盧 俊， 管曉寧， 林 婧， 勞繼紅， 王富軍， 李 彥， 王 璐

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

前交叉韌帶(ACL)在膝關(guān)節(jié)各條韌帶中最易受到損傷，一旦撕裂則會(huì)嚴(yán)重影響膝關(guān)節(jié)的肢體功能[1]。韌帶發(fā)生斷裂時(shí)主要采用韌帶移植物進(jìn)行重建治療，包括自體韌帶、同種異體韌帶和人工韌帶3類[2]。人工韌帶具有材料來(lái)源廣泛、力學(xué)性能優(yōu)異、術(shù)后恢復(fù)較快等一系列優(yōu)點(diǎn)，常作為首選移植物幫助需要快速恢復(fù)膝關(guān)節(jié)功能的患者(如運(yùn)動(dòng)員等)[3-5]。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，各商用品牌人工韌帶由于遠(yuǎn)期臨床表現(xiàn)不佳，且具有較高的術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率，如韌帶斷裂等，相繼退出了市場(chǎng)[6]。Guidoin等[7]對(duì)移植失效的商用人工韌帶進(jìn)行移出物分析發(fā)現(xiàn)，其在膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)受到的長(zhǎng)期拉伸、扭轉(zhuǎn)和屈曲多個(gè)自由度作用是導(dǎo)致移植失效的重要因素之一。劉明潔等[8]對(duì)紡織基人工韌帶的體內(nèi)失效機(jī)制進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，人工韌帶失效后其表觀形貌、力學(xué)性能和結(jié)晶性能等均發(fā)生顯著變化。但上述研究主要是針對(duì)移植失效的人工韌帶進(jìn)行理論分析，缺乏體外對(duì)人工韌帶耐疲勞性能的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T 0965—2014《無(wú)源外科植入物人工韌帶專用要求》提到需對(duì)人工韌帶進(jìn)行疲勞扭轉(zhuǎn)測(cè)試，即在試樣一端施加持續(xù)的拉伸力的同時(shí)，另一端在試樣軸心方向上進(jìn)行往復(fù)扭轉(zhuǎn)加載測(cè)試，而相關(guān)多自由度疲勞測(cè)試裝置的搭建鮮有研究。本文通過(guò)自主研發(fā)的人工韌帶疲勞測(cè)試裝置，創(chuàng)建多自由度的人工韌帶疲勞測(cè)試仿生加載環(huán)境；同時(shí)構(gòu)建人工韌帶的耐疲勞性能評(píng)價(jià)體系，以期為人工韌帶的耐疲勞性能測(cè)試提供實(shí)驗(yàn)性研究方法及思路。

1 疲勞測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

在人體正常行走過(guò)程中，人工韌帶在膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)會(huì)受到拉伸、扭轉(zhuǎn)和屈曲3個(gè)方向的載荷作用，因此，設(shè)計(jì)人工韌帶疲勞測(cè)試裝置需要實(shí)現(xiàn)這3個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，且需要具有一定的溫度和介質(zhì)條件以模擬人工韌帶膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)生理環(huán)境。人工韌帶疲勞測(cè)試裝置[9]由拉伸運(yùn)動(dòng)模塊、扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊、屈曲運(yùn)動(dòng)模塊和恒溫液體回流系統(tǒng)構(gòu)成。

拉伸運(yùn)動(dòng)模塊包括伺服電動(dòng)機(jī)1、聯(lián)軸器2、滾珠絲桿滑臺(tái)3、力學(xué)傳感器4和拉伸夾具5，如圖1所示。伺服電動(dòng)機(jī)1將動(dòng)力通過(guò)聯(lián)軸器2傳遞至滾珠絲桿滑臺(tái)3，滾珠絲桿滑臺(tái)3將聯(lián)軸器2輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，滾珠絲桿滑臺(tái)3上安裝有力學(xué)傳感器4和拉伸夾具5，用于夾持人工韌帶試樣以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)載荷的傳感和輸出。通過(guò)設(shè)置伺服電動(dòng)機(jī)1的速度和位移，以實(shí)現(xiàn)拉伸夾具夾持試樣作往復(fù)拉伸運(yùn)動(dòng)。

