1、第 44 卷 第 3 期2023 年 3 月纺 织 学 报Journal of Textile ResearchVol.44,No.3Mar.,2023DOI:10.13475/j.fzxb.20220702308一体化机械编织食管覆膜支架的力学性能与编织参数关系姜博宸1,2,王 玥1,2,王富军1,2,林 婧1,2,郭爱军3,王 璐1,2,关国平1,2(1.东华大学 纺织学院,上海 201620;2.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620;3.广东富江医学科技有限公司,广东 珠海 519090)摘 要 运用一体化编织技术,通过调控镍钛合金丝直径、编织目数(PPI)和材料配
2、比,制备了一系列一体化编织食管覆膜支架,探讨了以上编织工艺参数与食管覆膜支架之间的构效关系。结果表明:镍钛合金丝直径是影响食管覆膜支架径向压缩强力的主要参数。本文研究范围内,镍钛合金丝直径越大,覆膜支架的径向支撑性越好,但较大的镍钛合金丝直径会降低覆膜支架的柔顺性,故较合适的镍钛合金丝直径为 0.200.22 mm。PPI 对覆膜支架的径向支撑性和柔顺性影响较小,但仍可见 PPI 增大时,覆膜支架的径向压缩强力呈增大趋势,但当 PPI 为 40 时,覆膜支架弯曲时的直径减小率最大,故较优的 PPI 为 35。材料配比本质上是指覆膜支架中镍钛合金丝的含量,材料配比大,镍钛合金丝的含量高,覆膜支架
3、的径向压缩强力大,直径减小率小,然而,覆膜支架的弹性回直力增大,即柔顺性降低;因此,较合适的材料配比为 1:3。关键词 食管狭窄;食管覆膜支架;编织工艺;力学性能;一体化中图分类号:TS 101.2 文献标志码:A 收稿日期:2022-07-08 修回日期:2022-10-08第一作者:姜博宸(1998),男,硕士生。主要研究方向为食管覆膜支架生物力学性能评价。通信作者:关国平(1980),男,教授,博士。主要研究方向为生物医用纺织品的制备和评价。E-mail:。食管支架植入术属于微创疗法1,具有微创、快速、便捷等优点2,已经成为各种食管狭窄、食管-支气管瘘等食管疾病的重要治疗手段3-4。尽管
4、食管支架已经应用临床多年,但随着应用时间的推移,食管支架植入术后的并发症逐渐显现5-6。目前临床使用的商用食管支架多为手工编织7,其优势在于编织结构柔顺性好,支架更容易通过食管的狭窄部位 8-9。然而,手工编织工艺的环节多、生产效率低、产品质量控制难度较大10。一般而言,传统食管覆膜支架在完成手工编织后再覆膜。覆膜材料包括硅橡胶、聚氨酯(PU)或聚四氟乙烯(PTFE)等11-12。临床实践证明,这类覆膜很容易在术后发生破损而失效13。鉴于此,王璐等14提出了一种新型一体化覆膜支架编织技术。该技术利用机械编织的方式,将涤纶复丝和镍钛合金丝一次性编织成覆膜支架。邹秋华等15利用该技术制备了一体化机
5、械编织血管支架。孙世博等16利用该技术制备了一体化编织食管覆膜支架原型。上述研究表明,这种一体化编织方式生产效率高、结构易调节、覆膜强度高。因此,本文研究运用一体化编织技术,制备与人体食管尺寸相匹配的一体化食管覆膜支架,进一步探究机械编织参数与食管覆膜支架力学性能之间的构效关系,为开发一体化编织型食管覆膜支架产品提供参考。1 材料与编织方法 本文研究使用的镍钛合金丝购自广东富江医学科技有限公司,直径分别为 0.15、0.18、0.20、0.22 和 0.24 mm,直径公差均为 0.005 mm。机械编织的一体化食管覆膜支架所用涤纶复丝规格为900 dtex。编织机为实验室自主研发的 144
6、锭全自动编织机,编织机转速为 100 r/min,编织机可数控调节 编 织 目 数(PPI)。编 织 时 的 芯 棒 直 径 为18 mm,按规则编织17。除镍钛合金丝直径外,另外 2 个调节参数分别为编织目数和材料配比。具体的编织工艺参数如表 1 所示。表中的材料配比是指镍钛合金丝和涤纶复丝根数的比。镍钛合金丝的编织目数18是指支架轴向 25.4 mm 长度范围内编织点的个数。第 3 期姜博宸 等:一体化机械编织食管覆膜支架的力学性能与编织参数关系 表 1 食管覆膜支架编织工艺参数Tab.1 Braiding parameters of esophageal stent grafts试样编号
