人工韌帶拉伸扭轉疲勞測試裝置的設計和應用

盧 俊， 李姝佳， 陳泓傑， 湯 旭， 勞繼紅， 王 璐， 林 婧

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

據報道，全世界每年前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)損傷病例超過200萬，且大多發生在與體育運動相關的情形下[1]。臨床上使用韌帶移植物進行重建治療，主要包括自體移植物、同種異體移植物和人工韌帶3類[2-5]。其中人工韌帶具有材料來源廣泛、不損傷自體組織、術后恢復較快等一系列優點，是目前韌帶移植物的重點研究方向。早期對于人工韌帶的力學性能評估主要采用單軸向拉伸和循環加載拉伸等測試方法，將拉伸測試結果與自體韌帶的斷裂強力、強度和剛度等指標進行對比，以評估人工韌帶的耐疲勞性能[6-12]。但有學者[13]分析移植失效的人工韌帶發現，大多數移植物的失效是由膝關節的過度拉伸扭轉所導致。YY/T 0965—2014《無源外科植入物 人工韌帶專用要求》中亦要求對人工韌帶的扭轉性能進行測試。因此，人工韌帶的循環拉伸性能及扭轉性能是評估其耐疲勞性能的重要力學指標。

目前，國內外已有部分研究團隊研發出測試前交叉韌帶及其移植物的生物力學性能體外檢測裝置。1991年，Drouin等[14]首次對人工韌帶進行多自由度生物力學性能檢測，他們基于對前交叉韌帶的受力情況及移植手術方法的研究，選取關節的拉伸參數和扭轉參數進行體外疲勞模擬循環測試，研究發現基于這兩類參數設計的裝置能夠有效反映人工韌帶移植后的受力情況。黃偉等[15]設計了一種膝關節韌帶生物力學性能試驗儀，通過測試脛骨在扭力作用下的轉動角度以定量研究韌帶的生物力學特性，但未考慮拉伸載荷的作用。朱丹杰[16]設計了一種可對生物軟組織進行沿材料軸向拉伸和扭轉測試的生物力學性能評估裝置。但針對紡織基人工韌帶移植物拉伸扭轉疲勞性能測試裝置的研究仍非常有限。本文設計了一種紡織基人工韌帶拉伸扭轉疲勞測試裝置，通過對不同疲勞測試時間點的人工韌帶進行耐疲勞性能分析，以評估拉伸扭轉復合載荷作用下人工韌帶的耐疲勞性能，期望該裝置在拉伸扭轉疲勞研究方面能為人工韌帶生物力學研究提供一些新思路。

1 拉伸扭轉疲勞測試裝置的設計

在設計和制備人工韌帶產品時，除需使用織物強力儀對其單軸拉伸性能進行評估外，還需考慮到在人體膝關節腔內人工韌帶會受到脛骨對其施加的扭轉剪切載荷作用。故考慮對織物強力儀進行改裝，即將織物強力儀的下夾具設計成扭轉疲勞裝置測試組件，從而實現扭轉剪切載荷的施加，而上夾具則用于施加定負荷以作拉伸測試。人工韌帶拉伸扭轉疲勞測試裝置由計算機、YG(B)026H型織物強力儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司，中國浙江)、力學傳感器、上夾持裝置和扭轉疲勞裝置組件構成，如圖1所示。織物強力儀通過數據串口線與計算機連接；力學傳感器固定于織物強力儀上，并在下端接上夾持裝置以實現樣品的定負荷拉伸。扭轉疲勞裝置組件包括3個部分，即夾持機構、扭轉機構和連接結構(見圖2)。

圖1 人工韌帶拉伸扭轉疲勞測試裝置組成Fig.1 Composition of artificial ligament tensile and torsion fatigue testing device

1—夾持副部；2—夾持主體；3—扭轉齒輪；4—連接套筒；5—織物強力儀連接基座；6—轉盤；7—調速電機；8—連桿；9—直齒齒條。圖2 扭轉疲勞裝置組件結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of torsion fatigue device component

