關(guān)國平，徐睿，苗琳莉，孫紅蕊，李超婧，王璐

東華大學紡織學院，紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室(上海， 201620)

?

復雜結(jié)構(gòu)疝修補網(wǎng)塞剛度測試方法研究

關(guān)國平，徐睿，苗琳莉，孫紅蕊，李超婧，王璐

東華大學紡織學院，紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室(上海， 201620)

剛度是疝修補網(wǎng)塞力學性能評價的重要指標之一， 然而目前針對補片及網(wǎng)塞的剛度評價， 國內(nèi)外并無可供參考的標準或標準化方法。該文以菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞為研究對象， 模擬網(wǎng)塞在使用過程中及術(shù)后的受力狀態(tài)， 建立了兩種體外標準化測試方法， 環(huán)托法和在位壓縮法。進而， 分別對該網(wǎng)塞在模擬使用過程中的抗彎剛度和模擬術(shù)后的抗壓剛度進行了研究。結(jié)果表明， 這兩種方法可以較全面地表征復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的剛度， 且該方法操作簡便、 易標準化， 測試條件可控， 具有普遍的適用性。

疝； 補片； 網(wǎng)塞； 剛度； 標準

疝是臨床外科常見病， 據(jù)統(tǒng)計世界上每年約有2 000萬例疝修補手術(shù)[1]， 而我國每年約有300萬例新發(fā)的腹股溝疝病人以及50萬例以上的其它各類疝[2]。采用人工補片進行無張力疝修補理論始于1989年[3]， 無張力疝修補手術(shù)是目前臨床治療疝最普遍的方法[4]。該方法具有疼痛輕、 恢復快、 手術(shù)指征寬及復發(fā)率低等優(yōu)點， 但疝復發(fā)仍然存在。研究表明， 導致疝復發(fā)的關(guān)鍵因素是補片與腹壁的力學相容性差[5]。然而， 目前評價疝修補補片的力學性能體系尚不完善， 僅見對簡單結(jié)構(gòu)補片的強度、 延伸性、 縫合性能等常規(guī)測試的報道[6，7]， 對復雜結(jié)構(gòu)補片或網(wǎng)塞力學性能評價較少， 尤其是剛度評價未見報道。因此， 本文以菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞為研究對象， 體外模擬網(wǎng)塞的臨床使用過程及應用環(huán)境， 建立兩種測試網(wǎng)塞剛度的標準化方法， 環(huán)托法和在位壓縮法。

1　材料與方法

1.1材料

本研究參照商用產(chǎn)品自制了一種菊花狀紡織復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞作為研究對象。該網(wǎng)塞結(jié)構(gòu)包括兩層， 上層和下層。上層包括5個條帶， 均勻地交叉形成一個與下層平片同心圓的結(jié)構(gòu)， 下層為圓形平片。圓形平片的直徑為8 cm， 等于條帶的長。網(wǎng)塞中心采用熱壓的方式聯(lián)結(jié)為一體。網(wǎng)塞距邊緣5 mm處， 沿圓周均勻地穿一根縫合線。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞俯視示意圖

此外， 本研究還準備了兩種試樣。一種為直徑8 cm的網(wǎng)塞基布圓形平片試樣。另外一種為長20 cm、 寬1 cm的網(wǎng)塞基布條狀試樣。目的是通過測試這三種樣本， 幫助理解傳統(tǒng)織物剛度與復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞剛度之間的關(guān)系， 幫助認識傳統(tǒng)方法與本研究所建立方法之間的關(guān)聯(lián)性。

1.2方法

菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞在臨床使用過程中的剛度主要體現(xiàn)在2個方面：(1)植入過程中， 將平面網(wǎng)塞成形為三維網(wǎng)塞時的抗彎剛度； (2)植入以后， 網(wǎng)塞底部對抗內(nèi)臟器官壓力的抗壓剛度。因此， 為了更加真實地評價網(wǎng)塞的剛度， 本文提出了環(huán)托法和在位壓縮法兩種方法， 以分別評價上述兩種受力情況下網(wǎng)塞的剛度， 即抗彎剛度和抗壓剛度(圖2)。

