機織管狀人工韌帶的結構及性能研究

張 茜 莊興民 雷 敏 晏 雄

1. 東華大學紡織學院，上海 201620；2. 東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620

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機織管狀人工韌帶的結構及性能研究

張 茜1, 2莊興民1, 2雷 敏1, 2晏 雄1, 2

1. 東華大學紡織學院，上海 201620；2. 東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620

人體膝關節是人類運動受傷頻發的部位，對于膝關節韌帶損傷常用的治療方法是自體移植物和異體移植物的移植。但自體移植物與異體移植物存在一定的缺陷和來源少等問題，這使得人工韌帶移植治療方法具有較大的發展前景。采用三種不同線密度的滌綸紗線設計并織造12種管狀試樣，對試樣進行力學性能測試。試驗結果表明：當紗線線密度為22.2 dtex、經紗數為120根、每筘穿入數為6時，人工韌帶的強力為827 N、斷裂伸長率為57%，機織管狀人工韌帶的力學性能曲線接近于人體韌帶。可進一步研究人工韌帶的耐持久性及生物相容性，使人工韌帶成為人體韌帶的理想移植物。

機織管狀織物, 膝關節, 人工韌帶, 力學性能

膝關節是人體最大、結構最復雜的關節。膝關節交叉韌帶是連接關節兩骨或軟骨之間的纖維致密結締組織束或膜，主要由彈力纖維及膠原纖維組成[1]。膝關節交叉韌帶有前交叉韌帶和后交叉韌帶兩根，是穩定膝關節的主要結構，對膝關節的穩定起著至關重要的作用。膝關節不是桿臼式關節,它沒有牢固的骨性結構，主要依靠股四頭肌及內外側副韌帶和前后交叉韌帶保持其穩定性。其中任何一條韌帶斷裂或松馳，都可以使其穩定性遭受破壞，從而影響膝關節的功能[2]。在劇烈運動時，人體韌帶常由于受到非生理性的外力而導致挫傷，如受力后使得膝關節前交叉韌帶和后交叉韌帶的斷裂和損傷等。膝關節交叉韌帶斷裂損傷是人體運動較易發生的創傷。

目前對于輕微的韌帶損傷，臨床一般采用保守的治療方法，通常不進行手術治療，而對于韌帶斷裂需在早期或后期進行韌帶重建手術治療。臨床重建交叉韌帶使用的材料一般包括自體移植物、異體移植物和人工合成材料。自體和異體移植物重建交叉韌帶是目前的主流選擇，常見的是自體髕腱或半腱肌移植，但會引起自體供區的膝前疼痛等并發癥；而異體髕腱、跟腱、闊筋膜材料來源少，且存在早期的免疫排斥反應，導致出現生物長入延遲甚至有傳播疾病的危險。

人工韌帶可以極大地減少自體移植物和異體移植物存在的缺點。現有的人工韌帶材料主要包括碳纖維、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚乳酸等。結構方面的加工技術主要有機織、編織、針織及其復合結構。相比于編織等其他制造技術，機織技術可以在材料結構設計方面有更多的選擇，在保證人工韌帶強力的情況下結構更為穩定，還可以根據患者自身的情況來進行定制設計，適應不同患者的需求，使得人工韌帶能發揮出更好的作用。本試驗采用滌綸復絲作為織造材料織制了12種機織試樣，并對試樣進行力學性能測試。測試結果表明，機織管狀人工韌帶的拉伸性能曲線和人體韌帶極為相似，說明機織人工韌帶可以作為人體韌帶的移植物。

1 試驗

1.1 試驗材料及儀器

根據醫用移植物人工韌帶材料要求，試驗選用規格為11.1、16.7、22.2 dtex的滌綸低彈復絲，并在YG015型紗線強力測試儀上對復絲進行力學性能測試，結果如表1所示。

表1 滌綸復絲的拉伸性能

1.2 織造工藝參數設計

采用SUMAGH-SL7900型剛性劍桿小樣織機加工12種織物。其中，管狀織物的基礎組織為平紋組織，織造工藝參數變量為紗線線密度、每筘穿入數、總經紗根數。設計的織造工藝參數如表2所示，織造用紋板圖、經緯紗交織方式及織造試樣如圖1、圖2和圖3所示。

表2 織造工藝參數

圖1 織造用紋板圖

圖2 經緯紗交織方式

圖3 管狀人工韌帶

2 力學性能測試

采用YG-B026H型生物醫用材料多功能強力儀(溫州大榮儀器有限公司制造)測試管狀織物的力學性能，拉伸速度為50 mm/min，夾持距離為50 mm， 每種試樣測試5次，參照ISO 7198—1998的測試方法進行測試。剛度S=F/(l1-l0)，其中l1為試樣拉伸斷裂時的長度，單位為mm，l0=50 mm，F為5次最大強力的平均值。按照以上測試條件，對12種試樣進行軸向拉伸測試，數據處理結果如表3所示。

表3 織物的力學性能

分析歸納國內外研究者[3-6]在人體韌帶力學性能方面的研究情況得到表4。表中歸納了不同研究者研究的不同年齡段、不同性別的人體韌帶的斷裂強力及斷裂伸長率范圍。由表4可知，人體韌帶的強力范圍是350～2 390 N，年輕人的韌帶強力較大，斷裂伸長率也較大。