夾持機構包括夾持副部和夾持主體。夾持試樣部分設計為矩形齒狀，以保證測試過程中夾持試樣下端穩定且不發生滑移，同時倒細微圓角防止磨損切割試樣。

扭轉機構包括調速電機、轉盤、連桿、扭轉齒輪和直齒齒條。調速電機帶動轉盤轉動，轉盤通過連桿帶動直齒齒條在滑槽內做往復直線運動，構成對心曲柄滑塊機構。曲柄滑塊機構是一種使回轉運動和往復直線運動相互轉換的機構，在各類機械中得以廣泛應用，比如用于汽車發動機，通過燃燒空氣產生的壓力將活塞的直線運動轉化為回轉運動。扭轉齒輪和往復直線齒條相互嚙合作扭轉運動，通過鍵連接實現周向定位，軸向與夾持機構過盈配合連接，最終實現與夾持機構相連的人工韌帶試樣的扭轉運動。

連接結構包括連接套筒和織物強力儀連接基座。扭轉疲勞裝置組件通過織物強力儀連接基座與織物強力儀底座連接固定。

相比單一的拉伸或扭轉測試方法，該裝置通過織物強力儀對人工韌帶試樣上端進行定負荷拉伸疲勞測試，并通過扭轉疲勞裝置組件在試樣下端進行扭轉疲勞測試，可同時考察人工韌帶拉伸、扭轉兩個運動自由度的耐疲勞性能。整體裝置僅通過設計試樣下端的不同裝夾方式，而不改變織物強力儀自身的結構來實現，具有較好的測試穩定性，可實現拉伸扭轉的同步測試。

2 拉伸扭轉疲勞測試裝置的功能驗證

2.1 試驗材料

參照人體韌帶的受力特征及人工管道成型方法的研究[17-18]，制備了2種結構的人工韌帶，即0軸紗兩向編織人工韌帶(試樣A)和4軸紗三向編織人工韌帶(試樣B)。其中，試樣B軸紗的引入是為了提高人工韌帶在軸向上的承載能力，以使在軸向小應力作用下有更多紗線承擔載荷作用，即提高試樣的初始剛度，從而避免人工韌帶的斷裂現象發生在軸向上。人工韌帶選用的紗線規格如表1所示，其中“±”后面為對應指標計算結果的標準偏差。

表1 人工韌帶選用的紗線規格Table 1 Selection of yarn specifications for artificial ligaments

2.2 拉伸扭轉疲勞模擬測試

2.2.1 試驗參數確定

前交叉韌帶生物力學性能方面的臨床研究表明，人體正常行走過程中韌帶受力最高載荷約為250 N[19-21]。因此，設定定負荷拉伸載荷為250 N，并保持至試驗結束，以模擬前交叉韌帶的正常拉伸受力狀態。根據人體正常行走過程中前交叉韌帶扭轉受力情況的分析[22-24]，前交叉韌帶在一個步態周期內的扭轉角度為0～15°，故將扭轉角度設置為15°。人體正常步態頻率為1 Hz，但考慮到加速試驗以及試驗差異性，故扭轉頻率設置為4 Hz，試驗時間分別設置為0、8和16 h，相當于分別執行0、115 200和230 400次扭轉循環加載，每組扭轉循環做3次平行試驗。

2.2.2 組件及試樣安裝與測試

測試時，先將調速電機固定在強力儀底座上,再用帶頭銷釘將織物強力儀連接基座與強力儀底座連接,然后調整連桿位置，使直齒齒條與轉盤對心,最后將人工韌帶試樣上端夾持在織物強力儀的上夾持裝置上，下端夾持在夾持副部和夾持主體之間，實際測試有效長度為20 mm。完成裝置和試樣的安裝后，根據第2.2.1節確定的試驗參數進行拉伸扭轉疲勞模擬測試。

