大。综上可得出，利用压缩强力、应力松弛率和塑性变形率可较全面地评价三维纺织基疝修复假体的压缩性能。

2.3约束环对压缩性能的影响

表7示出基于方差分析法(ANVOA)的各压缩量下对约束环直径(3 cm和4cm)的t检验P值。

表7 不同压缩量下3 cm与4 cm约束环之间的t检验P值Tab.7 P values of 3 cm and 4 cm confinement rings under different compressions

由表7分析可知，约束环大小对各试样在不同压缩量下的压缩强力有显著影响，结合表2可知，在3 cm约束环作用下，试样的压缩强力为4 cm约束环作用的1.3～1.8倍。

由表3、4可知，各试样在不同压缩量时，3 cm约束环下的应力松弛率均大于4 cm约束环下的应力松弛率，抗压力保持率则反之。约束环大小对A试样在各压缩量下的应力松弛率和抗压力保持率均无显著影响，且对E试样在30%压缩量下的应力松弛率和抗压力保持率均无显著影响。由表5可知，试样在3 cm约束环作用下的弹性回复率要比在4 cm约束环作用下的小。在压缩量为20%时，A试样在3 cm约束环作用下的弹性回复率波动要大于

在4 cm约束环作用下的，但是约束环大小对其没有明显的影响；在压缩量为50%时，约束环大小仅对E试样有显著影响。由表6可知，在压缩量为20%和30%时，约束环大小对A试样的塑性变形率没有明显影响；但是对B、C、D和E试样的塑性变形率影响显著，而且试样在3 cm约束环作用下的塑性变形率大于4 cm约束环作用下的。

2.4约束环和压缩量对压缩强力的影响

对各三维疝修复假体在相同测试条件下的压缩强力进行单因素方差分析，结果如表8所示。表中数据表明，不同测试条件对压缩强力有显著影响，对其进行多重比较分析，表9示出多重比较分析中P>0.05的样本对。

表8 压缩强力ANVOA统计分析结果Tab.8 ANVOA statistical analysis on compressive strength

表9 压缩强力中无显著性差异的样品对 (P>0.05) Tab.9 Samples of compressive strength without significant difference (P>0.05)

在3 cm约束环作用下，当压缩量为20%时，各试样之间的压缩强力大小顺序为：B>A>C>D>E，其中A与B试样之间无显著性差异，且都仅与E试样之间的压缩强力有显著性差异，在不同测试条件下的压缩强力值均相近，且比C、D和E试样大。在压缩量为30%时，各试样之间的压缩强力表现为：A>B>C>D>E，A、B与C、D之间有显著性差异，C与E之间有显著性差异。在压缩量为50%时，各试样之间的压缩强力表现为：A>B>E>C>D，A、B与C、D、E之间有显著性差异。

当约束环直径为4 cm时，在20%的压缩量作用下，A与B试样、B与C试样都没有明显差异，且A、B试样均与D、E试样之间的差异显著，各试样的压缩强力顺序为：B>A>C>D>E。在压缩量为30%和50%时，A、B试样与C、D、E试样之间存在显著性差异，各试样压缩强力顺序为：A>B>C>D>E。

3 结 语

本文采用压缩仪对5种平片补片制备的圆锥体结构的三维纺织基疝修复假体进行力学性能表征，探索约束环直径和压缩量对三维纺织基疝修复假体的压缩强力、应力松弛率和抗压力保持率等压缩性能的影响。结果表明，压缩量和约束环直径都会对其压缩强力产生一定的影响。其中，压缩量越大，压缩强力和塑性变形率越大，当压缩量超过30%时，压缩量越大，应力松弛率越小。而压缩量对其抗压力保持率和弹性回复率基本没有影响。此外，约束环的直径越大，其抗压力保持率和弹性回复率越大，但压缩强力、应力松弛率和塑性变形率反而会越小。压缩量为50%时，网塞的部分结构无法及时恢复，故使用20%、30%的压缩量更能完整地表征网塞的压缩性能。

采用压缩仪测试可定量地表征三维纺织基疝修复假体的压缩性能，为国内设计三维纺织基疝修复假体时与国外产品进行对比提供了测试方法。压缩仪器还可对多层结构的三维疝修复假体进行测试，研究不同层数与结构对产品的力学性能影响，更有利于国内研发符合市场需求的新产品。

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Compressionperformancetestofthreedimensionaltextileprosthesesforherniarepair

MIAO Linli1,2， MAO Ying1,2， LI Yan1,2， SUN Hongrui1， GUAN Guoping1,2,3， WANG Fujun1,2,3， WANG Lu1,2,3

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofTextilesScienceandTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 3.ScientificandTechnologicalInnovationNetworkofBiomedicalTextileMaterials,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Compression performance of three dimensional hernia prostheses was key point in hernioplasties. However, standard for characterization and evaluation system of three dimensional hernia prostheses were not established. Therefore, compressometer was used to study the quantitative characterization method and parameters of compression performance of three dimensional hernia prostheses. The impacts of different test conditions on compression performance were analyzed. The results show that it is successful to quantitatively test compression performance of three dimensional hernia prostheses using compression equipment, and it is likely to perfectly characterize compression performance by compression strength, stress relaxation rate and plastic deformation rate. In addition, the impact of restraining ring and level of compression on compression performance are obvious. Three centimeters of restraining ring and 30% level of compression are the optimal parameters.

3-D hernia mesh; compression performance; hernia; polypropylene; compression test method

10.13475/j.fzxb.20161006407

TS 186.1

A

2016-10-22

2017-05-27

国家重点研发计划项目(2016YFB0303300-03)；高等学校学科创新引智计划项目(B07204)

苗琳莉(1990—)，女，硕士生。主要研究方向为生物医用纺织材料。王璐，通信作者，E-mail：wanglu@dhu.edu.cn。