聚乳酸經編盆底修補網片的制備與熱定型工藝

魯 瑤， 陳艷春， 張佩華

(東華大學 a. 紡織面料技術教育部重點實驗室；b. 紡織學院，上海 201620)

傳統的盆腔重建方式均為對薄弱的組織進行反復加固，很難建立一個強健和穩固的盆底系統以對抗腹壓強度，而應用網片不僅修補受損的組織，還可促使組織再生[1-2]。近年來，利用人工合成網片進行盆底重建的手術得到廣泛的推廣，人工合成的不可吸收網片材料具有堅固和應用方便等特點，展現了一定的優勢，但其所引發的并發癥也隨之而來，如感染和侵蝕，其發生率為2%～3%[3-4]。不可吸收材料的重量及整個網片的彈性都會影響修補材料的收縮性[5]。有研究證實，在疝修補手術中組織結疤時會造成網片20%～30%的收縮率[6]。若使用不可降解材料制備盆底修補網片，同樣也會導致類似的情況。

聚乳酸(polylactic acid, PLA)是美國食品與藥品監督管理局(FDA)認可的生物醫用材料，無毒且具有良好的生物相容性，常被用于組織工程或模仿細胞外基質，作為細胞生長等功能性材料[7-8]。PLA在盆底和疝補片的應用主要以PLA作為涂層制備復合型補片為多。例如，Parietene Progrip (Sofradim Production, Coviden, France)就是一種將PLA涂層于聚丙烯(polypropylene, PP)補片上制成的具有免縫合功能的復合補片[9]。文獻[10]將PLA納米薄片在補片植入過程中貼合于組織上方，以期獲得更好的組織相容性。文獻[11]制備出一種以PLA單絲編織而成的大孔補片，并證實這種補片具有明顯較小的收縮率和炎癥反應。以PLA材料制備的補片相比傳統的PP補片具有更小的炎癥反應，其可降解性還解決了補片長期植入發生遷移的風險。

本文選用可降解的PLA單絲為原料，制備出可吸收的盆底修補網片。通過將網片在不同的溫度(120～140℃)和時間(5～15 min)下熱定型，探討熱定型工藝對網片的結構參數和力學性能的影響。基于穩定的強力和較低的彎曲剛度，選擇適合PLA網片的熱定型工藝并對網片的生物相容性進行研究。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

本文所用的PLA單絲由東華大學纖維材料改性國家重點實驗室研制，單絲直徑為0.138mm，線密度為16.65 tex，斷裂強度為28.829cN/tex。單絲表面結構光滑(如圖1所示)。PLA的差示掃描量熱(DSC)圖譜如圖2所示。從圖2可以看出，PLA于145℃左右開始熔融，并在166℃左右達到熔融峰值。

圖1 PLA的顯微鏡照片Fig.1 Microscope image of PLA

圖2 PLA的DSC譜圖Fig.2 DSC thermogram of PLA

1.2 PLA盆底修補網片的結構設計與制備

為了在織物中形成網眼，必須使相鄰縱行在部分橫列中失去聯系，這種采用經編織物形成網孔的方法是最常見的。

本文設計的PLA盆底修補網片，優先選擇了三梳編鏈襯緯經編網孔組織，其墊紗工藝為

GB1：1-0/0-1//，滿穿；

GB2：0-0/2-2/1-1/3-3/0-0/3-3/1-1/2-2/0-0/3-3//,1穿1空；

GB3：3-3/1-1/2-2/0-0/3-3/0-0/2-2/1-1/3-3/0-0//，1穿1空。

編鏈加襯緯組織是經編中形成孔眼最常用的一種方法，可形成方格、六角等多種孔眼形狀[12]。編鏈使得織物縱向延伸性小，具有較好的尺寸穩定性。襯緯紗起著橫向連接、縱向加固的作用，同一橫列的兩把襯緯紗梳櫛針背反向對稱墊紗，使得織物結構更加穩定。本文制備PLA補片的步驟主要包括整經、編織和熱定型。

1.2.1 整經

整經質量的好壞直接關系到織造過程能否順利進行，以及織物質量的均勻和穩定[13]。本文所用的試樣整經線速度為200轉/min，分紗人字筘E24，一穿一空，盤頭規格為17.78 cm×17.78cm(7英寸×7英寸)，6個盤頭，每個盤頭69根紗。

1.2.2 編織

PLA盆底網片的上機密度為9.8橫列/cm，送經量GB1為(2 250±50)mm/rack，GB2為(830±50)mm/rack，GB3為(810±50)mm/rack。

