机织人工气管的性能分析*

李 倩 王云云 李毓陵 王文祖 粟菲栗

(东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海，201620)

机织人工气管的性能分析*

李 倩 王云云 李毓陵 王文祖 粟菲栗

(东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海，201620)

采用多层和多重结构设计思路，研制出一种纬二重结构机织人工气管。通过径向压缩、径向拉伸等力学性能测试，并以针织人工气管为参照，分析机织人工气管的特性，为进一步试验应用奠定基础。

人工气管，机织，纬二重，力学性能测试

因气管病变，患者有时需要切除一段气管并进行气管再建术。气管外科重建主要通过自体组织重建、异体气管移植、人工气管假体和组织工程化气管来完成［1-2］。自体组织重建取材有限，异体气管移植易产生排异反应，组织工程化气管的研究尚处于起步阶段，还有大量的技术难题需要解决。而人工气管由于材料的可选择性和结构的可塑造性，使得其研究一直保持着强大的生命力。

材料的选择和结构设计是人工气管研究能否取得突破性进展的关键。近年来，高分子生物材料工程和生物医学工程的有机结合为设计并研制理想的人工器官提供了必备的物质条件。高分子生物材料如聚合物具有一定的机械强度和加工性能，可为细胞生长和组织再生提供适宜的支架，成为人工气管的首选材料。

人工气管的结构有多种，最常见的是普通单层管状结构，这类结构是由材料缝合而成或直接一步成型的。研究表明，此类单层管状结构中，机织人工气管的径向支撑力比针织人工气管小［3］。近年来，有人提出了一种螺旋增强管状结构［4］，即在普通机织人工气管管坯的外壁上固定一个螺旋丝状物，这种结构在一定程度上提高了人工气管的径向支撑力，但操作分步进行有些繁琐，质量和稳定性难以保证。

从机织管状结构的设计角度分析，螺旋增强管状结构完全可以采用机织方法一次形成。也就是说，通过采用复杂的多层或多重组织，可以制备出管道内壁光滑、径向支撑力大的人工气管以满足基本要求。本文采用以纬二重组织为基础组织的方法，进行机织人工气管的织造。织造时，外层纬纱选用单丝，覆在管道的表面，起增加径向支撑力的作用;内层纬纱及经纱均采用复丝，形成气管的致密内壁，有利于呼吸顺畅。对此种人工气管进行力学性能测试，并与针织人工气管进行对照，分析其性能特点，为进一步的试验奠定基础。

1 人工气管的材料

本文选用的材料是直径0.25 mm和0.18 mm的丙纶(PP)单丝及线密度99 D/36 f的涤纶(T)复丝(见表1)。

表1 材料的基本数据

2 人工气管的织制

采用以1/5右斜纹为基础组织的纬二重组织进行机织人工气管的织造。丙纶作为表层纬纱，涤纶分别作为里层纬纱及经纱。样品采用四梭箱小样剑杆织机［5］织造。织造数据见表2。

表2 机织织造参数

同时采用单针筒小口径圆纬针织机，应用添纱组织织制针织人工气管。丙纶为面纱，涤纶为地纱。织造数据见表3。

表3 针织织造参数

3 力学性能测试分析及比较

根据合作医院的测试要求，采用多功能拉伸仪对以上8种样品分别进行径向压缩及拉伸性能的测试。

3.1 径向压缩性能测试

设人工气管压扁所用的力为N(N)，人工气管的压缩直径为d(mm)，比压缩力为P(N/mm)，则三者之间的关系为:P=N/d。测试的直接数据是压缩力N，考虑到压缩直径d对结果的影响，因此利用上述关系式换算成比压缩力P。压扁速度为200 mm/min时，得到的比压缩力如图1所示。

