涤纶基人工心脏瓣膜的设计制备及其物理和力学性能初探

李慧慧，陈诗萍，魏岑，秦思瑜，高晶，3，王璐，3

1.东华大学 纺织学院(上海, 201620）

2.纺织面料技术教育部重点实验室(上海, 201620）

3.纺织行业生物医用纺织材料与技术重点实验室(上海, 201620）

0 引言

心脏瓣膜是保证心脏血液循环定向流动的生物阀门。心脏瓣膜发生病变会影响人体正常的血液循环，严重瓣膜病患者需要用机械瓣或生物瓣进行人工瓣膜置换［1］。图1列举了目前研制出的几种人工心脏瓣膜植入物［2］。其中图1（a）所示的机械瓣具有良好的血流动力学特性，但易引发感染和血栓，患者需进行终生抗凝治疗。图1（b）所示的生物瓣具有良好的血液相容性，但极易钙化且耐久性较差［3］。经导管主动脉瓣置换术由于具备风险小、创伤小、患者术后恢复快等特点，已成为治疗高龄、重症患者的首选手术方案［4］。如图1（c）所示，目前临床上使用的介入瓣材质与外科生物瓣相同，瓣膜在装载压缩或球囊扩张时会因折叠变形受到损伤，从而导致其耐久性进一步降低。因此人们一直致力于更符合人体自身瓣膜结构且具有良好耐久性的新型人工瓣膜材料的研究。

图1 人工心脏瓣膜［2］Fig.1 Heart valve substitutes［2］

心脏瓣膜的主要成分是胶原纤维、弹性纤维和蛋白多糖基质［5］。其中胶原纤维主要沿周向排列，是瓣膜中的主要承力结构，弹性纤维沿径向排列可提供一定的弹性和抗张强度［6］。因此瓣膜组织具有正交各向异性的特性［7］，图2 所示为人体主动脉瓣的各向异性基质结构［8］。瓣膜组织的各向异性不仅影响其力学性能，而且影响血流动力学功能。因此探究瓣膜材料结构的力学各向异性对于瓣膜性能的研究具有重要的意义。

图2 人体主动脉瓣的各向异性基质结构［8］Fig.2 Anisotropic matrix structure of an aortic valve［8］

1 材料与方法

1.1 试验材料选择

涤纶具有优异的力学性能，涤纶材料作为人工心脏瓣膜缝合环的主要材料也已应用于临床［9］。与涤纶单丝相比，涤纶复丝成型的织物表面的孔隙更加均匀，且渗透性能更小，故本次实验采用涤纶复丝作为实验原料［10］。选择四种不同结构参数的涤纶复丝纱线为原料，其规格参数如表1所示。纱线力学性能在医用纺织品多功能强力仪YG(B)026G-500上测试得出。每种纱线试样测试10次，取平均值。

表1 实验纱线规格及其力学性能Tab. 1 Experimental yarn specifications and mechanical properties

1.2 涤纶基心脏瓣膜织物的制备

1.2.1 织物结构参数设计

瓣叶材料的厚度、渗透性能及力学性能是影响瓣膜正常生理功能的重要因素。而机织织物结构紧密，织造工艺参数可控，因此本实验采用机织成型工艺，使用剑杆自动小样织机进行涤纶基心脏瓣膜织物的制备。同时为进一步探究瓣叶织物结构参数与其各项性能之间的关联性，设计正交试验，通过改变织物的密度、纱线种类及组织结构，优化结构参数，从而制备得到基本满足瓣叶性能要求的织物。

1.2.2 正交试验设计

本实验分别以织物经密、织物纬密、纬纱种类及组织结构作为织物结构的影响因素，设计四因素三水平的正交试验，正交试验方案如表2所示。

1.2.3 涤纶基心脏瓣膜织物的织造

采用涤纶复丝Y1为经纱，不同结构参数的涤纶复丝 Y2、Y3和Y4为纬纱，依据正交试验方案表2，在全自动剑杆织机YASL2300-12-24上进行织造，坯布经低频超声波清洗15 min后烘干，制备得到试样织物，置于恒温恒湿实验室中24 h，进行各项指标测试。

