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.pdf

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 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/mmPPI11:20.153021:20.153531:20.154041:20.183051:20.183561:20.184071:20.203081:20.203591:20.2040101:30.1830111:30.1835121:30.1840131:30.2030141:30.2035151:30.2040161:30.2230171:30.2235181:30.2240191:50.2030201:50.2035211:50.2040221:50.2230231:50.2235241:50.2240251:50.2430261:50.2435271:50.24402 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 performance 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 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 PPI。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 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 的试样和镍钛合金丝直径为0.22 mm 的试样之间,径向压缩强力也存在极显著差异(P0.05)。材料配比和镍钛合金丝直径相同的覆膜支架,PPI 对弹性回复率的影响不大(P0.05),且小于镍钛合金丝直径对弹性回复率的影响。镍钛合金丝直径为 0.20 mm且 PPI 相同时,3 种材料配比的覆膜支架弹性回复率均没有显著性差异(P0.05)。表明材料配比对覆膜支架弹性回复率的影响较小,也表明尽管镍钛合金丝提供覆膜支架的弹性回复能力,但并非随着其数量的增加,覆膜支架的弹性回复性能会有显著提高。综上所述,本文研究认为 3 种编织工艺参数对机械编织食管覆膜支架的影响程度均较低,机械编织的一体化食管覆膜支架均具有较好的回弹性。图 5 不同编织工艺参数的食管覆膜支架的弹性回复率Fig.5 Elastic recovery rates of esophageal covered stents with different braiding parameters3.3 编织工艺参数对应力松弛率的影响 机械编织的一体化食管覆膜支架在不同编织工艺参数时的应力松弛率如图 6 所示。由图可知,除了材料配比为 1:2、镍钛合金丝直径为 0.15 mm、PPI 为 30 的覆膜支架,其它覆膜支架的应力松弛率均小于 3%,表明机械编织的一体化食管覆膜支架具有较好的抵抗外力变形的能力26。材料配比分别为 1:2 和 1:3、PPI 相同、镍钛合金丝直径不同的覆膜支架,应力松弛率有极显著差异(P0.05)。材料配比和镍钛合金丝直径相同时,PPI 对覆膜支架的应力松弛率影响不显著(P0.05),表明 PPI 对覆膜支架应力松弛率的影响较小。镍钛合金丝直径为 0.20 mm 且 PPI 相同时,3 种材料配比的覆膜支架应力松弛率差异不显著(P0.05)。表明材料配比对覆膜支架应力松弛率的影响较小。综上所述,本文研究认为适当增大覆膜支架的镍钛合金丝直径和 PPI 可以使其应力松弛率减小,使覆膜支架具有更优异的抵抗外力变形的能力。图 6 不同编织工艺参数的食管覆膜支架的应力松弛率Fig.6 Stress relaxation rates of esophageal covered stents with different braiding parameters3.4 食管覆膜支架的柔顺性3.4.1 编织工艺参数对直径减小率的影响 机械编织的一体化食管覆膜支架在不同编织工艺参数时的直径减小率如图 7 所示。由图可知,相同材料配比和 PPI 的覆膜支架,镍钛合金丝直径越大,覆膜支架的直径减小率越小,表明镍钛合金丝直径越大的覆膜支架弯曲时的管腔保形性越好。相同材料配比和镍钛合金丝直径的覆膜支架,PPI 越大,覆膜支架的直径减小率越大,反映出 PPI 越大的覆膜支架弯曲时的管腔保形性越差。原因是 PPI 大的覆膜支架结构更紧密,弯曲时内侧结构的收缩无法与外侧结构的延展相匹配,当外侧结构延展而内侧结构不改变时,覆膜支架的管腔会变形。镍钛合金丝直径为 0.20 mm 且 PPI 相同的覆膜支架,配比1:2 的覆膜支架直径减小率最小,配比 1:3 的覆膜支架居中,配比 1:5 的覆膜支架最大,表明覆膜支架中镍钛合金丝的含量越高,覆膜支架弯曲时管腔保形性越好。综上所述,本文研究认为在满足覆膜支架结构紧密度要求的同时,选择适中的 PPI 可实现良好的管腔保形性。适当增大镍钛合金丝直径或者增多镍钛合金丝数量可使覆膜支架具有更优异的管腔保形性。图 7 不同编织工艺参数的食管覆膜支架的直径减小率Fig.7 Diameter reduction rates of esophageal covered stents with different braiding parameters3.4.2 编织工艺参数对弹性回直力的影响 机械编织的一体化食管覆膜支架在不同编织工艺参数时的弹性回直力如图 8 所示。由图可知,随着弯曲角度的增加,覆膜支架的弹性回直力逐渐增大。