7、材料配比镍钛合金丝直径/mmPPI11:20.153021:20.153531:20.154041:20.183051:20.183561:20.184071:20.203081:20.203591:20.2040101:30.1830111:30.1835121:30.1840131:30.2030141:30.2035151:30.2040161:30.2230171:30.2235181:30.2240191:50.2030201:50.2035211:50.2040221:50.2230231:50.2235241:50.2240251:50.2430261:50.2435271:50
8、.24402 测试方法2.1 径向支撑性能 本文研究选用 YG061 型径向压缩仪(莱州电子仪器有限公司)测试机械编织的一体化食管覆膜支架的径向支撑性能。具体测试方法为定距离压缩法19,如图 1 所示。测试时,压缩距离设置为一体化食管覆膜支架外径的 50%20,压脚为直径25 mm 的圆柱形,压缩和回复速率均为40 mm/min,压缩停滞时间为 10 s。每组支架选择 3 个试样,每个试样的测试区域为支架的中部。径向支撑性能的评价指标为径向压缩强力、弹性回复率和应力松弛率。图 1 食管覆膜支架的径向支撑性能测试照片Fig.1 Photo of radial support performanc
9、e tests of esophageal covered stents2.2 柔顺性 本文研究通过定性和定量 2 种方式表征机械编织一体化食管覆膜支架的柔顺性。定性评价是通过观察支架弯曲 180后弯折部位的直径减小程度来判断支架的抗弯曲性能21,反映支架弯曲时的管腔保形性,是支架柔顺性的体现。直径减小越少,抗弯折性能越好,管腔保形性越好,支架柔顺性越好。弯曲支架的方式如图 2 所示。图 2 弯曲测试示意图Fig.2 Schematic of bending tests 上述定性结果可用直径减小率22转换为定量结果。测试时,每组支架长度定为 15 cm(两端夹持距离均为 2.5 cm)。用游标
10、卡尺测量其初始外径 d0(mm),将支架两端分别套在直径等于覆膜支架内径的 2 根棒上,弯曲覆膜支架至 180,用游标卡尺测量弯折后的外径 d1(mm)。每个试样测 3次。直径减小率 Rd(%)的计算公式为Rd=d0-d1d0 100%覆膜支架弯曲过程中的弹性回直力23也可反映覆膜支架的柔顺性。本文研究使用测力计测量支架的弹性回直力24,如图 3 所示。测试时,每组支架选择 3 个试样,将支架的一端套在 1 根直径匹配的棒上固定。另一端为自由端,长度 8 cm。在距离自由端边缘 3 cm 的地方,用测力计测量弯曲角度()分别为 30、60、90时的弹性回直力,每个试样每个角度测 3 次。98
11、纺织学报第 44 卷图 3 弹性回直力测试示意图Fig.3 Schematic of elastic straightening force tests2.3 数据统计分析 本文研究得数据均用x-SD 的形式表示,其中 SD为标准差。采用 SPSS 26 软件对不同组数据进行独立样本 T 检验,P0.05 表示无显著性差异,P0.05表示有显著性差异,P0.01 表示有极显著差异。3 结果与讨论3.1 覆膜支架的径向支撑性能3.1.1 镍钛合金丝直径对径向压缩强力的影响 机械编织的一体化食管覆膜支架的径向压缩强力结果如图 4 所示。由图可知,材料配比和 PPI 相同时,镍钛合金丝直径越大,覆膜