1.2.3 熱定型

熱定型是指通過加熱使纖維及織物形態和尺寸保持相對穩定的過程[14]。本試驗選用R-3型自動定型烘干機，通過改變定型后網片的橫密和縱密來實現定型張力的量化。試樣所需裁剪的尺寸可通過下機縱橫密、目標縱橫密和針板尺寸計算得到，計算方法為

(1)

針板尺寸固定為280mm×126 mm， PLA 織物下機后實測目標縱密和橫密分別為15橫列/cm和9.5縱列/cm，熱定型后盆底網片的縱密和橫密所需要的目標密度分別為10橫列/cm和8.3縱列/cm。根據式(1)計算得到網片定型尺寸為186 mm×110mm。定型的溫度和時間根據PLA的熔點確定，即熱定型溫度為120～140℃，熱定型時間為5～15 min。對于熱定型試驗的設計見表1所示。

表1 PLA盆底修補網片的熱定型工藝參數Table 1 Heat-setting parameters of PLA pelvic floor repairing mesh

1.3 PLA盆底修補網片的性能測試

1.3.1 結構參數測試

(1) 厚度。參考GB/T 3820—1997，采用YG 141N型數字式織物厚度儀測試試樣厚度，取10次測試結果的平均值。

(2) 面密度。采用FA 2004A型電子天平，在溫度為(20±2)℃、相對濕度為(65±2)%的恒溫恒濕室里對調濕24h 的盆底修補網片進行稱重，測試5次，取其平均值。

(3) 孔隙率。采用計算機圖像處理方法計算網片孔隙率。用顯微鏡隨機拍攝圖像，將其導入計算機圖像處理軟件中進行處理。此處采用大律法閾值原理處理圖像，按照圖像的灰度特性，將圖像分割成背景和目標，文中背景為織物孔隙部分，目標為織物。孔隙率(P)為背景像素點占整幅圖像的百分比，其計算式為

(2)

式中：Nt為總的像素點數；Nw為白色像素點數。

1.3.2 力學性能測試

(1) 拉伸性能。參考GB/T 3923.1—1997，試驗采用儀器為HD 026N+型電子織物強力儀。由于PLA盆底修補網片所織樣品幅寬較小，僅為 14cm，因此試樣的經緯向測試規格按照測試標準縮小為 80mm×20mm，縱、橫向試樣各5塊，夾持隔距為80mm，拉伸速度為100mm/min，預加張力為2 N。

(2) 頂破性能。參考GBT 19976—2005，試驗采用儀器為HD026N+型電子織物強力儀。試樣為圓形，直徑為6 mm，試驗機升降速度為100mm/min，隔距為400mm，每塊試樣測試5次。

(3) 抗彎剛度。參考GB/T 18318—2001，本試驗將采用斜面懸臂法測量針織物縱橫向彎曲長度，縱橫試樣各3塊。抗彎剛度的計算如式(3)所示。

2）用戶行為（包括 PDP激活、RAU、TAU、QOS更新等）涉及到SGSN與GGSN間進行gtpc或者gptu交付的情況，一旦一條GTP消息沒有得到對端網元的正確響應，同樣將會上報“gtpc路徑斷”；

G=m×c3×10-3

(3)

式中：G為單位寬度的抗彎剛度，mN·cm ；m為試樣的面密度，g/m2；c為試樣的平均彎曲長度，cm。

(4) 拉脫強力。本試驗采用YG(B)026H—500型醫用紡織品多功能強力儀進行測試，拉脫試驗示意如圖3所示。試樣操作隔距為100mm，預加張力為0.1 N，拉伸速度為100mm/min。試驗中采用高強滌綸縫合線，縫合線從距織物邊緣3 mm 處孔洞中穿過，兩端被上夾頭夾住，被測試樣由下夾頭固定。縱、橫向試樣各5塊，試樣尺寸為50mm×50mm。

圖3 試樣拉脫試驗示意圖Fig.3 Schematic program of suture pull-off measurement

1.3.3 生物相容性的測試

(1) 手術方法。30只質量為2.0～2.3 kg的新西蘭大白兔(同濟大學附屬同濟醫院動物飼養中心提供)被隨機分為2組，分別為PLA網片組與假手術對照組。使用補片的試驗組中，每只動物植入兩張網片；假手術對照組的操作方法與網片組相同。