表2 正交试验方案Tab. 2 Experimental yarn specifications and mechanical properties

1.3 涤纶基心脏瓣膜织物的物理和力学性能评价

1.3.1 织物厚度测试

在台式测厚仪（上海六棱仪器厂）上测试织物厚度，每个试样测试10次，取平均值。

1.3.2 织物水渗透性能测试

参 照 标 准ISO 7198:2016，在 贾 立 霞 等［11］设计搭建的纺织型人造血管水渗透性测试装置(CN03129179.1)上进行织物截面水渗透性的测试。在120 mmHg (1 mmHg=133.32 pa)的静水压下测试单位时间内透过样品单位面积的水流量，通过测试10 min内的水流体积，从而计算平均水渗透性[mL/(cm2·min)]。

1.3.3 织物力学拉伸性能测试

根据GB/T 3923-2013 《纺织品织物织物拉伸性能》，采用医用纺织品多功能强力仪YG(B)026G-500（温州市大荣纺织仪器有限公司），依次测量织物经向与纬向的拉伸断裂强度。每一块试样经向与纬向各测试3次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 织物厚度分析

瓣叶的厚度对于瓣膜的正常生理功能具有很大的影响，孙华保等［12］发现瓣膜相对较薄时，弹性较好，瓣口面积周边较薄，从而开口面积较大。王聪等［13］发现随着二尖瓣瓣膜厚度逐渐增大，瓣膜应力逐渐下降，瓣叶的闭合程度也随之降低。经导管瓣膜瓣叶较薄，才能装入小直径的输送鞘管，但同时又要有足够的厚度，以承受工作时产生的各种应力［14］。对于经导管瓣膜，瓣叶厚度一般为0.25 mm［15］。

图3所示为本次正交试验组合中9块织物的厚度测试结果。由图3可知试样1的厚度最小为0.177 mm，试样8的厚度最大为0.433 mm。而试样5的厚度为0.252 mm，最为接近经导管瓣叶厚度的要求，其对应的织物经纱采用150D/48f的涤纶复丝Y1，纬纱采用100D/36f的涤纶复丝Y4，经密400根/10 cm，纬密400根/10 cm，组织结构为平纹。

图3 9种实验方案制备的试样织物厚度Fig.3 The thickness of the sample fabric prepared by 9 experimental schemes

对织物厚度进行极差分析，结果表明织物的密度对于厚度的影响最为显著。随着织物密度的增大，织物的厚度不断增大。当织物经密和纬密分别为200根/10 cm和400根/10 cm时，织物的厚度较为满足瓣叶厚度的要求。因此本次实验中主要考虑织物经纬密对于涤纶基瓣叶厚度的影响。

2.2 渗透性分析

人工心脏瓣膜的渗透性能对于实现瓣膜的基本生理功能及保持良好的耐久性具有很大的意义。瓣叶材料的渗透性好，则血浆不易渗透至材料内部，同时血小板、纤维素、成纤维母细胞等不易在瓣叶表面附着，从而可以提高瓣膜的抗血栓性能和耐久性，并减少钙化［16］。

图4所示为织物的平均水渗透性，织物5、织物6、织物8和织物9的水渗透性能均低于300 mL/cm2/min，满足瓣叶织物对渗透性的要求。

图4 9种实验方案制备的试样织物的平均水渗透性Fig.4 The average water permeability of sample fabrics prepared by 9 experimental schemes

织物水渗透性的极差分析结果表明，织物的经密、纬密、纬纱种类和组织结构对于织物的水渗透性能均有较大的影响，随着经密和纬密的增大，织物的水渗透性不断降低。对于平纹和斜纹组织而言，平纹织物的水渗透性更小。

