熱定形對經編疝氣補片的物理機械性能影響

張丹 陳慰來 祝國成

摘?要：以聚丙烯切片為原料，在實驗室制備的經緞疝氣補片在下機后卷曲度高，柔軟度不足，無法滿足疝氣補片臨床要求，為了提高經編疝氣補片的機械性能，實驗對經緞疝氣補片進行熱處理，通過對比不同熱定形條件下的拉伸斷裂強度、頂破強力、剛柔性能、折皺回復性，開發出能滿足臨床物理機械性能的疝氣補片。實驗研究了熱定形溫度和時間對補片物理機械性能的影響，發現熱定形條件為135 ℃、4 min，有利于改善補片的性能，解決補片在手術應用中的不足。

關鍵詞：聚丙烯;經編疝氣補片;熱定形;物理機械性能

中圖分類號：TS102.5

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）02-0043-05

Abstract：The warp knitted fabric for hernia repair prepared by using polypropylene slice as the raw material has high crimpness and insufficient softness， and cannot meet clinical requirements of knitted fabric for hernia repair. To improve mechanical properties of warp knitted fabric for hernia repair， heat treatment was conducted for warp knitted fabric for hernia repair. The knitted fabric for hernia repair meeting clinical physical and mechanical properties was developed through comparing the tensile strength， bursting strength， rigid and flexible properties and wrinkle recovery under different heat setting conditions. The effect of heat setting temperature and time on the mechanical properties of the patch was studied. It was found that the best heat setting condition was 135 ℃ for 4 min， which could improve the performance of the patch and solve the deficiency of the patch in operation.

Key words：polypropylene; warp knitted fabric for hernia repair; heat setting; physical and mechanical property

人體內某個臟器或組織的一部分，由于先天或后天的原因，通過人體間隙、缺損或薄弱部位進入另一部位，而導致的疾病稱為“疝氣”[1]。疝氣是普外科的常見病和多發病之一，據相關資料顯示：世界上每年約有2 000萬例疝修補手術[2]，其中80%的手術需要用到疝氣補片[3]

無張力疝修補術是目前應用最廣泛的疝修復手術方式，由聚丙烯單絲構成的經編針織物被廣泛用作疝氣補片[4]。疝氣補片植入人體內的主要作用是抵抗人體內部壓強，支撐新生組織，所以補片必須具有穩定的結構、足夠的強度和柔軟度[5]。因此衡量修補網質量的主要物理機械性能由拉伸斷裂強度、頂破強度、剛柔性能、折皺回復性等指標組成。

通過查閱資料以及與國外同類樣品的比較分析，本文運用了三針經緞組織聚丙烯疝氣補片。然而在實驗室制備的聚丙烯經編疝氣補片下機后卷曲度高，質感較硬，無法滿足臨床使用，為了提高經編疝氣補片的平整度和柔軟度，實驗對疝氣補片進行了熱定形處理，研究了不同熱定形溫度和時間對疝氣補片主要的物理機械性能的影響，并得出了最佳后整理工藝參數，有利于改善補片的性能，解決補片在手術應用中的不足。

1?試?驗

1.1?試驗材料及儀器

試驗材料：采用20 tex聚丙烯單絲（聚丙烯切片來自北方華錦化學工業集團有限公司，單絲由實驗室自制），在Karl Mayer HKS4經編機上一穿一空織造經緞疝氣補片。織造的經緞疝氣補片基本性能如表1所示。

試驗儀器：Pyris Diamond差示掃描熱量儀（PerkinElmer CO.， LTD）;Labtrc連續式烘焙機（Newave LAB Equipments CO.， LTD.）;YG（B）141D數字式織物厚度儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）;高強材料萬能試驗機（Instron CO.， LTD）;LLY-01型電子硬挺度儀（萊州市電子儀器有限公司）;YG031D-500電子強力機（溫州方圓儀器有限公司）;YG（B）541E智能式織物折皺彈性儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）。

1.2?試驗方法

1.2.1?試樣處理

將試驗用聚丙烯單絲進行DSC掃描：聚丙烯單絲的結晶溫度110 ℃，熔點160 ℃左右。因此實驗選取120、125、130、135、140 ℃5種定形溫度，選擇2、4 min兩種時長，并設置空白對照。裁取1.8 m×0.3 m的試樣，調節傳送帶寬度為30 cm，將織物固定在傳送帶的針板上，送入Labtrc連續式烘焙機定形。