1—伺服電動(dòng)機(jī)； 2—聯(lián)軸器； 3—滾珠絲桿滑臺(tái)； 4—力學(xué)傳感器； 5—拉伸夾具。圖1 拉伸運(yùn)動(dòng)模塊Fig.1 Tensile motion module

扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1、傳動(dòng)齒輪2、軸承座3和扭轉(zhuǎn)夾具4，如圖2所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1輸出扭矩，通過(guò)2個(gè)傳動(dòng)齒輪2傳遞至安裝在軸承座3內(nèi)的扭轉(zhuǎn)夾具4。通過(guò)設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1的速度和角位移，以實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)夾具4夾持試樣作往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

1—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)； 2—傳動(dòng)齒輪； 3—軸承座； 4—扭轉(zhuǎn)夾具。圖2 扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊Fig.2 Torsion motion module

屈曲運(yùn)動(dòng)模塊包括壓力支撐架1、導(dǎo)柱固定塊2、彈簧導(dǎo)柱3和下壓塊4，如圖3所示。疲勞測(cè)試時(shí)通過(guò)調(diào)整壓力支撐架1的和導(dǎo)柱固定塊2的位置，使試樣以一定角度屈曲，同時(shí)下壓塊4下壓試樣以保持屈曲角度；當(dāng)試樣拉伸時(shí)導(dǎo)柱3的彈簧被試樣壓縮；當(dāng)拉伸回復(fù)時(shí)導(dǎo)柱3的彈簧回彈，試樣回復(fù)至初始屈曲角度，以實(shí)現(xiàn)屈曲疲勞的測(cè)試。

1—壓力支撐架； 2—導(dǎo)柱固定塊； 3—彈簧導(dǎo)柱； 4—下壓塊。圖3 屈曲運(yùn)動(dòng)模塊Fig.3 Flexion motion module

恒溫液體回流系統(tǒng)包括溫控儀、加熱棒、儲(chǔ)液箱和蠕動(dòng)泵。儲(chǔ)液箱內(nèi)為生理鹽水溶液模擬膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)液體環(huán)境，通過(guò)溫控儀和加熱棒控制溶液溫度為(37.0±0.1) ℃[10]。蠕動(dòng)泵內(nèi)裝有軟管，軟管一端浸沒(méi)在生理鹽水中吸取液體，另一端固定至屈曲機(jī)構(gòu)的導(dǎo)柱固定塊上排出液體潤(rùn)濕試樣，以模擬人工韌帶所處的膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)的溫度和介質(zhì)條件。

圖4示出人工韌帶疲勞測(cè)試裝置。其整體功能實(shí)現(xiàn)原理為：拉伸夾具夾持人工韌帶試樣左側(cè)，實(shí)現(xiàn)拉伸疲勞測(cè)試；扭轉(zhuǎn)夾具夾持人工韌帶試樣右側(cè)，實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)疲勞測(cè)試，頻率與拉伸運(yùn)動(dòng)模塊一致；屈曲運(yùn)動(dòng)模塊反復(fù)下壓人工韌帶試樣中間段，實(shí)現(xiàn)屈曲疲勞測(cè)試；力學(xué)監(jiān)測(cè)裝置與拉伸運(yùn)動(dòng)模塊夾持裝置固定連接，以監(jiān)測(cè)人工韌帶試樣拉伸受力情況；儲(chǔ)液箱中裝有生理鹽水，通過(guò)溫控儀和加熱棒進(jìn)行控溫，同時(shí)液體通過(guò)蠕動(dòng)泵定量抽取并排出以潤(rùn)濕人工韌帶試樣，模擬膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)生理環(huán)境。

