不同結(jié)構(gòu)聚丙烯疝修補(bǔ)片定型工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)

朱小倩，蔣金華， b，陳南梁， b，沈靜雅， 汪雪喬

(東華大學(xué)a. 紡織學(xué)院；b. 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620)

醫(yī)用紡織品是紡織技術(shù)領(lǐng)域的一個分支，其是紡織技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)的結(jié)合，具有很高的創(chuàng)新性和科技含量以及應(yīng)用價值。疝修補(bǔ)片(簡稱補(bǔ)片)是外科植入性醫(yī)用紡織品，其性能直接關(guān)系到術(shù)后人體疝的修復(fù)情況[1-3]。隨著人們生活水平的不斷提高，其患疝率也在逐年增長，但我國現(xiàn)在使用的補(bǔ)片大多從國外進(jìn)口，且國內(nèi)外對補(bǔ)片的研究大多數(shù)集中在臨床應(yīng)用和物理性能上，對于補(bǔ)片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)研究較少[4]。

熱定型是指織物在一定張力的條件下進(jìn)行適當(dāng)溫度和時間的熱處理，消除纖維內(nèi)應(yīng)力，使得織物結(jié)構(gòu)、尺寸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的方法[5]。熱定型對于補(bǔ)片的基本結(jié)構(gòu)有很大的影響。熱定型可以使補(bǔ)片保持在一定的形狀，并對于補(bǔ)片厚度、面密度以及孔隙率均有很大的影響。通過調(diào)整熱定型中的工藝參數(shù)來改變補(bǔ)片的基本性能，從而可以使補(bǔ)片滿足炎癥小、生物相容性好以及防粘連效果好的要求。因此，研究熱定型對補(bǔ)片基本性能的影響是非常必要的。

補(bǔ)片按面密度可分為3類，即重量型補(bǔ)片(70～100 g/m2)、中量型補(bǔ)片(30～60 g/m2)和輕量型補(bǔ)片(20～30 g/m2)。重量型補(bǔ)片的網(wǎng)孔較小，容易引起補(bǔ)片皺縮，但強(qiáng)力大。中、輕量型補(bǔ)片的網(wǎng)孔大，能有效減少異體反應(yīng)，更好地促進(jìn)組織長入，提高修補(bǔ)材料的順應(yīng)性，減少病患不適及疼痛感[6-7]。補(bǔ)片厚度對補(bǔ)片的性能影響很大，補(bǔ)片厚度越小，剛?cè)嵝栽胶茫隗w內(nèi)的順應(yīng)性就越好，可以減少炎癥的發(fā)生，同時減少異物感。在保證補(bǔ)片成形性的條件下，盡量減小補(bǔ)片的厚度。外植入補(bǔ)片置入人體后產(chǎn)生炎癥與否，或是否使組織纖維化，很大程度上取決于補(bǔ)片的孔隙率，同時補(bǔ)片網(wǎng)孔形態(tài)和大小決定了組織長入的能力[8]。孔隙率與補(bǔ)片的生物性能有很大的關(guān)系，較大的孔隙率能夠提高補(bǔ)片的生物相容性，同時降低疝修補(bǔ)中粘連的發(fā)生[9]。故補(bǔ)片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對于補(bǔ)片的力學(xué)性能、成形性、應(yīng)用于體內(nèi)的順應(yīng)性，以及生物相容性和防粘連性都有很大的影響，研究熱定型對補(bǔ)片結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響是非常重要的。本文主要以3種不同結(jié)構(gòu)聚丙烯補(bǔ)片為研究對象，采用正交試驗(yàn)討論后整理熱定型中溫度、時間、外加張力對補(bǔ)片基本參數(shù)的影響。

1 試驗(yàn)材料及測試指標(biāo)