1.2.2?物理機械性能試驗

剛柔性能：參照國家標準ZBW 04003—1987《織物硬挺度試驗方法 斜面懸臂法》，使用LLY-01型電子硬挺度儀，測得試樣的滑出長度，并根據式（1）計算抗彎長度。折皺回復性：參照國家標準GB/T 3819—1997《紡織品 織物折痕回復性的測定 回復角法》，采用YG（B）541E智能式織物折皺彈性儀進行測試。頂破強力：測試采用鋼球法，參照國家標準GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法》，用YG031D-500電子強力機進行頂破強力測試。拉伸斷裂強度：用高強材料萬能試驗機，按照國家標準GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 條樣法》進行測試。每組實驗重復5次。

2?結果與討論

2.1?DSC曲線分析

如圖1所示，實驗制備的聚丙烯單絲的結晶溫度為115.75 ℃，熔融溫度為167.72 ℃，比普通聚丙烯具有更高的結晶度，有利于在熱定形中改善物理機械性能。根據DSC分析可以選擇定形溫度為120～160 ℃之間，但由于實際操作中，150 ℃和160 ℃過高，導致補片各方面性能大幅下降，因此選用的溫度為120～140 ℃。

2.2?熱定形對疝氣補片基本性能的影響

厚度、織物平方米質量與各項力學性能息息相關，因此在分析熱定形對各項力學性能的影響前，須對補片的厚度、平方米質量進行分析。

表2、表3分別是不同熱定形條件下補片的厚度、平方米質量變化表。從表2中可以發現定形條件的變化會改變織物厚度。在定形時間為2 min時，厚度隨著溫度的增加而減小，而在定形時間為4 min時，厚度先增加后減小。但與未定形的補片相比，熱定形使織物厚度下降。

從表3中可以發現定形條件的變化會改變織物密度，且定形時間對織物密度的影響大于定形溫度對于織物密度的影響。在定形時間相同時，織物密度隨著溫度的增加而增加，在定形溫度相同時，織物密度隨著定形時間增加而增加，呈正相關。

人工材料誘發的生物反應程度取決于材料及使用量[6]，因此在臨床上要求疝氣補片具有“薄型、質輕”的特點，因此較好的熱定形條件是120 ℃、2 min。

2.3?熱定形對拉伸斷裂強度的影響

圖2是根據Origin軟件結合10組拉伸斷裂強度平均值繪制的不同定形時間織物經/緯向拉伸強力-溫度曲線。

從圖2中可以發現：在120～135 ℃之間，拉伸斷裂強度隨著溫度的升高而上升，到135 ℃時，經向拉伸斷裂強度達到最大，從微觀角度而言，高分子材料在受到熱及外力的作用下，其分子鏈的構象重新調整，內應力消除。因此，熱定形工藝可改善單絲在成形過程中結構的不完善，增加線圈結構單元的穩定性;而140 ℃時，聚丙烯開始進入熔融峰區，也就是軟化點溫度，分子開始變得雜亂，結晶度開始下降，單絲的強力開始大幅地下降，同時單絲進一步收縮，使得織物更加緊密，織物的強力有了極大的降低;由于織物經向兩邊固定在針板后，送入定形設備，因此緯向定形有一定張力，其斷裂強度變化比經向相對較少。

疝氣補片應用于臨床，需與人體腹壁生理特性相適應才能達到優良的遠期臨床效果。根據資料[7]，人體在跳躍時腹壓最大約為16 N/cm（即抗張強度為170 mmHg），因此不同熱定形條件下的疝氣補片強度滿足且遠高于臨床要求。

2.4?熱定形對疝氣補片頂破強力的影響

從圖3中可以看出，熱定形處理極大地提高了補片頂破強力，且定形溫度對織物密度的影響大于定形時長對于頂破強力的影響。當溫度上升到玻璃化溫度以上，熔融溫度以下時，隨著溫度的上升，聚丙烯單絲內的內應力被去除，分子鏈被排列成有序狀態，織物整體的緊密程度大幅地增加，內應力有了進一步的釋放，織物的頂破強力有了很大的提高。從圖3中看出，135 ℃、4 min的熱定形條件下，兩者作用達到最佳，頂破強力為619.5 N。