圖4 人工韌帶疲勞測(cè)試裝置Fig.4 Artificial ligament fatigue testing device

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品制備

使用東華大學(xué)生物醫(yī)用紡織品研究中心研制的24錠編織機(jī)以及高強(qiáng)滌綸復(fù)絲(線密度為222.2 tex(192 f))，分別制備AL24-0(24錠0軸紗規(guī)則編織)和AL24-6(24錠6軸紗三向編織)共2種人工韌帶試樣，以滿足人工韌帶的拉伸斷裂強(qiáng)力和剛度要求[11-12]。人工韌帶試樣制備過(guò)程為：先將滌綸復(fù)絲繞制于紗管，隨后安裝至編織機(jī)上，以一定的編織速度進(jìn)行編織，最后下機(jī)經(jīng)熱定形處理后得到試樣。

2.2 疲勞測(cè)試

基于人體正常行走過(guò)程中拉伸位移、扭轉(zhuǎn)角度及屈曲角度的臨床生理參數(shù)以及各參數(shù)之間的配合[13-15]，設(shè)計(jì)疲勞測(cè)試方案，如表1所示。人體正常步態(tài)頻率為1 Hz，故選擇疲勞加載頻率為1 Hz，即1 s完成1次疲勞加載。測(cè)試時(shí)間分別設(shè)置為0、8、16和24 h，即分別執(zhí)行0、28 800、57 600和86 400次疲勞加載，相當(dāng)于患者術(shù)后1～4周的運(yùn)動(dòng)量[16]。每個(gè)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)做3次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

表1 疲勞測(cè)試方案Tab.1 Fatigue test program

2.3 評(píng)價(jià)體系建立

人工韌帶的疲勞主要從宏觀、細(xì)觀和微觀3個(gè)尺度體現(xiàn)[8]：宏觀尺度主要為試樣的毛羽，纖維脫散、撕裂、斷裂等表觀形態(tài)的變化；細(xì)觀尺度主要為試樣的斷裂強(qiáng)力、剛度等指標(biāo)的變化；微觀尺度主要為試樣的結(jié)晶度等指標(biāo)的變化。

2.3.1 宏觀尺度測(cè)試

使用SMZ745 T型體式顯微鏡(日本尼康株式會(huì)社)和FlexSEM 1000型掃描電子顯微鏡(日本株式會(huì)社日立制作所)對(duì)疲勞測(cè)試前后試樣的表觀形態(tài)進(jìn)行觀察。

2.3.2 細(xì)觀尺度測(cè)試

使用YG(B)026 G-500型多功能生物醫(yī)用紡織品強(qiáng)力儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)對(duì)疲勞測(cè)試前后的試樣進(jìn)行拉伸斷裂性能測(cè)試，以定量評(píng)估其拉伸斷裂性能的損失情況。實(shí)驗(yàn)參數(shù)[17]為：隔距40 mm，拉伸速度1 000 mm/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后獲取試樣的斷裂強(qiáng)力并根據(jù)下式計(jì)算其剛度:

(1)

式中：S為剛度，N/mm；Fe為拉伸斷裂曲線線性段載荷最大值，N；Le為拉伸斷裂曲線線性段位移最大值，mm。2種試樣分別選取4個(gè)疲勞測(cè)試時(shí)間點(diǎn)均測(cè)試3次，結(jié)果取平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

此外，從力學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件中導(dǎo)出實(shí)時(shí)拉伸力原始數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量較為龐大，故每隔1 h導(dǎo)出拉伸力值峰值點(diǎn)；隨后將拉伸力轉(zhuǎn)化為拉伸模量，并進(jìn)行歸一化處理，即將第1次加載的拉伸模量作為參照值，各時(shí)間點(diǎn)的取值方法為其拉伸模量與參照值的比值，以歸一化數(shù)值為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)繪圖，以觀察應(yīng)力衰減情況。使用二階Prony級(jí)數(shù)對(duì)2種試樣的歸一化拉伸模量-時(shí)間曲線進(jìn)行擬合[18]。

2.3.3 微觀尺度測(cè)試

人工韌帶在疲勞測(cè)試中受到動(dòng)態(tài)載荷的持續(xù)作用后會(huì)改變聚合物的大分子結(jié)構(gòu)，可以由聚合物的結(jié)晶度表征。將不同疲勞測(cè)試時(shí)間的人工韌帶試樣隨機(jī)剪碎至5 mg，使用DSC 8000型差式掃描量熱儀(美國(guó)珀金埃爾默儀器有限公司)以10 ℃/min將試樣從20 ℃升溫至280 ℃。完成實(shí)驗(yàn)后計(jì)算試樣熔融熱與結(jié)晶度為100%的滌綸熔融熱的比值作為相對(duì)結(jié)晶度[19]。