1.1 試驗(yàn)材料

聚丙烯疝修補(bǔ)材料于1962年開始使用，是目前使用最廣泛的疝修補(bǔ)材料。這類補(bǔ)片由聚丙烯單絲在經(jīng)編機(jī)上編織成網(wǎng)，它的抗張強(qiáng)度高，耐化學(xué)腐蝕，同時也能刺激纖維組織增生，具有較好的抗感染能力，裁剪不會脫散，價格低廉[10-13]。本試驗(yàn)所用補(bǔ)片均采用直徑為0.15 mm的醫(yī)用級聚丙烯單絲編織而成，使用常州潤源經(jīng)編機(jī)械有限公司生產(chǎn)的RS4EL型拉舍爾經(jīng)編機(jī)，機(jī)號為E12。采用簡化的線圈模型估算送經(jīng)量，經(jīng)計(jì)算可知經(jīng)緞組織的第一把梳櫛GB1送經(jīng)量為2 743 mm/480橫列，第二把梳櫛GB2送經(jīng)量為2 353 mm/480橫列；經(jīng)平與經(jīng)緞復(fù)合組織的第一把梳櫛GB1送經(jīng)量為2 300 mm/480橫列，第二把梳櫛GB2送經(jīng)量為2250 mm/480橫列；變化經(jīng)平組織的第一把梳櫛GB1送經(jīng)量為2 880 mm/480橫列，第二把梳櫛GB2送經(jīng)量為2 650 mm/480橫列。牽拉密度保持一致均為10 橫列/cm，幅寬為1 m。本文研究的3種補(bǔ)片結(jié)構(gòu)圖及墊紗數(shù)碼圖如圖1所示。

(a) 經(jīng)緞

(b) 經(jīng)平與經(jīng)緞復(fù)合

(c) 變化經(jīng)平圖1 聚丙烯補(bǔ)片結(jié)構(gòu)圖與墊紗數(shù)碼圖Fig.1 Structure and lapping diagrams of polypropylene mesh

采用正交試驗(yàn)方法對補(bǔ)片進(jìn)行熱定型處理，正交試驗(yàn)中設(shè)定溫度、時間和外加張力3個因素，每個因素設(shè)定3個水平，如表1所示。聚丙烯單絲的結(jié)晶溫度約為110 ℃，熔融溫度約為160 ℃，試驗(yàn)得出，當(dāng)定型溫度為150 ℃左右，聚丙烯力學(xué)性能急劇下降，因此設(shè)定熱定型溫度水平為120、130、140 ℃。當(dāng)定型溫度為140 ℃和定型時間超過12 min時，聚丙烯單絲的拉伸強(qiáng)力小于10 N。為了保證長絲的力學(xué)性能，定型時間太短又無法使補(bǔ)片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，故定型時間設(shè)定為8、 10、 12 min。熱定型時纖維分子鏈會產(chǎn)生折疊，外加張力可阻止纖維分子鏈的折疊，纖維的力學(xué)性能會比松弛熱定型高，故適當(dāng)施加外加張力，又由于施加外加張力會使網(wǎng)孔變大，張力過大會使得補(bǔ)片的網(wǎng)孔過大。因此，外加張力設(shè)定為無張力、小張力、大張力3個水平，其中，小張力是指補(bǔ)片縱向伸長率為3.23%和橫向伸長率為2.56%，大張力是指補(bǔ)片縱向伸長率為8.60%和橫向伸長率為6.41%。

表1 熱定型試驗(yàn)方案Table 1 Heat setting experiment scheme

1.2 測試指標(biāo)

1.2.1 面密度

試驗(yàn)儀器為FA1004型電子天平，試樣大小為100 mm×100 mm，試驗(yàn)次數(shù)為3次，然后取平均值。

1.2.2 厚度

參照GB/T 3820—1997，試驗(yàn)儀器為YG141N型數(shù)字式織物厚度儀，儀器壓腳面積為2 000 mm2，壓腳直徑為50.46 mm，壓重時間為10 s，加壓重量為200 cN，壓腳下降速度為1.89 mm/s。試驗(yàn)次數(shù)為10次，然后取平均值。

1.2.3 孔隙率

采用圖像處理法計(jì)算補(bǔ)片的孔隙率。先用體視顯微鏡對補(bǔ)片進(jìn)行拍照，然后用Matlab軟件計(jì)算出最佳閾值，再使用Photoshop CS4圖像處理軟件對其進(jìn)行灰度處理，使其呈現(xiàn)灰度圖像，輸入Matlab算出的最佳閾值，使圖片變成黑白二色圖，最后根據(jù)像素比例算出孔隙率。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 厚度

3種不同組織補(bǔ)片分別經(jīng)9種熱定型方案處理后的厚度測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，在相同熱定型條件下不同組織補(bǔ)片之間厚度相差比較大，其中，變化經(jīng)平組織補(bǔ)片的厚度最大，其次是經(jīng)平與經(jīng)緞復(fù)合組織補(bǔ)片，最小的是經(jīng)緞組織補(bǔ)片。因?yàn)樽兓?jīng)平組織的延展線長，延展線越長則織物越厚實(shí)[14]。

