三維紡織基疝修復假體的壓縮性能定量研究

苗琳莉， 毛 迎， 李 彥， 孫紅蕊， 關國平,3， 王富軍,3， 王 璐,3

(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； 3. 東華大學 紡織生物醫用材料科學與技術創新引智基地， 上海 201620)

三維紡織基疝修復假體的壓縮性能定量研究

苗琳莉1,2， 毛 迎1,2， 李 彥1,2， 孫紅蕊1， 關國平1,2,3， 王富軍1,2,3， 王 璐1,2,3

(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； 3. 東華大學 紡織生物醫用材料科學與技術創新引智基地， 上海 201620)

三維紡織基疝修復假體良好的抗壓縮性能是保證疝氣治療無張力手術的關鍵，然而目前對于其抗壓縮性能的評價尚無量化研究。為此，通過采用壓縮儀探索定量表征三維紡織基疝修復假體抵抗壓縮性能的測試方法及指標，進而獲得影響測試結果的主要因素。結果表明：壓縮儀測試可定量表征三維紡織基疝修復假體的壓縮性能；壓縮強力、應力松弛率和塑性變形率可較全面地評價三維紡織基疝修復假體的壓縮性能；約束環直徑和壓縮量等測試參數對三維紡織基疝修復假體的抗壓縮性能指標均有明顯影響；三維疝修復假體的壓縮測試最佳參數為3 cm直徑約束環，30%壓縮量。

三維疝修復補片； 壓縮性能； 疝氣； 聚丙烯； 壓縮測試方法

疝氣是常見的外科疾病，指人體組織或器官由于生理或病理性缺損或腹壁薄弱處產生突起[1]，其中腹股溝疝的發病率最高[2]，男、女性終生發病率分別為27%和3%[3]。據相關數據[4]統計，世界每年約有2 000萬例疝修補手術，我國每年約有300萬新發的腹股溝疝病人。1989年，現代無張力疝修補手術逐漸代替了傳統的組織修復，術后疼痛輕，恢復快，初發疝修補術后復發率低于1%，復發性疝低于2%[5-6]。1982年，文獻[7]首先報道了腹腔鏡腹股溝疝修補術，1990年證實其具有術后恢復快和疼痛少的優點[8]。近20年來，無張力疝修補術和紡織基疝修復假體的出現，推動了腹股溝疝修補的發展。

目前，應用較多的紡織基疝修復假體材料有聚丙烯(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、抗張強度性高、成本低等優點而被廣泛用于外科手術中[12]。疝氣修補術中常用的紡織基假體結構主要包括普通二維平片及三維補片2種。其中，三維紡織基疝修復假體通常是由二維平面結構材料經熱處理所得，其外觀形態從平面轉為立體，不但可方便手術操作，還能更好地適應解剖結構。植入人體后，該結構的補片在受到腹腔壓力的擠壓時可分散壓力，減小缺損邊緣的應力集中，同時還具有一定剛度，不會因太柔軟而發生外翻。基于上述優勢，三維紡織基疝修復假體在被用于填塞法和疝環填充式手術中填補缺損疝環時，可使得腹腔壓力對缺損腹橫筋膜的沖擊力得到緩解。研究表明，立體網塞良好的抗壓縮性能是保證手術治療成功的重要因素，然而對于具有瓣狀圓錐形態的三維紡織基疝修復假體，國內外均缺乏標準化的力學性能評價方法，尤其是對抗壓縮性能亟需研發量化方法予以表征。

基于本課題組前期研究獲得的一系列結構形態良好的三維紡織基疝修復假體，本文著重于測試和表征該系列三維紡織基疝修復假體的抗壓縮性能。

1 實驗部分

1.1實驗材料

選用5種不同基礎結構的聚丙烯平片通過特殊模具熱定型后得到的三維紡織基疝修復假體(見圖1)，每種試樣制備30個網塞樣品，其物理結構如表1所示。其中試樣厚度采用CH-12.7-BTSX數顯千分臺式測厚儀測得，孔隙率參照ISO 7198—1998《心血管植入物——人工血管》中的面積法，采用SMZ745T體視顯微鏡(尼康儀器(上海)有限公司)測得。其中高度是指試樣頂點的垂直高度，用游標卡尺測量。