手術中，首先將動物背部脫毛后，由耳緣靜脈注射3%的麻醉劑戊巴比妥鈉。背部縱向切開長約3cm的切口，鈍性分離皮下筋膜，將5cm×3cm大小的補片平鋪埋植于皮下，在網片中央縫合固定(圖4)。埋植完畢后逐層縫合皮膚切緣。術后不使用抗生素，試驗期間所有動物均飼養在溫度為15～25℃和相對濕度為60%～70%的標準環境中，每天定時補給飼料與水。每組的5只動物分別于1個月、3個月、6個月后采用空氣栓塞法處死，并將補片及其周圍皮膚肌肉同時取材、固定。

圖4 植入動物背部的PLA盆底修復網片Fig.4 The PLA mesh being implanted on the back of animal

(2) 補片-組織的大體觀察。對試驗期間的補片-組織復合物進行觀察，記錄補片粘連、折疊、暴露等異常現象的發生率。

(3) 補片-組織的收縮率。收縮率采用補片-組織減少的面積與植入前面積比值表示。補片取出后立即采用透明薄膜描繪其輪廓邊緣，并將圖片輸入電腦中，通過Photoshop CS6讀取補片圖像部分的像素值，計算其與植入前圖像像素的比值，即得到補片收縮率。每組隨機抽取3個樣品進行測試，結果以重復試驗的平均值與標準差表示。

2 結果與討論

2.1 PLA盆底修補網片的結構參數

經過不同熱定型工藝后PLA網片的結構參數如表2所示。由表2可知，PLA 網片屬于重量型網片，網片的面密度為 87.88～97.35 g/m2，厚度為 0.593 9～0.703 7mm，孔隙率達到63.77%～69.21%。其中7#試樣面密度最小，孔隙率相對最大。溫度對網片的面密度影響較為明顯，溫度每升高10℃，面密度平均減少2 g/m2左右，厚度平均減少0.02～0.03 mm，孔隙率平均增大0.8%左右。而當溫度不變時，采用更長的定型時間導致網片的面密度增加，但對厚度以及孔隙率的影響不明顯。

表2 PLA盆底修補網片的結構參數Table 2 Structural parameters of PLA mesh

2.2 PLA盆底修補網片的力學性能分析

2.2.1 斷裂強力

熱定型后的PLA 盆底修補網片的縱向斷裂強力為94.3～186.7 N，橫向斷裂強力為25.1～74.3 N。定型溫度和定型時間對PLA盆底修補網片縱、橫向斷裂強力的影響情況如圖5所示。由圖5可知，網片的斷裂強力隨著定型溫度的升高總體呈增加趨勢。以溫度140℃定型后的PLA網片在縱、橫向皆具有最大的強力；但是當定型溫度從120℃升高至130℃時，網片的強力基本無變化。這可能是由于網片在140℃ 條件下加熱一段時間后，PLA 單絲的熱收縮現象嚴重，造成網片的線圈分布更為緊密。定型時間的變化對PLA網片的斷裂強力的影響無明顯的規律，增加定型時間并未造成網片強力的明顯損失。

(a) 縱向(b) 橫向

2.2.2 頂破強力

熱定型后PLA盆底修補網片的頂破強力為120.2～184.6 N。溫度和時間對網片頂破強力的影響如圖6所示。由圖6可知，頂破強力隨著定型溫度的升高顯著降低，在溫度為140℃的條件下定型后的PLA網片具有最低的頂破強力。與斷裂強力相似，定型時間對頂破強力無明顯影響。

圖6 溫度和時間對PLA修補網片頂破強力的影響Fig.6 The effect of temperature and time on the bursting strength of PLA mesh

2.2.3 抗彎剛度

PLA網片經過定型后的縱向抗彎剛度為234.04～522.72 mNcm，橫向抗彎剛度為44.13～87.59 mNcm。PLA網片的編鏈襯緯結構決定了其方向性特征，即網片沿縱向硬挺而橫向較為柔軟。溫度和時間對PLA網片抗彎剛度的影響如圖7所示。由圖7可知，隨著定型溫度的升高，網片的縱、橫向彎曲剛度明顯增加，PLA網片變得更加剛硬。隨著定型時間的增加，縱向彎曲剛度呈增加趨勢，而橫向彎曲剛度降低。結合斷裂強力的試驗結果可知，網片定型后由于單絲的收縮變得更為緊密，而網片的收縮主要沿彈性更好的橫向進行，導致網片的孔眼變得更為細長，因此網片的縱向彎曲剛度增加而橫向彎曲剛度降低。