3 結(jié)果與討論

3.1 宏觀尺度分析

2種試樣不同疲勞時(shí)間點(diǎn)的表觀形態(tài)如圖5所示?？芍?，2種試樣在各個(gè)疲勞時(shí)間點(diǎn)的表觀形態(tài)相對(duì)于未經(jīng)疲勞測(cè)試試樣都有所變化。在試樣AL24-0中，疲勞測(cè)試8 h后其表面出現(xiàn)大量脫散纖維，未發(fā)現(xiàn)纖維斷裂現(xiàn)象；疲勞測(cè)試16 h后，部分扭轉(zhuǎn)加載處邊緣纖維斷裂形成較長(zhǎng)毛羽，表面依舊存在較多脫散纖維；疲勞測(cè)試24 h后，更多扭轉(zhuǎn)加載邊緣處纖維發(fā)生斷裂，且有沿試樣周向擴(kuò)展的趨勢(shì)。在試樣AL24-6中，疲勞測(cè)試8 h后部分扭轉(zhuǎn)加載處的纖維出現(xiàn)了抽拔脫散的現(xiàn)象，表面毛羽較少；疲勞測(cè)試16 h后，扭轉(zhuǎn)加載處有更多復(fù)絲纖維和紗線脫散斷裂并覆蓋在試樣表面，試樣結(jié)構(gòu)變得松散；疲勞測(cè)試24 h后，扭轉(zhuǎn)加載處脫散的纖維出現(xiàn)了進(jìn)一步斷裂。商用失效移植試樣[8]和AL24-0試樣疲勞測(cè)試24 h后的疲勞斷口處形貌如圖6所示?？芍?，2種纖維均出現(xiàn)了軸向劈裂的典型疲勞斷裂形式，說(shuō)明裝置的測(cè)試結(jié)果與人工韌帶臨床失效模式具有較好的匹配度及仿真性。

圖5 2種試樣在不同疲勞時(shí)間點(diǎn)的表觀形態(tài)Fig.5 Apparent morphology at different fatigue time points of specimen AL24-0(a) and specimen AL24-6(b)

圖6 商用失效移植試樣和試樣 AL24-0的疲勞斷口處形貌(×500)Fig.6 Morphology of fatigue fracture of commercial graft failure specimen(a) and specimen AL24-0(b)(×500)

在人工韌帶拉伸、扭轉(zhuǎn)和屈曲疲勞加載過(guò)程中，纖維和紗線之間的摩擦損傷為試樣損傷的主要形式[20]。當(dāng)紗線之間相互運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力高于靜摩擦力時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移，使得纖維被反復(fù)拉伸和抽拔，形成大小不一的纖維線圈，可能會(huì)導(dǎo)致術(shù)后滑膜炎的產(chǎn)生[4]。隨后試樣的纖維或紗線的逐根斷裂和摩擦損傷區(qū)域擴(kuò)展，必然會(huì)使其力學(xué)支撐性能和疲勞耐久性能下降。相較于試樣AL24-0，試樣AL24-6具有更多的交織點(diǎn)，因此，紗線間相互摩擦作用更為顯著，在疲勞測(cè)試時(shí)表觀結(jié)構(gòu)的損傷情況更為嚴(yán)重。

3.2 細(xì)觀尺度分析

2種試樣的細(xì)觀尺度評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示?？芍?種試樣的斷裂強(qiáng)力隨著時(shí)間增加而單調(diào)下降，試樣AL24-0在疲勞測(cè)試24 h后斷裂強(qiáng)力為(1 363.89±136.76) N，低于人體前交叉韌帶斷裂強(qiáng)力(1 760 N)，趨勢(shì)與商用失效移植試樣測(cè)試結(jié)果一致[8]。試樣AL24-0的剛度為先增加15.29%，后降低15.53%，最終增加4.19%；試樣AL24-6的剛度為先增加1.25%，后降低8.92%，最終增加0.02%。在疲勞加載8 h后,試樣各方向紗線逐漸趨于軸向，故剛度上升；16 h后,隨著部分纖維被拉伸抽拔而斷裂失效，導(dǎo)致試樣剛度下降；24 h后,剩余紗線幾乎完全被拉伸伸直和伸長(zhǎng)，故剛度略有上升。