圖2　菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞剛度測試示意圖

1.2.1環(huán)托法

環(huán)托法， 將圓片狀補片置于圓環(huán)狀載物臺上， 補片中心與載物臺中心重合形成同心圓， 圓環(huán)內(nèi)直徑等于補片修補在位時底部的直徑。與補片平面垂直的圓柱狀探頭由上而下運動頂向補片中心， 探頭中心與補片中心重合， 探頭直徑等于補片中心粘結(jié)區(qū)直徑， 探頭以一定速度向下運動， 直至補片整體穿過圓環(huán)。記錄強力位移曲線， 計算應力應變， 以評價補片剛度。環(huán)托法模擬了網(wǎng)塞植入過程中的彎曲行為， 故用以評價其抗彎剛度。因此， 此處的抗彎剛度定義為網(wǎng)塞穿過圓環(huán)過程中的最大應力， 公式如下：

式中：R， 抗彎剛度； F， 最大強力； S， 探頭截面積

環(huán)托法采用YG026H型多功能電子織物強力機進行測試， 選取載荷為110N的傳感器與專用夾頭， 在其底端安裝直徑為10mm的圓柱形金屬探頭。圓環(huán)內(nèi)直徑為30mm， 等于網(wǎng)塞在使用狀態(tài)下底部的直徑。待儀器調(diào)試完畢后， 將網(wǎng)塞花瓣朝上放置在鋁合金圓環(huán)載物臺上， 形成同心圓。設(shè)置探頭下行速度為20mm/min。測試進行時， 實時觀察網(wǎng)塞下行過程中的形態(tài)變化以及壓力-位移曲線， 記錄曲線出現(xiàn)明顯變化時網(wǎng)塞的形態(tài)圖(3b)。測試完成后， 導出數(shù)據(jù)， 計算測試網(wǎng)塞的應力應變， 繪制曲線。重復測試10個樣本， 結(jié)果表示為平均值±SD。同樣方法測試圓形平片試樣。

圖3　環(huán)托法測試網(wǎng)塞的抗彎剛度

1.2.2在位壓縮法

在位壓縮法， 將圓片狀補片收縮成體內(nèi)移植時的在位狀態(tài)， 即網(wǎng)塞， 使頂部直徑等于底部直徑。將網(wǎng)塞倒置于載物臺上， 取直徑匹配的探頭， 由上而下運動壓縮網(wǎng)塞至原高度的50%， 停留10秒， 探頭再由下而上運動直至離開補片， 記錄強力位移曲線， 計算應力應變， 以評價補片剛度。在位壓縮法模擬了網(wǎng)塞植入后的受力狀態(tài)， 用以評價其抗壓剛度。因此， 此處的抗壓剛度定義為網(wǎng)塞壓縮過程中的最大應力， 公式如下：

式中：C， 抗壓剛度； F， 最大強力； S， 探頭截面積

在位壓縮法采用LLY-06D壓縮儀進行測試。首先， 將網(wǎng)塞收縮為使用時的狀態(tài)， 即類圓柱狀網(wǎng)塞形態(tài)， 圓柱狀底面直徑為30mm。然后， 調(diào)整網(wǎng)塞形態(tài)使其內(nèi)部花瓣均勻分布。將網(wǎng)塞倒置于載物臺上， 收縮口朝下。用圓環(huán)束縛收縮口， 防止壓縮過程中試樣的滑移。圓環(huán)內(nèi)直徑為30mm。壓縮比設(shè)置為50%， 壓頭直徑為20mm， 下行速度為20mm/min， 停留時間為10s。測試進行時， 實時觀察網(wǎng)塞壓縮過程中的形態(tài)變化以及壓力-位移曲線， 記錄曲線出現(xiàn)明顯變化時網(wǎng)塞的形態(tài)。測試完成后， 導出數(shù)據(jù)， 計算測試網(wǎng)塞的應力應變， 繪制曲線。重復測試10個樣本， 結(jié)果表示為平均值±SD。