表2 試樣厚度平均值Table 2 Average thickness value of samples mm

對表2中3種不同組織補(bǔ)片厚度平均值分別進(jìn)行顯著性分析。利用方差分析中的F檢驗(yàn)，假設(shè)：

H03組數(shù)據(jù)沒有顯著性差別；

H13組數(shù)據(jù)有顯著性差別。

M組間=S組間/V組間
M組內(nèi)=S組內(nèi)/V組內(nèi)

檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F=M組間/M組內(nèi)=8.057 1，按V1=2，V2=24查表得F0.05(2， 24)=3.40。

由此可知，F(xiàn)>F0.05(2， 24)，按照顯著性水平α= 0.05檢驗(yàn)，拒絕H0，接受H1，故這3組數(shù)據(jù)有顯著性差別。

不同溫度、時間、外加張力下補(bǔ)片厚度極差如表3所示。由表3可知，溫度對3種組織補(bǔ)片厚度的影響最大，其次是張力，最小是時間。

表3 試樣厚度極差表Table 3 Range of sample’s thickness mm

圖2 溫度水平、時間水平和外加張力水平下的補(bǔ)片厚度之和Fig.2 Sum of mesh thickness at temperature,time and external tension levels

溫度水平、時間水平、外加張力水平下的不同組織補(bǔ)片厚度之和如圖2所示。由圖2可知，3種組織的補(bǔ)片厚度隨溫度的升高而減小，隨張力的增大而減小，時間對補(bǔ)片厚度的影響很小。這是因?yàn)樵诙ㄐ瓦^程中補(bǔ)片從熱能中獲得能量，按照量能最低理論可知，溫度越高則織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放越充分，結(jié)構(gòu)越容易趨近量能最低的穩(wěn)定狀態(tài)，織物結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定，織物厚度越小。另外，張力越大，織物中聚丙烯長絲之間的接觸越緊密，特別是線圈連接處，屈曲扭轉(zhuǎn)的線圈會趨于平面化，故織物的厚度越小[15]。根據(jù)正交試驗(yàn)計(jì)算出當(dāng)經(jīng)緞組織、經(jīng)平與經(jīng)緞復(fù)合組織、變化經(jīng)平組織補(bǔ)片的定型溫度為140 ℃且外加大張力時，補(bǔ)片的厚度均最小，這與上述的分析結(jié)果一致。

2.2 面密度

3種不同組織補(bǔ)片分別經(jīng)9種熱定型方案處理后的面密度測試結(jié)果如表4所示。

表4 試樣面密度平均值Table 4 Average surface density of samples g/m2

對表4中經(jīng)緞組織補(bǔ)片、經(jīng)平與經(jīng)緞復(fù)合組織補(bǔ)片、變化經(jīng)平組織補(bǔ)片面密度平均值分別進(jìn)行顯著性分析。利用方差分析中的F檢驗(yàn)，假設(shè)：

H03組數(shù)據(jù)沒有顯著性差別；

H13組數(shù)據(jù)有顯著性差。

同理可得，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F=M組間/M組內(nèi)=15.7563，按V1=2，V2=24查表得F0.05(2，24)=3.40。

由此可知，F(xiàn)>F0.05(2，24)，按照顯著性水平α= 0.05檢驗(yàn)，拒絕H0，接受H1，故這3組數(shù)據(jù)有顯著性差別。

不同溫度、時間、外加張力下補(bǔ)片的面密度極差如表5所示。由表5可知，3種因素對經(jīng)緞組織補(bǔ)片面密度影響程度由大到小依次為外加張力、溫度、時間，對經(jīng)平與經(jīng)緞復(fù)合組織和變化經(jīng)平組織補(bǔ)片面密度影響程度由大到小依次均為外加張力、時間、溫度。

表5 試樣面密度極差表Table 5 Range of sample’s surface density g/m2

溫度水平、時間水平、外加張力水平的不同組織補(bǔ)片面密度之和如圖3所示。由圖3可知，外加張力對3種組織補(bǔ)片的面密度影響均最大，且面密度隨外加張力的增大而減小。這主要是因?yàn)橥饧訌埩Υ髸r補(bǔ)片網(wǎng)孔也大，單位面積內(nèi)線圈數(shù)減少，即單位面積內(nèi)單絲的質(zhì)量減少，故面密度減少。通過正交表計(jì)算出補(bǔ)片面密度最優(yōu)的工藝參數(shù)為120 ℃、 10 min、大張力(經(jīng)緞組織)，140 ℃、12 min、大張力(經(jīng)平與經(jīng)緞復(fù)合組織)，120 ℃、12 min、大張力(變化經(jīng)平組織)。