2.3 拉伸扭轉疲勞性能評價

2.3.1 表觀形態

使用SMZ745T型體式顯微鏡(尼康株式會社，日本東京)和TM 3000型掃描電子顯微鏡(株式會社日立制作所，日本東京)對拉伸扭轉疲勞模擬測試前后試樣的表觀形態進行觀察。

2.3.2 拉伸性能測試

使用YG(B)026H型織物強力儀對拉伸扭轉疲勞模擬測試前后的試樣進行單軸向拉伸試驗，以定量評估其拉伸性能的損失情況。初始隔距為20 mm，拉伸速度為1 000 mm/min。拉伸過程中強力儀自動記錄測試曲線和試驗數據。試驗結束后獲取斷裂強力并根據式(1)計算兩種試樣的剛度。

(1)

式中：S為剛度，N/mm；Femax為拉伸斷裂曲線線性段載荷最大值，N；lemax為拉伸曲線線性段位移最大值，mm。兩種試樣經3組拉伸扭轉疲勞模擬測試后的樣品均測試3次，結果取平均值并計算標準偏差。

2.3.3 彈性回復性能測試

彈性回復性能測試可用于模擬ACL損傷發生時所經歷的突然且快速的生理活動，以定量表征試樣回縮變形能力。使用YG(B)026 H型織物強力儀進行單次定力拉伸載荷下的彈性回復試驗，初始隔距為20 mm，拉伸速度和回復速度均為120 mm/min，定力拉伸載荷為450 N。試驗結束后根據單次加載-卸載拉伸曲線(見圖3)，根據式(2)和(3)分別計算兩種試樣的彈性回復率和能量耗散率。

圖3 彈性回復測試單次加載-卸載拉伸曲線Fig.3 Single load-unload stretch curve of elastic recovery test

(2)

式中：Rel為彈性回復率；le為彈性伸長位移，mm；ls為總伸長位移，mm。

(3)

式中：Red為能量耗散率；f(x)為拉伸加載過程中的力值曲線；g(x)為拉伸卸載過程中的力值曲線。兩種試樣經3組拉伸扭轉疲勞模擬測試后的樣品均測試3次，結果取平均值并計算標準偏差。

3 結果與討論

3.1 表觀形態

兩種試樣不同疲勞時間點的表觀形態如圖4所示。由圖4可知，兩種試樣在各個疲勞時間點的表觀形態相對于未經疲勞測試試樣都有所變化。在疲勞加載過程中，試樣上端一直處于定負荷夾緊狀態，下端一直處于扭轉剪切加載狀態，故試樣受到準靜態外力加載后其外徑略有增加，且兩端外徑大于中間段外徑，類似于單軸拉伸試驗條件下呈現的“束腰”形狀。從圖4(f)中可以觀察到，有單纖維從試樣下端承受扭轉剪切載荷的部位脫出，推測是因試樣下端在長時間承受定頻率扭轉加載后使得編織結構變得松散所導致的。編織物中的長絲紗是依靠纖維間的摩擦力形成穩定交織結構，而松散的編織結構可能會造成纖維抱合作用不顯著的某些區域在張力作用下失去相互作用，導致纖維和紗線脫散。對于人工韌帶而言，經長時間扭轉作用脫散的纖維可能會在膝關節腔內產生碎屑進而引發滑膜炎[25]。通過使用本文設計的拉伸扭轉疲勞測試裝置進行拉伸扭轉疲勞模擬測試以及表觀形貌觀察，可分析評價人工韌帶的耐拉伸扭轉疲勞性能。

圖4 不同疲勞時間點下兩種試樣的表觀形態Fig.4 Apparent morphology of two specimens at different fatigue time points