由图1可以看出:机织样品(1～4)的比压缩力均大于针织样品(5～8);用直径为0.25 mm丙纶织制的人工气管样品的比压缩力值随纬密的增加急剧增大，用直径为0.18 mm丙纶织制的人工气管样品的比压缩力值相对较小;随纵密的增加，针织样品的比压缩力值增加缓慢。

图1 比压缩力

3.2 径向拉伸性能测试

人工气管在人体内受到的径向拉伸力一般很小，因此这里的测试不将样品直接拉断，而是用拉伸一定长度L(mm)后的拉伸力来比较径向拉伸力的差异。测试参数见表4，测试结果见图2和图3。

表4 径向拉伸性能测试参数

由图2可知，机织样品的径向拉伸力均远大于针织样品，说明机织样品的尺寸稳定性高于针织样品。材料一定，机织样品的径向拉伸力随纬密的增大而增大;样品3、4密度一定，使用0.25 mm丙纶的3号样品的径向拉伸力远大于使用0.18 mm丙纶的4号样品。针织样品随纵密的增大，径向拉伸力也呈现增大趋势，但变化平缓。

图2 径向拉伸力

图3 弹性回复率

由图3可知，针织样品的弹性回复率高于机织样品，各样品的弹性回复率没有呈现出规律变化。

4 结果分析

由以上测试结果可知:相同材料，机织样品在径向压缩和径向拉伸方面都远强于针织样品，但在弹性恢复方面不如针织样品，原因在于它们的结构差异。针织物由线圈圈套而成，在受到外力时，首先是线圈的变形，圈柱与圈弧之间相互转移，线圈形态、纱线间的接触点随之变化，然后才是纱线的伸长，而线圈变形量较大，因此径向拉伸力就小。机织物由两组或多组纱线相互交织而成，交织处纱线微量变形形成屈曲波，当受到外力时，首先是屈曲波的伸直，然后是纱线的伸长，但屈曲波的变形量较小，因此径向拉伸力较大。

机织人工气管的结构相对于针织人工气管来说较紧密，若机织人工气管的交织点发生变化，其恢复比较困难，因此机织人工气管的弹性回复率比较低。

5 结语

(1)采用适当的基础组织，可以织造出内壁光滑，径向支撑力满足要求的机织人工气管。

(2)设计合理的机织人工气管的径向支撑力明显高于针织人工气管。

(3)机织人工气管的尺寸稳定性高于针织人工气管。

(4)针织人工气管的弹性回复率高于机织人工气管。

［1］LEE C J，MOON K O，CHOI H，et al.Tissue engineered tracheal prosthesis with acceleratedly cultured homologous chondrocytes as an alternative of tracheal reconstruction［J］.J Cardiovasc Surg，2002，43:275-279.

［2］FUCHS J R，NASSERI B A，VACANTI J P.Tissue engineering:a 21st century solution to surgical reconstruction ［J］.Ann Thorac Surg，2001，72:577-591.

［3］徐艳.纺织结构生物复合材料人工气管的开发［J］.产业用纺织品，2004(4):11-16.

［4］清水庆彦，中村达雄.人工气管:日本，00813851.6［P］.2001-04-12.

［5］李毓陵，李刚.刚性剑杆织机1×4多梭箱机构:中国，200710042827.9［P］.2007-06-27.

Performance analysis of woven artificial trachea

Li Qian，Wang Yunyun，Li Yuling，Wang Wenzu，Su Feili
(The Key Lab.of Textile Science＆ Technology，Ministry of Education，Donghua University)

On the basis of double weave and backed weave construction，a sort of weft backed weave artificial trachea was designed and manufactured.Compared with knitting artificial trachea，the performances of woven artificial trachea were studied by testing their mechanical properties including diametral compression property and radial tensile property.

artificial trachea，woven，backed weave，mechanics performance testing

TS156.67

A

1004－7093(2011)06－0012－03

* 高等院校学科创新引智计划项目(B07024)

2010－11－05

李倩，女，1985年生，在读硕士研究生。研究方向为生物医用纺织品开发。