表4 人體韌帶的斷裂強力及斷裂伸長率

3 人工韌帶的力學性能結果分析

3.1 紗線線密度對強力的影響

圖4為不同紗線線密度試樣的拉伸強力與斷裂伸長曲線，圖中的最適強力范圍(表4中強力及伸長率的最小和最大值)由參考文獻[3-6]所得。

圖4 不同紗線線密度試樣的拉伸強力與斷裂伸長曲線

從圖4中可以看出，所制備的人工韌帶的強力都在最適強力范圍內，符合韌帶對強力的要求。另外，試樣的強力隨紗線線密度的增大而增大。原因是一方面與長絲本身的強力有關，另一方面是在相同的經紗根數和筘號的情況下，紗線越粗，組織結構越緊密，在織物變形不大的情況下織物的強力越大。由表3可知，在相同的經紗根數和筘號的情況下，斷裂伸長率也隨著紗線線密度的增大而增大。

3.2 每筘穿入數對強力的影響

圖5為不同筘穿入數試樣的拉伸強力與斷裂伸長曲線，圖中的最適強力范圍同3.1節。

從圖5中可以看出，所制備的人工韌帶的強力都在最適強力范圍內，且試樣的強力隨著紗線每筘穿入數的增加而增大。原因是在相同的經紗根數和經紗線密度的情況下，每筘穿入數越多，可以發揮強力的紗線越多，結構就越緊密，織物強力越大。由表3可知，在相同的經紗根數和線密度的情況下，斷裂伸長率也隨著紗線每筘穿入數的增加而增大。

3.3 經紗根數對強力的影響

圖6為不同經紗根數試樣的拉伸強力與斷裂伸長曲線，圖中的最適強力范圍同3.1節。

圖6 不同經紗根數試樣的拉伸強力與斷裂伸長曲線

從圖6中可看出，所制備的人工韌帶的強力都在最適強力范圍內，且隨著經紗根數的增加而增大。原因是在其他參數相同的情況下，在適當的織物變形范圍內，經紗根數越多，拉伸時發揮強力的紗線越多，織物強力越大。由表3可知，在相同的線密度和每筘穿入數的情況下，斷裂伸長率隨著經紗根數的增加呈下降趨勢。

4 結論

(1) 經紗根數對人工韌帶力學性能的影響最大，在相同的線密度和每筘穿入數的情況下，經紗根數增加時韌帶的強力變化最大。

(2) 當工藝參數為紗線線密度22.2 dtex、經紗根數120根、每筘穿入數6根時，人工韌帶的斷裂強力及斷裂伸長率均較好，強力為827 N，斷裂伸長率為57%，滿足人體韌帶的強力及伸長率要求，且人工韌帶的拉伸性能曲線與人體韌帶相似，可以作為人體韌帶的移植物。

[1] 關國平，關紅濤，王璐.韌帶損傷及人工韌帶應用與研究[J].生物醫學工程學進展，2013, 34(4): 234-238.

[2] 劉植珊，李光業. 膝關節韌帶損傷的早期治療[J].第二軍醫大學學報，1980(2):46-48.

[3] CLAES L，BURRI C, HERFARTH C. et al. Biomechanics eigenschaften human bander[J]. Alloplastischer Bandersatz,1983，42(3):12-19.

[4] DAUNER M. Erarbeitung der flechttechnologischen grundlagen fur eine kreuzbandprothese[D]. France:Stuttgart University,1999:51-78.

[5] KUEHN T. Entwicklung eines alloplastischen bandersatzes[D]. France:Technische Hochschule, 1998:30-69.

[6] WITZEL U. Consideration on the biomechanics of the knee joint with regard to ligament reconstruction, especially with a polyethylene-terephthalate alloplastic ligament (trevira ligament) [M]//Ligaments and Ligamentoplasties. Berlin: Springer-Verlag, 1997:227-243.

The structure and performance study of woven tubular artificial ligament

Zhang Qian1, 2， Zhuang Xingmin1, 2， Lei Min1, 2， Yan Xiong1, 2

1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China

The human knee-joint is a part where human frequent sports injuries happen. The common medical treatments are made by autotransplantation and allograft transplantation. However, the autograft and allografts have defects and few sources, which makes artificial ligament transplantation treatment have great prospects for development. Three kinds of polyester yarn, with different specifications, are used to design and weave out twelve woven tube samples. Mechanical performances are tested on these samples. The results show that when the yarn density is 22.2 dtex, the number of picks is 120, and the reeding number is 6, the broking load is 827 N, and the elongation at break is 57%. So the mechanical performance curves of the woven tubular artificial ligament are close to one of the human body ligament. It is feasible to further study the artificial ligament persistence resistance and biocompatibility, which makes artificial ligaments an ideal human body ligament graft in the future.

woven tubular， knee-joint， artificial ligament， mechanical performance

2015-06-03

張茜，女，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向為機織人工韌帶的生物力學性能

晏雄，E-mail: yaxi@dhu.edu.cn

TS156

A

1004-7093(2016)04-0020-04