1.2.3織物剛度常規(guī)測試方法

網(wǎng)塞基布條狀試樣的彎曲長度和彎曲剛度， 測試參照GB/T18318.1-2001《紡織品 織物彎曲長度的測定》進行。隨機剪取12塊試樣， 試樣尺寸為(25±1)mm×(250±1)mm。其中6塊試樣的長邊平行于織物縱向， 6塊試樣的長邊平行于織物橫向。試樣至少取至離布邊100mm， 并避免皮膚直接接觸樣本。

2　結(jié)果與討論

2.1復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的抗彎剛度

運用環(huán)托法對菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞進行抗彎剛度的測定， 結(jié)果表明該方法可以穩(wěn)定地表征網(wǎng)塞從平面狀到使用狀態(tài)變形過程中的彎曲行為。本研究自制的這種網(wǎng)塞的最大抗彎剛度達到8.84 cN/mm2， 最小為5.80 cN/mm2， 平均達到7.37±1.03 cN/mm2。圖4 是菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞在彎曲過程中的應力應變典型曲線。隨著位移的增加， 應力隨之增加。在應變達到約85%的時候， 應力達到最大值， 隨后減小直至網(wǎng)塞離開探頭。隨著應變的增加， 復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的上層花瓣狀結(jié)構(gòu)逐漸聚攏、 接觸和擠壓， 故導致應力的增加， 結(jié)果符合預期。結(jié)果表明， 復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞在移植過程中， 網(wǎng)塞的聚攏程度及網(wǎng)塞與周圍組織之間的摩擦力對移植的順滑性有較大影響。結(jié)果提示， 為了提高手術(shù)的可操作性、 縮短手術(shù)時間及保證網(wǎng)塞結(jié)構(gòu)的均勻性和穩(wěn)定性， 可考慮在網(wǎng)塞下表面進行潤滑處理。

圖4　菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞彎曲過程應力應變曲線

2.2復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的抗壓剛度

運用在位壓縮法對菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞進行抗壓剛度的測定， 結(jié)果表明隨著壓縮距離的增大， 網(wǎng)塞的應力隨之增大(圖5)。本研究自制的這種網(wǎng)塞的最大抗壓剛度達到8.26 cN/mm2， 最小為7.56 cN/mm2， 平均達到7.96±0.29 cN/mm2。在位壓縮法較好地模擬了網(wǎng)塞植入疝口的狀態(tài)， 因此能夠較客觀地評價疝口中網(wǎng)塞的抗壓性能。然而， 為了具有橫向可比較性， 測試中仍然要嚴格控制參數(shù)的一致性。因為， 參數(shù)對網(wǎng)塞抗壓剛度會產(chǎn)生顯著影響， 包括束口直徑(頂部直徑)， 探頭直徑， 壓縮高度及停留時間等[2]。為了減小誤差， 測試時建議保持網(wǎng)塞在臨床使用時的狀態(tài)， 探頭直徑不大于測試面積， 以保證測試過程中受力面積不會發(fā)生變化。值得一提的是， 本研究中束口圓環(huán)的高度是固定的， 但是高度對測試結(jié)果可能有影響， 需要進一步研究。

圖5菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞抗壓剛度測試過程應力應變曲線

Fig.5 A typical strain-stress curve of the testing process of the compressive stiffness of the mesh plug