圖1 三維紡織基疝修復假體Fig.1 3-D textile prostheses. (a) Sample appearance； (b) Compressive test status

試樣編號厚度/mm孔隙率/%高度/mmA0504±00214271±2972331±098B0513±00104258±1822217±153C0532±00124332±1952106±145D0537±00124108±2062119±093E0530±00164128±3012218±124

1.2壓縮實驗方法的設計

三維紡織基疝修復假體用于疝修復時，受腹腔壓力和人體活動如咳嗽、打噴嚏時產生的擠壓力影響，發生一定程度的形變。此種受力情況與平面假體完全不同，因此需采用新的測試方法對其壓縮性能進行測試。壓縮性能反映了三維結構的體內移植物在一個方向上受力變形而引起整體的力學性能變化。本文利用YG061型徑向壓縮儀器，測試三維紡織基疝修復假體的壓縮性能，反映其承載負荷能力、剛度和回彈性。

腹股溝疝根據缺損大小可分為3種類型：I型：≤1.5 cm；II型：1.5～3.0 cm；III型：≥3.0 cm[13]。或者，可分為小切口疝(<4 cm)，中切口疝(4～8 cm)[14]。本文選取III型和小切口疝缺損這2種臨床常見尺寸，使用內徑分別為3、4 cm，高度為0.5 cm的圓環作為試樣測試時的約束環。參考人工血管壓縮性能的常用壓縮量50%[15]，并根據網塞結果特征，即壓縮約20%接觸褶皺花瓣，壓縮約超過30%有應力平臺特征，將壓縮量分別設置為20%、30%和50%，模擬三維紡織基疝修復假體用于手術時底部受到約束，頂部承受壓力的狀態(見圖1(b))。通過改變底部約束程度和受壓程度，用于表現三維疝修復假體在患者體內的不同受力狀態。

1.3壓縮性能參數的表征

壓縮強力反映三維紡織基疝修復假體抗擠壓能力；彈性回復率反映其受外力擠壓后回復原狀的能力；塑性變形率反映其受到反復壓力后產生的不可回復變形量；應力松弛率反映其在恒定應變下，所受應力隨時間的衰減程度；抗壓力保持率反映其在反復壓力下的抵抗壓縮能力[16]。上述指標較全面地表征三維紡織基疝修復假體的壓縮性能，具體計算公式如下。

1.4統計分析

用SPSS 20.0.0軟件對數據進行統計分析，所有數據值均表示為平均值±標準差，樣本量為5。采用t檢驗法比較樣本間的顯著性差異：p<0.05時認為有顯著差異；p<0.01時認為有極顯著差異。

2 結果與討論

2.1典型壓縮曲線分析

三維紡織基疝修復假體的形態特殊，所以它的壓縮曲線與其他管狀織物的不同，其壓縮曲線會隨假體表面的折痕而出現輕微的波動。圖2示出典型的三維紡織基疝修復假體壓縮性能。

圖2 壓縮性能Fig.2 Compressive properties. (a) Typical compressive resilience curve；(b) Figures of compression process；(c) Typical compressive resilience curves of different compression

由圖2可知，當壓縮量約為4%時，三維紡織基疝修復假體開始出現屈服區，主要體現在形變量的增速逐漸加快，同時產生的塑性變形量逐漸變大。當壓腳接觸網塞的花瓣時(見圖2(a)、(b)中的標記點①)，壓縮模量增加，當壓縮量超過30%時(見圖2(a)、(b)中的標記點②)，壓縮強力不再隨著壓腳的降低而增大。這是因為壓腳面積比試樣受壓面積小，試樣被壓部分會向內凹陷，并隨著壓腳的降低繼續向內凹陷，但三維紡織基疝修復假體外部花瓣褶皺處無變化。在這個過程中，假體受到的壓縮強力改變很小。當壓腳下降到某種程度時，三維紡織基疝修復假體的內部凹陷部分會牽引著外部花瓣下降，壓縮強力從而開始升高(見圖2(a)、(b)中的標記點③)。這時，三維紡織基疝修復所受的壓縮量繼續增加，在壓縮量為50%時，壓縮強力達到最大值(見圖2(a)、(b)中的標記點④)。三維紡織基疝修復假體在被壓縮后回復時的曲線比較光滑，在50%壓縮量時，試樣被壓下去的凹陷處無法及時復原，如圖2(b)中標記點⑤所示，壓縮強力為0，對應圖2(a)中標記點⑤，隨著試樣凹陷部位緩慢地回