表2 細(xì)觀尺度評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 Mesoscopic evaluation results

2種試樣的歸一化拉伸模量-時(shí)間曲線如圖7所示。可知，歸一化拉伸模量(E)隨時(shí)間(t)以指數(shù)函數(shù)形式下降，人工韌帶受疲勞循環(huán)加載過(guò)程可近似看作是黏彈性聚合物的應(yīng)力松弛過(guò)程[21]。試樣AL24-0和AL24-6的二階Prony級(jí)數(shù)擬合方程如式(2)、(3)所示，通過(guò)擬合公式可預(yù)測(cè)不同試樣在不同時(shí)間點(diǎn)的歸一化拉伸模量損失情況，為試樣的耐疲勞性能評(píng)價(jià)提供定量參考依據(jù)。

E(t1)=1-[0.192 8(1-E(-t1/303.382 2))+

0.675 6(1-E(-t1/91 418.138 6))]

(2)

E(t2)=1-[0.168 2(1-E(-t2/304.422 9))+

0.588 2(1-E(-t2/23 410.077 1))]

(3)

圖7 2種試樣的歸一化拉伸模量-時(shí)間曲線Fig.7 Normalized tensile modulus-time curves of two specimens

3.3 微觀尺度分析

2種試樣各個(gè)疲勞時(shí)間點(diǎn)的結(jié)晶度測(cè)試結(jié)果如表3所示?？芍?種試樣的結(jié)晶度均為先上升后單調(diào)下降：其中試樣AL24-0的結(jié)晶度先增加9.75%，后降低13.51%，最終降低8.94%；試樣AL24-6的結(jié)晶度先增加5.73%，后降低7.50%，最終降低3.03%，趨勢(shì)與商用失效移植試樣測(cè)試結(jié)果[8]基本一致。

表3 結(jié)晶度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Crystallinity test results

在初始時(shí)間段內(nèi)大分子鏈?zhǔn)艿捷^多的伸直和伸長(zhǎng)作用，故試樣的結(jié)晶度有所上升，之后隨著大分子鏈不斷被抽拔拉伸和斷裂，試樣的結(jié)晶度不斷下降。纖維集合體的微觀尺度內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，存在結(jié)晶、取向、孔隙、弱節(jié)等一系列特征，故纖維集合體內(nèi)部在受到拉伸、扭轉(zhuǎn)和屈曲作用時(shí)會(huì)表現(xiàn)為各條大分子鏈?zhǔn)艿嚼?、壓、扭、彎等一系列多個(gè)方向載荷的共同破壞作用，使得大分子結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)晶度下降。

4 結(jié) 論

本文基于人工韌帶在長(zhǎng)期多自由度載荷作用下的疲勞失效問(wèn)題，通過(guò)自主研發(fā)的人工韌帶疲勞測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)了人工韌帶在拉伸、扭轉(zhuǎn)和屈曲3個(gè)自由度方向上的疲勞測(cè)試，更為仿真提供了恒溫液體回流系統(tǒng)以模擬膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)環(huán)境以及力學(xué)傳感器以監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)受載環(huán)境；對(duì)2種人工韌帶試樣進(jìn)行疲勞模擬和耐疲勞性能的表征和分析表明：纖維和紗線之間的摩擦是人工韌帶的主要疲勞損傷模式，且直接導(dǎo)致其拉伸斷裂性能損失和結(jié)晶度下降，從而引起人工韌帶的失效。該裝置以及評(píng)價(jià)體系可為人工韌帶的耐疲勞性能評(píng)價(jià)方法提供新的實(shí)驗(yàn)性研究方法與思路。

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