2.3網(wǎng)塞基布圓形平片的抗彎剛度

運用環(huán)托法對網(wǎng)塞基布圓形平片抗彎剛度進行測定， 結(jié)果表明該方法仍然具有很好的可行性和可重復性。網(wǎng)塞基布的最大抗彎剛度達到1.57 cN/mm2， 最小為0.92 cN/mm2， 平均達到1.21±0.21 cN/mm2。圖6 是網(wǎng)塞基布圓形平片在彎曲過程中的應力應變典型曲線。比較圖6和圖4可知， 網(wǎng)塞基布圓形平片彎曲過程中的應力應變行為與菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞具有相同的趨勢。然而， 網(wǎng)塞基布圓形平片的抗彎剛度遠遠低于菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的抗彎剛度?？梢?， 菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的力學性能不僅取決于基布的力學性能， 還與網(wǎng)塞結(jié)構(gòu)有關(guān)， 甚至后者的影響更大。從而說明， 對網(wǎng)塞基布力學性能的評價只能在一定程度上間接地反映網(wǎng)塞的力學性能。因此， 本文所提出的針對復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的兩種測試方法可以更加全面真實地評價網(wǎng)塞的剛度， 更具有指導意義。

圖6　網(wǎng)塞基布圓形平片彎曲過程中的應力應變曲線

2.4網(wǎng)塞基布條狀試樣的彎曲剛度

為了理解本文建立的測試方法與常規(guī)測試方法之間的聯(lián)系， 本研究參照GB/T 18318.1-2001 《紡織品 織物彎曲長度的測定》的方法， 采用織物彎曲剛度測定儀， 進一步對網(wǎng)塞基布條狀試樣進行了彎曲剛度測試。結(jié)果表明， 網(wǎng)塞基布條狀試樣的縱向彎曲長度和橫向彎曲長度分別為4.14 cm和2.51 cm， 縱向彎曲剛度和橫向彎曲剛度分別為5.50 mN·cm和1.19 mN·cm。這說明該網(wǎng)塞基布具有各向異性， 縱向彎曲剛度大于橫向。

然而， 網(wǎng)塞移植過程中所表現(xiàn)出來的力學性能是一種綜合的力學性能。從這個意義上講， 網(wǎng)塞基布圓形平片試樣的剛度結(jié)果更加接近臨床應用的實際。但是， 本文所建立的剛度評價方法所獲得的結(jié)果， 比起網(wǎng)塞基布圓形平片試樣的剛度測試結(jié)果， 就更加優(yōu)越， 對臨床應用更具有指導意義。因為， 這不僅反映了纖維性質(zhì)、 組織結(jié)構(gòu)的影響， 更反映了網(wǎng)塞形態(tài)結(jié)構(gòu)對其剛度的影響， 是一個綜合性能指標。

由此可見， 樣本不同， 測試方法不同， 剛度測試結(jié)果也不同。而且， 本研究中網(wǎng)塞基布圓形平片、 網(wǎng)塞基布條狀試樣與網(wǎng)塞試樣的測試結(jié)果之間并無直接的可比較性。因為， 三者的結(jié)構(gòu)不同、 測試方法不同， 結(jié)果的表達亦不相同。因此， 為了評價和比較不同網(wǎng)塞之間的剛度， 亟需更新的、 仿真的、 客觀的和標準化的評價方法。本研究正是圍繞解決這一關(guān)鍵問題而開展。

最后需要強調(diào)的是， 網(wǎng)塞基布條狀試樣和網(wǎng)塞基布圓形平片試樣的剛度對網(wǎng)塞剛度的影響仍不可忽略， 盡管復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞的形態(tài)結(jié)構(gòu)對其力學性能的影響更大。因此， 只有充分考慮臨床應用實際， 模擬使用狀態(tài)下的測試方法， 其結(jié)果對于臨床應用才具有指導意義。只有建立適應臨床需求的評價方法才是解決問題的根本出路。只有建立統(tǒng)一的標準化方法， 對不同產(chǎn)品剛度的評價， 才具有參考價值。