2.3 力学拉伸性能分析

心脏瓣膜是一种力学各向异性材料, 陈炜生等［6］对10名正常人的二尖瓣进行了一维拉伸实验，实验结果表明瓣膜周向的抗拉强度和弹性模量均比径向的抗拉强度和弹性模量高2～3倍。瓣膜优异的力学特性与其生理功能相适应，较大的周向弹性模量在瓣膜开启时承受拉伸负荷，较小的径向弹性模量使瓣膜在开闭时保持良好的柔韧性［22-23］。心脏瓣膜的各向异性不仅影响其力学性能，而且影响血流动力学。研究人工心脏瓣膜材料的力学性能对于瓣膜的其他生理功能的实现具有重要意义。

图5（a）所示为织物经纬向的弹性模量，从图中可知，织物的经向弹性模量均高于纬向弹性模量，且具有较大的差异性。因此可以采用涤纶基瓣叶的经向与纬向分别作为生物瓣叶的周向与径向。由图6（b）可知9块织物经纬向的弹性模量比范围为 1.58～1.87，9块织物均存在一定的力学各向异性。Radjeman［24］等对牛心包组织的力学各向异性进行了研究，实验结果表明牛心包周向弹性模量为径向弹性模量的2倍左右。因此在本次实验中织物6和织物7的力学各向异性最为接近牛心包生物瓣。

图5 9种实验方案制备的试样织物弹性模量Fig.5 Sample fabrics prepared by 9 experimental schemeselastic modulus

织物经纬向弹性模量极差分析结果表明，织物的经密纬密对于织物的弹性模量影响较为显著，随着经纬密的增加，织物的弹性模量不断增大。从组织结构的角度分析，平纹织物的模量高于斜纹织物。

2.4 基于正交试验结果的综合分析

表3综合了试样织物物理和力学性能结果。各因素对于涤纶基瓣叶织物的厚度、渗透性及经纬向弹性模量的影响具有一定的差异性。织物的经纬密越大，织物的厚度增加，经纬向弹性模量增大，渗透性越小。本次实验采用的三种纬纱中涤纶复丝Y2的弹性模量较低其对应织物的弹性模量也较低。平纹织物与斜纹织物相比，其渗透性更小，但是具有较高的模量。

表3 9种实验方案制备的试样织物物理和力学性能结果Tab. 3 The physical and mechanical properties of the sample fabrics prepared by 9 experimental schemes

在本次实验制备的9块织物中，织物6的厚度为0.283mm，其渗透性为199.69 mL/cm2/min，经纬向弹性模量比为1.87，综合各方面因素最为接近生物瓣叶的性能要求。其采用医用涤纶复丝(150D/48f)为经纱，医用涤纶复丝(150D/48f)为纬纱，织物经密400根/10m，纬密600根/10 cm，组织结构为2上2下斜纹组织。

3 结论

本研究以涤纶复丝为原料，通过设计正交试验，制备得到了不同组织结构参数的涤纶基人工瓣叶材料，并对其厚度、渗透性及力学性能进行了测试与评价。本次研究制备的9块试样的织物厚度范围为0.177 mm～0.433 mm，与生物瓣叶的厚度相比，涤纶基瓣叶织物可以在厚度性能方面满足要求。其中5个试样织物的渗透性能低于300 mL/(cm2·min)，证明涤纶基瓣叶可以满足生物瓣叶对于渗透性能的要求。通过调整织物结构参数，织物的经纬向弹性模量比可以接近生物瓣周向与径向的弹性模量比。其中正交试验组合6所制备的涤纶基瓣叶厚度为0.283 mm，其渗透性为199.69 mL/(cm2·min)，经纬向弹性模量比为1.87，最为接近牛心包生物瓣叶的性能要求。

本研究通过讨论不同纺织成型工艺参数对于涤纶基瓣叶性能的影响，初步探究了涤纶基瓣叶作为人工心脏瓣膜的可能性，为未来采用纺织基材料进行人工瓣膜研究提供了一定的依据。但还需要进一步深入研究仿真瓣叶的力学性能及其构效关系。