(a) 縱向(b) 橫向

圖7溫度和時間對PLA盆底修補網片抗彎剛度的影響

Fig.7TheeffectoftemperatureandtimeonthebendingstiffnessofPLAmesh

2.2.4 縫線拉脫強力

PLA盆底修補網片的縱向縫合線拉脫強力為5.27～13.99 N，橫向縫合線拉脫強力為 21.03～33.6 N。溫度和時間對PLA網片縫線拉脫力的影響如圖8所示。由圖8可知，隨著定型溫度的升高，網片的縫線拉脫力呈降低的趨勢。網片的縫線拉脫力隨定型時間的變化并不明顯，并且無規律可尋。

總體而言，相比定型時間，定型溫度對PLA網片的結構參數以及力學性能的影響更為顯著。隨著溫度的升高，網片的斷裂強力增加，頂破強力降低，抗彎剛度增加，縫線拉脫強力降低。網片在高溫定型后性能改變明顯，網片變得更加脆硬并且易受沖擊的影響發生斷裂。因此過高的熱定型溫度并不適合于PLA網片。但是溫度過低又易導致網片定型不充分，孔眼形狀發生變化。試驗中發現，定型溫度為120和130℃所對應網片的力學性能極為相近，但是以130℃熱定型后的網片尺寸更為固定。基于希望網片具有穩定的強力以及較低的彎曲剛度，選擇PLA網片的熱定型工藝參數為溫度130℃和時間10 min。

(a) 縱向(b) 橫向

圖8溫度和時間對PLA盆底修補網片縫合線拉脫強力的影響

Fig.8Theeffectoftemperatureandtimeonthesuturepull-offforceofPLAmesh

2.3 PLA盆底修補網片的生物相容性分析

2.3.1 網片-組織的大體情況觀察

PLA網片暴露出體外的狀況如圖9所示。暴露是指補片通過磨損周圍組織，導致皮膚潰敗并露出體表的現象。網片在植入動物體后的期間，發現部分補片暴露出體外并且伴隨著周圍組織的膿腫和感染，補片暴露的發生率為13.33%(4/30)和假手術對照組相比具有統計學差異(P=0.018)。PLA網片的剛硬特點被認為是導致此現象的主要原因。

圖9 PLA網片暴露出動物體外Fig.9 The exposure of PLA mesh

2.3.2 網片-組織的收縮率

圖10 PLA網片的收縮現象Fig.10 The shrinkage phenomenon of PLA mesh

PLA網片的收縮現象如圖10所示。PLA網片的收縮率經測試為(2.15±0.26)%，網片基本沒有出現大幅度的變形以及尺寸縮小的現象，導致這一現象的主要原因是網片的厚重結構以及高剛度。厚重的結構使得網片不易受周圍肌肉運動的影響，網片不會被反復拉伸因而穩定了其作用面積。

通過對網片進行埋置試驗并對網片-組織的性能進行分析，發現PLA網片厚重、剛硬的特點雖然易導致暴露現象的發生，但是也穩定了網片的作用面積，表現為極小的收縮率。PLA網片的低收縮率優點是大部分輕量型的盆底補片所欠缺的。如植入體內的網片面積的大幅度減少，常常伴隨著網片在體內的蜷縮變形，并且導致術后復發甚至需要再次手術，這嚴重危害了患者的健康。

4 結 語

本文選用直徑為0.138 mm的PLA單絲，在機號為E20的經編小樣機上編織了三梳編鏈襯緯經編網孔組織，通過研究熱定型溫度和時間對網片的結構參數以及力學性能的影響，尋找較為適合本文制備的PLA盆底修補網片的定型工藝。所得結論如下：

(1) 隨著定型溫度的增加，PLA網片的斷裂強力增加，頂破強力降低，抗彎剛度增加，縫線拉脫強力降低。但是當定型溫度從120℃升高至130℃時，網片的力學性能變化不大。

(2) PLA網片的結構參數和力學性能隨定型溫度的變化不明顯，并且無固定規律可尋。但是當定型時間過長時，PLA網片的縱向彎曲剛度增加。

(3) 在對PLA網片充分定型，穩定其尺寸和形狀的基礎上，基于穩定的強力和較低的彎曲剛度，熱定型工藝進行選擇為：定型溫度為130℃和定型時間為10 min。

(4) 此定型工藝下的PLA網片雖然導致了一定的網片暴露現象(發生率為13.33%)，但是也使得網片具有極低的收縮率(2.15±0.26)%。低收縮的優點是盆底修復網片所迫切需要的重要性能之一，有利于避免術后疾病的復發。

參 考 文 獻

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