3　結(jié)論

本研究以菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞為研究對象， 為了客觀地評價其剛度這一力學性能指標， 建立了兩種標準化測試方法， 環(huán)托法和在位壓縮法。進而， 分別對該網(wǎng)塞在使用過程中的抗彎剛度和術(shù)后的抗壓剛度進行了研究。環(huán)托法和在位壓縮法的建立， 主要依據(jù)網(wǎng)塞在使用過程中及術(shù)后的受力狀態(tài)， 體外模擬了測試條件。而且， 本研究還利用環(huán)托法測試了網(wǎng)塞基布圓形平片試樣的抗彎剛度， 采用傳統(tǒng)方法測試了網(wǎng)塞基布條狀試樣的彎曲剛度。初步將這兩種新方法的測試結(jié)果和傳統(tǒng)方法的測試結(jié)果進行了比較分析。結(jié)果表明， 環(huán)托法和在位壓縮法可以很好地模擬測試菊花狀復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)塞在移植過程中的抗彎剛度和移植后的抗壓剛度。該方法科學、 可靠， 操作簡便、 易標準化， 且測試條件容易控制， 具有普遍的實用性。與傳統(tǒng)紡織品剛度之間的聯(lián)系可以幫助進一步加深對網(wǎng)塞剛度定量和定性的認識。

[1] Kingsnort A, Leblanc K. Hernias: inguinal and incisional [J]. The Lancet, 2003, 362(9395):1561-1571.

[2] 苗琳莉，經(jīng)緞組織疝修復平片與三維補片的結(jié)構(gòu)及力學性能[D].上海：東華大學，2016.

[3] Lichtenstein. The tension-free hernioplasty[J]. Am J Surg, 1989,157(2):199-193.

[4] 李光新,于振海.腹股溝疝修補術(shù)的回顧與進展[J]. 中國現(xiàn)代普通外科進展, 2009,12(10):882-883.

[5] Bringman S, Conze J, Cuccurullo D, et al. Hernia repair: the search for ideal meshes[J]. Hernia, 2010, 14(1): 81-87.

[6] Cobb WS, Burns JM, Peindl RD, et al. Textile analysis of heavy weight,mid-weight, and light weight polypropylene mesh in a porcine ventral hernia model[J]. J Surg Res, 2006, 136(1): 1-7.

[7] Riet M, Steenwijk PJ, Kleinrensink G et al. Tensile strength of mesh fixation methods in laparoscopic incisional hernia repair[J]. Surg EndoscIntervent Tech, 2002, 16(12): 1713-1716.

Study on Methods for Testing Stiffness of Hernia Plug with Complicated Structure

GUAN Guoping, XU Rui, MIAO Linli, SUN Hongrui, LI Chaojing, WANG Lu

Key Laboratory of Textile Science & Technology , Ministry of Education,College of Textiles, Donghua University Scientific and Technological Innovation >Network of Biomedical Textile Material (Shanghai, 201620 )

Stiffness is one of important indexes evaluating mechanical properties of hernia prostheses, but few reports on the standard or standardized methods for evaluation have been found so far. In the present work, a daisy-like hernia plug with complicated structure was designed and fabricated. According to therapeutic requirements and clinical implanting operations, a simulated mechanical environment and two standardized methods have been established in vitro, ring-support method and insitucompression method. Furthermore, the bending stiffness and the compressive stiffness of the hernia plug have been studied using the ring-support method and the insitucompression method, respectively. The results showed that both methods have been easy to be utilized and standardized. With combination of the above methods, the stiffness of the hernia plug with complicated structure, including the bending stiffness and the compressive stiffness, could be evaluated objectively and comprehensively.

hernia， patch, mesh plug， stiffness， standard

10.3969/j.issn.1674-1242.2016.03.003

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項(2232015A3-02)上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(ZX201503000017)

關(guān)國平，副教授，博士，研究方向：生物醫(yī)用紡織材料E-mail: ggp@dhu.edu.cn

TS101.3

A

1674-1242(2016)03-0130-05

2016-07-26)