圖3 溫度水平、時間水平和外加張力水平的補(bǔ)片面密度之和Fig.3 Sum of mesh surface density at temperature,time,external tension levels

2.3 孔隙率

3種不同組織補(bǔ)片分別經(jīng)9種熱定型方案處理后的孔隙率測試結(jié)果如表6所示。由表6可知，3種組織補(bǔ)片的孔隙率絕大多數(shù)均超過50%。

表6 試樣孔隙率平均值Table 6 Average porosity value of samples %

對表6中經(jīng)緞組織補(bǔ)片、經(jīng)平與經(jīng)緞復(fù)合組織補(bǔ)片、變化經(jīng)平組織補(bǔ)片的孔隙率平均值分別進(jìn)行顯著性分析。利用方差分析中的F檢驗(yàn)，假設(shè)：

H03組數(shù)據(jù)沒有顯著性差別；

H13組數(shù)據(jù)有顯著性差別。

同理可得，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F=M組間/M組內(nèi)=16.1542，按V1=2，V2=24查表得F0.05(2，24)=3.40。

由此可知，F(xiàn)>F0.05(2，24)，按照顯著性水平α= 0.05檢驗(yàn)，拒絕H0，接受H1，故這3組數(shù)據(jù)有顯著性差別。

不同溫度、時間、外加張力下補(bǔ)片孔隙率極差如表7所示。3種因素對補(bǔ)片孔隙率的影響由大到小依次為外加張力、溫度、時間。

表7 試樣孔隙率極差表Table 7 Range of sample’s porosity %

溫度水平、時間水平、外加張力水平的不同組織補(bǔ)片孔隙率之和如圖4所示。由圖4可知，外加張力對本文的3種組織補(bǔ)片的孔隙率的影響均最大，除經(jīng)緞組織補(bǔ)片外，其他兩種組織補(bǔ)片的孔隙率均隨著外加張力的增大而增大。這是因?yàn)橥饧訌埩υ酱螅a(bǔ)片表面的擴(kuò)張程度越大，補(bǔ)片的密度減小，線圈的孔徑變大，從而導(dǎo)致補(bǔ)片的孔隙率增大。同時孔隙率的大小還與補(bǔ)片的送經(jīng)量和牽拉密度有關(guān)。從圖4中還可以看出，除經(jīng)緞組織外，補(bǔ)片孔隙率隨著溫度的增大而增大。熱定型溫度越高，補(bǔ)片獲得的能量越大，最小能量位置則越高，織物定型后的穩(wěn)定性越好[15]。在本試驗(yàn)中，當(dāng)溫度較低時，補(bǔ)片線圈產(chǎn)生回縮，補(bǔ)片的孔隙率有略微的減小；而當(dāng)溫度較高時，補(bǔ)片定型后穩(wěn)定性較好，線圈回縮小，因此孔隙率較大。由此可知，升高溫度可以使補(bǔ)片的孔隙率有所增大。

圖4 溫度水平、時間水平和外加張力水平的補(bǔ)片孔隙率之和Fig.4 Sum of mesh porosity at temperature,time,external tension levels

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)探討熱定型工藝參數(shù)(溫度、時間和外加張力)對3種組織補(bǔ)片(經(jīng)緞、經(jīng)平與經(jīng)緞復(fù)合、變化經(jīng)平)基本參數(shù)(厚度、面密度和孔隙率)的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 溫度對3種不同組織補(bǔ)片的厚度影響最大，補(bǔ)片的厚度隨著溫度和外加張力的增大而減小。外加張力對3種不同組織補(bǔ)片的面密度和孔隙率的影響最大，補(bǔ)片的面密度隨著外加張力的增大而減小，孔隙率隨著外加張力和溫度的增大而增大。

(2) 對于補(bǔ)片的基本參數(shù)而言，經(jīng)緞組織補(bǔ)片的熱定型優(yōu)選工藝參數(shù)為溫度140 ℃、時間10 min、大張力；經(jīng)平與經(jīng)緞復(fù)合組織和變化經(jīng)平組織補(bǔ)片的熱定型優(yōu)選工藝參數(shù)均為溫度140 ℃、時間12 min、 大張力。