在弯曲角度为 30时,所有覆膜支架的弹性回直力小于 1 N。相比手工编织的食管覆膜支架,弹性回直力小很多27。表明机械编织的一体化食管覆膜支架弯曲柔顺性优异,植入后会有更好的顺从29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 性,这可极大减小对食管壁组织的机械刺激。相同材料配比和 PPI 的覆膜支架,镍钛合金丝直径越大,覆膜支架的弹性回直力越大。相同材料配比和镍钛合金丝直径的覆膜支架,PPI 越大,覆膜支架的弹性回直力越大。当镍钛合金丝直径差在 0.02 mm 时,PPI 对覆膜支架弹性回直力的影响大于镍钛合金丝直径的影响。镍钛合金丝直径为 0.20 mm 且 PPI相同时,配比 1:2 的覆膜支架弹性回直力最大,配比 1:3 的居中,配比 1:5 的最小,表明覆膜支架中镍钛合金丝的含量越低,覆膜支架的弯曲柔顺性越好。综合考虑机械编织的一体化食管覆膜支架的径向支撑性、弯曲柔顺性和管腔保形性,本文研究认为PPI 为 35、镍钛合金丝直径为 0.20 和 0.22 mm、材料配比为 1:3 是较优的参数组合。图 8 不同编织工艺参数的食管覆膜支架的弹性回直力Fig.8 Elastic straightening forces of esophageal covered stents with different braiding parameters4 结 论 本文研究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)、材料配比等编织参数,设计并制备了一系列食管覆膜支架材料,并探究了编织工艺参数与食管覆膜支架之间的构效关系。镍钛合金丝直径、PPI、材料配比均对覆膜支架的径向压缩强力、弹性回复率、应力松弛率、柔顺性等有影响。镍钛合金丝直径对覆膜支架的力学性能影响最大,PPI 主要决定覆膜支架结构的紧密度,材料配比主要影响覆膜支架的柔顺性,合适的材料配比可赋予覆膜支架良好的柔顺性和管腔保形性。制备机械编织型一体化食管覆膜支架的影响因素多、交互作用复杂,本文研究仅选取了少数参数进行了探索,未来尚需进一步深入和系统化。期望本文研究可为进一步开发一体化食管覆膜支架产品提供有益参考,推动食管覆膜支架在临床上的个性化和精准化治疗。FZXB参考文献:1 兆天欣.食管支架置入的临床适用性及其特点J.中国组织工程研究与 临 床 康 复,2008,12(52):10335-10338.ZHAO 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products,but its basic research is not sufficient.Method A series of integrated esophageal covered stents were braided using integrated braiding technology by adjusting the point per inch(PPI),the diameter of nickel titanium alloy wire and the number ratio of the wire to PET yarns.Moreover,the mechanical properties and compliance of these covered stents were systematically studied,mainly discussing the structure-property relationship between the above braiding parameters and the radial compression force,elastic recovery rate,stress relaxation rate,diameter reduction rate and elastic straightening force of the covered stents.Results The diameter of nickel titanium alloy wire is the main parameter affecting the radial compression force of the esophageal covered stent.Within the scope of this study,the larger the diameter of nickel titanium alloy wire,the better the radial support of the covered stent.Compared with 0.24 mm nickel titanium alloy wire,0.20 mm and 0.22 mm nickel titanium alloy wires can meet the radial support force required for esophageal stent,and a larger nickel titanium alloy wire diameter reduced the flexibility of the covered stent(Fig.7),so the suitable nickel titanium alloy wire diameter should be 0.20-0.22 mm.PPI has less effect on the radial support and compliance of the covere