復，壓縮回復曲線開始表現出受力增大的現象(見圖2(a)、(b)中的標記點⑥)。

2.2壓縮量對壓縮特征指標的影響

在不同壓縮量的測試條件下，三維紡織基疝修復假體的壓縮特征指標如表2～6所示。

表2 約束環(3 cm和4cm)的壓縮強力Tab.2 Compressive strength of confinement rings( 3 cm and 4 cm) cN

表3 約束環(3 cm和4cm)的應力松弛率Tab.3 Stress relaxation rate of confinement rings( 3 cm and 4 cm) %

表4 約束環(3 cm和4cm)的抗壓力保持率Tab.4 Compressive resistance retain of confinement rings(3 cm and 4 cm ) %

表5 約束環(3 cm和4cm)的彈性回復率Tab.5 Elastic recovery of confinement rings (3 cm and 4 cm) %

表6 約束環(3 cm和4 cm)時的塑性變形率Tab.6 Plastic deformation rate of confinement rings(3 cm and 4 cm) %

表2表明，當壓縮量從20%增加到30%時，壓縮強力明顯變大，壓縮量不斷增大，但壓縮強力的增幅并不顯著。三維疝修復假體為三維立體圓錐形結構，測試時錐尖向上較為光滑，中部偏上的部分側面開始出現褶皺，下部花瓣形結構起支撐作用，因此壓縮量增大時儀器受到的阻力增加，表現為壓縮強力增大。如表3所示，在3 cm約束環作用下，B、C、D、E試樣的應力松弛率隨著壓縮量的增加而減小。在4 cm約束環作用下，A、C、E試樣的應力松弛率隨著壓縮量的增大而先變大后減小。在壓縮量為30%時，B和D試樣的應力松弛率比20%時小，但20%和30%壓縮量下的應力松弛率均無顯著性差異，當試樣在50%壓縮量下測試時，應力松弛率均顯著下降，且對于C、D、E試

樣，20%和50%壓縮量下的應力松弛率之間有顯著性差異，因此當壓縮量超過30%時，壓縮量越大，三維疝修復假體的應力松弛率越小。表4表明，壓縮量對三維疝修復假體的抗壓力保持率的影響無明顯規律。對表5、6數據分析可知，壓縮量對試樣的彈性回復率沒有明顯的影響，但對塑性變形率的影響非常顯著，如2.1所述，當壓縮量增加至50%時，部分彈性形變未能及時回復，三維疝修復假體的塑性變形量越大。綜上可得出，利用壓縮強力、應力松弛率和塑性變形率可較全面地評價三維紡織基疝修復假體的壓縮性能。

2.3約束環對壓縮性能的影響

表7示出基于方差分析法(ANVOA)的各壓縮量下對約束環直徑(3 cm和4cm)的t檢驗P值。

表7 不同壓縮量下3 cm與4 cm約束環之間的t檢驗P值Tab.7 P values of 3 cm and 4 cm confinement rings under different compressions

由表7分析可知，約束環大小對各試樣在不同壓縮量下的壓縮強力有顯著影響，結合表2可知，在3 cm約束環作用下，試樣的壓縮強力為4 cm約束環作用的1.3～1.8倍。

由表3、4可知，各試樣在不同壓縮量時，3 cm約束環下的應力松弛率均大于4 cm約束環下的應力松弛率，抗壓力保持率則反之。約束環大小對A試樣在各壓縮量下的應力松弛率和抗壓力保持率均無顯著影響，且對E試樣在30%壓縮量下的應力松弛率和抗壓力保持率均無顯著影響。由表5可知，試樣在3 cm約束環作用下的彈性回復率要比在4 cm約束環作用下的小。在壓縮量為20%時，A試樣在3 cm約束環作用下的彈性回復率波動要大于