疝氣補片作為修復人體組織缺損的“補丁”，要能夠承受腹腔內某一時段內某一股集中性腹壓的頂、壓作用，避免擴張至破裂導致疝氣原位復發。而織物在擴張至破裂所承受的力就是頂破強力。根據拉普拉斯定律認為腹壁理論最大抗張強度范圍為11～27 N/cm，對于極限情況如30 kPa腹壓下的肥胖患者，其最大抗張強度也可達47.8 N/cm[8]，不同定形條件下的該疝氣補片都能達到要求。

2.5?熱定形對疝氣補片剛柔性能的影響

疝氣補片需要伏貼在人體組織上，應具備較柔軟的性能，即抗彎長度應較小。因為未定形的織物卷曲度過高，無法測試硬挺度，因此本試驗未設置對照組。

從圖4中可以看出：定形溫度的對于補片的剛柔性能的影響力大于定形時間。相同的定形時間，在120～135 ℃之間，經編聚丙烯疝氣補片的抗彎長度基本隨定形溫度的上升而減小。結合DSC曲線可以發現，140 ℃時，DSC曲線開始上升，進入放熱區，結晶的部分開始熔融，冷卻后織物收縮，導致厚度和密度增加，織物變得硬挺。

試樣在130 ℃、2 min，135 ℃、4 min兩組定形條件下，抗彎長度較小，柔軟度最佳;在140 ℃、2 min的情況下，試樣的抗彎長度最大，柔軟度最差。臨床應用結果表明，較柔軟的網狀物比剛性網狀物更能附著貼合受損組織，對疝氣修補的手術治療效果更好。

2.6?熱定形對疝氣補片折皺回復性的影響

試樣的折皺回復性用急彈性回復角和緩彈性回復角來表示，急彈性回復角和緩彈性回復角越大，表明織物的折皺回復能力越強。測試時，急彈性變形傳播時間非常短，幾乎是瞬時的，而緩彈性變形發展速度相對較緩慢，這是由于纖維的松弛和纖維間的滑移錯位。急彈性回復角和緩彈性回復角呈正相關，因此本文只用經、緯向緩彈性角平均值來表示織物的折皺回復性。圖5是不同方向、不同定形時間織物折皺回復角-溫度曲線，從圖5中可以看出，120 ℃和125 ℃時，補片的折皺回復性較好;130 ℃和140 ℃時，折皺回復性較差;而135 ℃時，經向折皺回復性差，緯向回復性好，且經緯緩彈性角度相近。

折皺回復性與織物剛柔性具有一定的聯系，一般織物越柔軟，織物的彈性回復性相對較差，因此折皺回復性也較差，但當織物緊度達到一定程度時，織物變得硬板，折皺回復性就會下降。因此就需要平衡剛柔性能和折皺回復性，根據補片最需要的特性選擇合適的定形條件。

拉伸強度和頂破強力疝氣是補片的基本性能，彎曲剛度是疝氣補片的關鍵性能，而折皺回復性是重要性能。臨床應用結果表明，較柔軟的網狀物比剛性網狀物更能附著貼合受損組織，對疝氣修補的手術治療效果更好。因此在滿足拉伸強度和頂破強力的前提下，以彎曲剛度為主，折皺回復性為輔，得出最佳綜合力學性能的熱定形工藝為135 ℃、4 min。

3?結?論

將聚丙烯疝氣補片在120 、125 、130 、135 、140 ℃5種定形溫度和2、4 min兩種定形時間組合的十組條件下進行熱定形處理，對比分析不同溫度、不同時間對織物性能的影響，可以得出以下結論：

a）熱定形是有效改變經編疝氣補片織物力學性能的方法，能極大的改善織物的拉伸斷裂強力，頂破強力，提高織物柔軟度。

b）人體在跳躍時腹壓最大約為16 N/cm，不同熱定形條件下的補片強度都能高于該腹壓。極限情況下抗張強度可達47.8 N/cm，不同熱定形條件下的該補片頂破強力都高于此抗張強度。

c）根據臨床應用結果，較柔軟的網狀物比剛性網狀物更能附著貼合受損組織，對疝氣修補的手術治療效果更好。試樣在130 ℃、2 min，135 ℃、4 min兩組定形條件下，柔軟度最佳;在140 ℃、2 min的情況下，柔軟度最差。

d）當熱定形工藝參數為140 ℃、4 min時，疝氣補片的綜合物理機械性能最差。當熱定形工藝參數為135 ℃、4 min，疝氣補片的綜合物理機械性能最佳。

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