3.2 拉伸性能

兩種試樣不同疲勞時間點的拉伸斷裂曲線如圖5所示。由圖5可知，兩種試樣在各個疲勞時間點下的拉伸斷裂曲線相對于未經疲勞測試試樣均有所變化。兩種試樣不同疲勞時間點的斷裂強力和剛度如圖6所示。由圖6(a)可知，兩種試樣的斷裂強力均先增大后減小，但都高于人體ACL的斷裂強力。其中：試樣A斷裂強力先增加8.51%，后降低9.05%；試樣B斷裂強力先增加2.99%，后降低4.47%。由圖6(b)可知，試樣B的剛度在所有時間段均高于試樣A，兩種試樣的剛度均先增大后減小，但都高于人體ACL的剛度。其中：試樣A剛度先增加9.36%，后降低12.65%；試樣B剛度先增加22.45%，后降低10.61%。從介觀尺度來看，試樣在初始一定時間段內表現出的分子鏈的屈曲伸直和取向度增加會促使其斷裂強力和剛度增大，而較弱的分子鏈在長時間疲勞循環作用下會發生斷裂，導致試樣承受的載荷能力下降，致使試樣的斷裂強力和剛度減小。由此可見，使用本文設計的拉伸扭轉疲勞測試裝置，先進行拉伸扭轉疲勞模擬測試，后直接進行拉伸性能測試，可定量評估人工韌帶拉伸性能的損失情況。

圖5 不同疲勞時間點下兩種試樣的拉伸斷裂曲線Fig.5 Tensile curves of two specimens at different fatigue time points

圖6 不同疲勞時間點下兩種試樣的斷裂強力和剛度Fig.6 Strength and stiffness of two specimens at different fatigue time points

3.3 彈性回復性能

不同疲勞時間點下兩種試樣的彈性回復曲線如圖7所示。由圖7可知，兩種試樣在各個疲勞時間點下的彈性回復曲線相對于未經疲勞測試試樣都有所變化。不同疲勞時間點下兩種試樣的彈性回復率和能量耗散率如圖8所示。由圖8(a)可知，兩種試樣的彈性回復率均為先減小后增大。其中:試樣A彈性回復率先降低7.20%，后增加22.29%；試樣B彈性回復率先降低12.24%，后增加19.94%。由圖8(b)可知，兩種試樣的能量耗散率均單調減小。其中：試樣A能量耗散率先降低9.17%，后繼續降低4.70%；試樣B能量耗散率先降低7.83%，后繼續降低11.19%。拉伸性能測試結果表明，兩種試樣在歷經疲勞測試后剛度均先增加后降低，而彈性回復響應則正好相反，這是因為剛度增加會使試樣的拉伸變得困難。能量耗散率單調下降，推測是和試樣經歷疲勞試驗時大分子內部能量釋放到環境中有關。通過彈性回復性能測試，可以對人工韌帶試樣的外來載荷響應性能進行定量分析，以評估經歷生理活動后快速恢復能力。使用本文設計的拉伸扭轉疲勞測試裝置，先進行拉伸扭轉疲勞模擬測試，后直接進行彈性回復性能測試，可定量評估人工韌帶彈性回復性能的損失情況。

圖7 不同疲勞時間點下兩種試樣的彈性回復曲線Fig.7 Elastic recovery curves of two specimens at different fatigue time points

圖8 不同疲勞時間點下兩種試樣的彈性回復率和能量耗散率Fig.8 Elastic recovery rate and energy dissipation rate of two specimens at different fatigue time points

4 結 語

設計了一種人工韌帶拉伸扭轉疲勞模擬測試裝置，即拉伸疲勞測試由織物強力儀上夾具以定負荷拉伸測試的方法實現，扭轉疲勞測試通過曲柄滑塊機構將調速電機的回轉運動轉化為下夾具的扭轉運動來實現。該裝置不改變強力儀自身的結構組成，具有較好的穩定性，可實現拉伸扭轉的同步測試。選用兩種自制的人工韌帶試樣進行拉伸扭轉疲勞測試，從表觀形態、拉伸性能和彈性回復性能等方面驗證了拉伸扭轉疲勞測試裝置的有效性，有望為人工韌帶移植物產品的設計、研發及臨床醫生對于人工韌帶產品的選擇提供指導。