在4 cm約束環作用下的，但是約束環大小對其沒有明顯的影響；在壓縮量為50%時，約束環大小僅對E試樣有顯著影響。由表6可知，在壓縮量為20%和30%時，約束環大小對A試樣的塑性變形率沒有明顯影響；但是對B、C、D和E試樣的塑性變形率影響顯著，而且試樣在3 cm約束環作用下的塑性變形率大于4 cm約束環作用下的。

2.4約束環和壓縮量對壓縮強力的影響

對各三維疝修復假體在相同測試條件下的壓縮強力進行單因素方差分析，結果如表8所示。表中數據表明，不同測試條件對壓縮強力有顯著影響，對其進行多重比較分析，表9示出多重比較分析中P>0.05的樣本對。

表8 壓縮強力ANVOA統計分析結果Tab.8 ANVOA statistical analysis on compressive strength

表9 壓縮強力中無顯著性差異的樣品對 (P>0.05) Tab.9 Samples of compressive strength without significant difference (P>0.05)

在3 cm約束環作用下，當壓縮量為20%時，各試樣之間的壓縮強力大小順序為：B>A>C>D>E，其中A與B試樣之間無顯著性差異，且都僅與E試樣之間的壓縮強力有顯著性差異，在不同測試條件下的壓縮強力值均相近，且比C、D和E試樣大。在壓縮量為30%時，各試樣之間的壓縮強力表現為：A>B>C>D>E，A、B與C、D之間有顯著性差異，C與E之間有顯著性差異。在壓縮量為50%時，各試樣之間的壓縮強力表現為：A>B>E>C>D，A、B與C、D、E之間有顯著性差異。

當約束環直徑為4 cm時，在20%的壓縮量作用下，A與B試樣、B與C試樣都沒有明顯差異，且A、B試樣均與D、E試樣之間的差異顯著，各試樣的壓縮強力順序為：B>A>C>D>E。在壓縮量為30%和50%時，A、B試樣與C、D、E試樣之間存在顯著性差異，各試樣壓縮強力順序為：A>B>C>D>E。

3 結 語

本文采用壓縮儀對5種平片補片制備的圓錐體結構的三維紡織基疝修復假體進行力學性能表征，探索約束環直徑和壓縮量對三維紡織基疝修復假體的壓縮強力、應力松弛率和抗壓力保持率等壓縮性能的影響。結果表明，壓縮量和約束環直徑都會對其壓縮強力產生一定的影響。其中，壓縮量越大，壓縮強力和塑性變形率越大，當壓縮量超過30%時，壓縮量越大，應力松弛率越小。而壓縮量對其抗壓力保持率和彈性回復率基本沒有影響。此外，約束環的直徑越大，其抗壓力保持率和彈性回復率越大，但壓縮強力、應力松弛率和塑性變形率反而會越小。壓縮量為50%時，網塞的部分結構無法及時恢復，故使用20%、30%的壓縮量更能完整地表征網塞的壓縮性能。

采用壓縮儀測試可定量地表征三維紡織基疝修復假體的壓縮性能，為國內設計三維紡織基疝修復假體時與國外產品進行對比提供了測試方法。壓縮儀器還可對多層結構的三維疝修復假體進行測試，研究不同層數與結構對產品的力學性能影響，更有利于國內研發符合市場需求的新產品。

FZXB

[1] 牛俊功, 孫衛東, 王麥紅, 等. 成人疝 600例修補術式觀察[J]. 基層醫學論壇, 2009, 13(26): 857-858.

NIU Jungong, SUN Weidong, WANG Maihong, et al. 600 Cases hernioplasty observation of adult hernia[J]. Public Medical Forum Magazine, 2009, 13(26): 857-858.

[2] 楊松林. 腹壁疝外科診治的進展研究[J]. 中國醫藥指南, 2013, 11(4): 85-87.

YANG Songlin. The progression of surgical diagnosis and treatment of ventral hernia [J]. Guide of China Medicine, 2013, 11(4): 85-87.

[3] PRIMATESTA P, GOLDACRE M J. Inguinal hernia repair: incidence of elective and emergency surgery, readmission and mortality [J]. International Journal of Epidemiology, 1996, 25(4): 835-839.

[4] KINGSNORTH A, LEBLANC K. Hernias: inguinal and incisional [J]. The Lancet, 2003, 362(9395): 1561-1571.