12、支架的径向压缩强力越大。在材料配比为 1:2 和 1:3 时,PPI 相同、镍钛合金丝直径不同的试样间径向压缩强力均具有极显著差异(P0.01)。材料配比为 1:5 时,PPI相同、镍钛合金丝直径不同的试样间径向压缩强力均具有显著性差异(P0.05)。通常,临床使用的食管支架径向压缩强力大于 500 cN6、25。本文研究中,镍钛合金丝直径小于或等于 0.18 mm 试样的径向压缩强力偏低,故不作继续研究。镍钛合金丝直径对支架径向压缩强力的影响较大,且在测试范围内呈上升趋势。如果继续增大镍钛合金丝直径,该样品的径向压缩强力可能会继续增加,但是,考虑到覆膜支架综合性能、结构稳定,并参照商用支架的
13、参数,镍钛合金丝直径不再继续增加。而且,径向压缩强力过大,可能会刺激食管壁组织,引发胸痛、出血、穿孔或压力坏死等不良事件。结果表明,相比0.24 mm 的镍钛合金丝,0.20 和 0.22 mm 的镍钛合金丝可满足食管支架所需的径向支撑力,故本文研究从径向压缩强力的角度认为 0.20 和 0.22 mm 的镍钛合金丝是更好的选择。图 4 食管覆膜支架径向压缩强力Fig.4 Radial compression forces of esophageal covered stents3.1.2 编织目数对径向压缩强力的影响 由图 4 可知,材料配比和镍钛合金丝直径相同的情况下,编织目数(PPI)越
14、大,覆膜支架的径向压缩强力越大,且 PPI 为 30、35 和 40 试样之间的径向压缩强力均具有极显著差异(P0.05)。而配比 1:2和 1:3 试样之间,配比 1:2 和 1:5 试样之间,均存在极显著差异(P0.01)。说明当 PPI35 时,配比 1:3 和 1:5 的覆膜支架径向支撑性能达到稳定。材料配比为 1:2 的试样,随着 PPI 的增大,径向压缩强力持续增加。原因是配比 1:3 和 1:5 的试样,涤纶复丝含量相对较多,且涤纶复丝的直径更大,故随着 PPI 的增加,配比 1:3 和 1:5 试样中涤纶丝的增加幅度要远高于镍钛合金丝,因此结构上更容易达到致密状态,即最高 PP
15、I。PPI 能够决定覆膜支架的结构紧密度,并且考虑到覆膜支架需要紧密的结构和足够的径向支撑力,故而本文研究从径向压缩强力的角度认为 PPI35 是更好的选择。3.1.3 材料配比对径向压缩强力的影响 由图 4 可知,在镍钛合金丝直径为 0.20 mm 且PPI 相同时,材料配比为 1:2 的覆膜支架径向压缩强力最大,且与配比 1:3 和 1:5 的覆膜支架均有极显著差异(P0.05)。表明当09第 3 期姜博宸 等:一体化机械编织食管覆膜支架的力学性能与编织参数关系 材料配比中镍钛合金丝的占比小于或等于 1/4 时,镍钛合金丝和涤纶复丝对覆膜支架径向压缩强力的贡献基本等效。在镍钛合金丝直径为
16、0.20 mm、PPI35 的覆膜支架中,配比 1:3 和 1:5 的覆膜支架径向压缩强力均较小程度超过 500 cN,但配比1:2 的覆膜支架径向压缩强力大于 850 cN,远超500 cN。考虑到食管支架径向压缩强力要适中,故本文研究从径向压缩强力的角度认为材料配比为1:3 和 1:5 是更好的选择。由图 4 可知,在 PPI 相同、材料配比为 1:5 时,镍钛合金丝直径为 0.20 mm 的试样和镍钛合金丝直径为 0.22 mm 的试样之间,镍钛合金丝直径为0.22 mm 的试样和镍钛合金丝直径为 0.24 mm 的试样之间,径向压缩强力有显著性差异(P0.05)。而在 PPI 相同、材料配比为 1:2 时,镍钛合金丝直径为0.15 mm 的试样和镍钛合金丝直径为0.18 mm的试样之间,镍钛合金丝直径为 0.18 mm 的试样和镍钛合金丝直径为 0.20 mm 的试样之间,径向压缩强力的差异极显著(P0.01)。在 PPI 相同、材料配比为 1:3 时,镍钛合金丝直径为 0.18 mm 的试样和镍钛合金丝直径为 0.20 mm 的试样之间,镍钛合金丝直径为 0.20 mm 的试