[5] 李光新, 于振海. 腹股溝疝修補術的回顧與進展[J]. 中國現代普通外科進展, 2009,12(10): 882-883.

LI Guangxin, YU Zhenhai. Review and progress of inguinal hernia repair[J]. Chinese Journal of Current Advances in General Surgery, 2009, 12(10): 882-883.

[6] 余穎娜, 楊慶, 黃麗媛. 聚偏氟乙烯/聚丙烯復合型疝氣補片的制備[J]. 紡織學報, 2014, 35 (9): 25-30.

YU Yingna, YANG Qing, HUANG Liyuan. Preparation of polyvinglidene fluoride/polypropylene compound hernia patches [J]. Journal of Textile Research, 2014, 35(9):25-30.

[7] GER R. The management of certain abdominal herniae by intra-abdominal closure of the neck of the sac [J]. Annals of the Royal College of Surgeons of England, 1982, 64(5): 342-344.

[8] SCHULTZ L, GRABER J, PIETRAFITTA J, et al. Laser laparoscopic herniorraphy: a clinical trial preliminary results [J]. Journal of Laparoendoscopic Surgery, 1990, 1(1): 41-45.

[9] LUKASIEWICZ A, DREWA T. Synthetic implants in hernia surgery [J]. Advances in Clinical and Experimental Medicine, 2014, 23(1): 135-142.

[10] 劉園園, 劉鵬碧, 陳南梁. 體外加速降解對聚丙烯/聚乳酸可降解復合疝氣補片的影響 [J]. 紡織學報, 2015, 36 (12): 52-57.

LIU Yuanyuan, LIU Pengbi, CHEN Nanliang. Influence of accelerated degradation in vitro on polypropylene/polylactic acid biodegradable hernia patch[J]. Journal of Textile Research, 2015, 36 (12): 52-57.

[11] FURNéE E, HAZEBROEK E. Mesh in laparoscopic large hiatal hernia repair: a systematic review of the literature [J]. Surgical Endoscopy, 2013, 27(11): 3998-4008.

[12] 李洪秀, 李航宇, 趙作偉, 等. 普通外科3種生物材料國際發展態勢：基于湯森路透 Web of Science 數據庫的文獻計量結果分析 [J]. 中國組織工程研究, 2012, 16(3): 381-390.

LI Hongxiu, LI Hangyu, ZHAO Zuowei, et al. International development trends of three kinds of biological materials used in general surgery: a bibliometric analysis based on Web of Science data-base[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2012, 16(3): 381-390.

[13] 嚴順新, 李建, 仲召文, 等. 帽狀網塞應用于股疝疝修補術探討[J]. 中華疝和腹壁外科雜志(電子版), 2013, 7(2): 24-26.

YAN Shunxin, LI Jian, ZHONG Zhaowen, et al. Use of hat-shaped dictyo-stopper and plain film of herniamesh in repairing of cloquet′s hernia[J]. Chinese Journal of Hernia and Abdominal Wall Surgery(Electronic Edition) , 2013, 7(2): 24-26.

[14] 陳爽, 唐健雄. 腹壁切口疝診療指南[J]. 中國實用外科雜志, 2014, 34(6):487-489.

CHEN Shuang, TANG Jianxiong. Treatment guideline of incisional hernia[J]. Chinese Journal of Practical Surgery, 2014, 34(6):487-489.

[15] 王芳, 王文祖. 新型結構人工血管支架徑向壓縮性能研究 [J]. 產業用紡織品, 2007, 25(6): 25-28.

WANG Fang, WANG Wenzu. Study onthe radial compressive of property new structure blood vessel prosthesis stent [J]. Technical Textiles, 2007, 25(6): 25-28.

[16] 王芳.生物可降解人工血管支架的制備及性能研究[D]. 上海：東華大學，2007：48-57.

WANG Fang. Study of the fabrication andproperties of biodegradable blood vessel prosthesis stent[D]. Shanghai: Donghua University, 2007:48-57.

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

國家重點研發計劃項目(2016YFB0303300-03)；高等學校學科創新引智計劃項目(B07204)

苗琳莉(1990—)，女，碩士生。主要研究方向為生物醫用紡織材料。王璐，通信作者，E-mail：wanglu@dhu.edu.cn。