聚丙烯盆底补片的热定型工艺与性能

管俊杰，杨洁莹，张佩华

(东华大学 a.纺织面料技术教育部重点实验室；b.纺织学院，上海 201620)

聚丙烯盆底补片的热定型工艺与性能

管俊杰a,b，杨洁莹a,b，张佩华a,b

(东华大学 a.纺织面料技术教育部重点实验室；b.纺织学院，上海 201620)

选用直径为0.1 mm的医用聚丙烯单丝，由经编编织制备了盆底补片，探讨了热定型温度和时间对盆底补片的基本参数(厚度、面密度、孔隙率)和力学性能(顶破强力、拉伸断裂强力、缝线拉脱强力和弯曲刚度)的影响规律.试验结果表明：在热定型张力一定的情况下，热定型温度和时间对盆底补片的基本参数影响较小，热定型温度对盆底补片的力学性能影响较大；在相同热定型时间条件下，随着热定型温度的升高，盆底补片的断裂强力、顶破强力、拉脱强力下降，但横向刚柔性好；该盆底补片的热定型优选工艺参数为温度130℃、时间15min.

聚丙烯单丝; 盆底补片; 热定型; 性能

盆底功能障碍性疾病极大地影响妇女的健康和生活质量.治疗该疾病的主要方式为植入盆底补片替代已受损失效的盆腔筋膜组织，盆底补片不仅可以支撑膨出的器官，也可以作为供人体自身组织修复生长的支架[1-2].据统计，中国已婚已育女性中，约45%有不同程度的盆底功能障碍，其中40%～70%的患者需要使用盆底补片进行治疗[3-5].大量国内外研究显示，盆底补片应用于女性盆底修复已取得良好的效果[6-9].

目前，修复女性盆底的盆底补片种类繁多.由于医用聚丙烯单丝具有良好的力学性能和优良的生物相容性，三梳带空穿经编网眼结构具有较好的柔韧性和较大的强力，因而医用聚丙烯单丝经编网眼结构成为该领域应用最为广泛的一种盆底补片修复材料.然而，聚丙烯单丝编织盆底补片下机后的形态和尺寸稳定性很差，必须经过热定型处理使其具有相对稳定的结构和尺寸.国外的文献多聚焦于对已有盆底补片商品的性能对比研究，很少涉及热定型工艺对盆底补片性能的影响[10-12]，而国内关于热定型的探讨多集中在疝气盆底补片领域[13-14].理想的盆底补片应具有以下特性[15]：(1)最小的异物反应；(2)有弹性可弯曲；(3)容易缝合；(4)较好的组织相容性；(5)允许胶原纤维长入；(6)能够使组织永久修复；(7)具有较好的张力；(8)能够抗感染；(9)较少的并发症.与疝气盆底补片相比，聚丙烯盆底补片在孔隙率[16]及柔韧性方面具有不同的要求.

本文选用自主研发的医用聚丙烯单丝，在专用经编小样机上制备了三梳带空穿经编网眼结构盆底补片，研究了该盆底补片的热定型工艺与性能之间的关系.通过调整热定型工艺参数，测试定型后盆底补片的基本参数和力学性能，并分析热定型工艺参数对盆底补片性能的影响.

1　试验部分

1.1试验材料

1.1.1医用聚丙烯单丝

医用聚丙烯单丝由东华大学纤维材料改性国家重点实验室研制，单丝直径为0.1mm，单丝表面结构光滑(如图1所示).该单丝的热力学性能分别如表1和图2所示.

图1　聚丙烯单丝显微镜照片(×100)Fig.1　Microscopic picture of polypropylene monofilament (×100)

表1　聚丙烯单丝的热力学性能Table 1　Thermodynamic properties of polypropylene monofilament

图2　聚丙烯单丝的差示扫描量热法分析图像Fig.2　Differential scanning calorimetry picture of polypropylene monofilament

1.1.2聚丙烯盆底补片

选用三梳带空穿网眼组织(如图3所示)，在16E机号经编小样机上制备聚丙烯盆底补片试样，其垫纱数码及穿纱方式如下：

GB1： 2-3/2-1/2-3/1-0/1-2/1-0// 1穿1空；

GB2： 1-1/1-0/1-0/2-2/2-3/2-3// 1空1穿；

GB3： 1-0/1-2/1-0/2-3/2-1/2-3// 1穿1空.

图3　聚丙烯盆底补片垫纱运动图Fig.3　Lapping diagrams of polypropylene pelvic mesh

1.2热定型

热定型是指通过加热使纤维及织物形态和尺寸相对稳定的过程[17].为了保证热定型后盆底补片的纵横密度恒定，试验时给予盆底补片恒定张力.恒定张力的确定方法如下：织物下机后实测横密和纵密分别为7.5纵行/cm和13横列/cm，而热定型后盆底补片的目标横密和纵密分别为6.7纵行 /cm和12横列/cm.热定型针板为长方形，先确定针板的长× 宽为32cm×28.3cm，然后通过计算可得热定型前下机织物的尺寸应为

根据图2可知，盆底补片的热定型温度范围为110～140℃.但预试验显示，当热定型温度为140℃时，盆底补片熔融黏结，无法得到完整的试样.因此，最终确定以热定型温度和时间为试验变量，试验方案如表2所示.

表2　热定型试验方案Table 2　Experimental scheme of heat setting

1.3盆底补片基本参数和力学性能指标及测试方法

1.3.1基本参数

盆底补片的基本参数主要包括厚度、面密度和孔隙率.

(1) 厚度.试验所用仪器为YG 141N型数字式织物厚度仪，参考GB/T 3820—1997.

(2) 面密度.试验所用仪器为FA 2004A型电子天平，将恒温恒湿平衡处理48h的盆底补片剪成150mm×150mm标准大小，称其质量，测试5次取平均值.

(3) 孔隙率.采用计算机图像处理方法计算盆底补片的孔隙率.使用显微镜随机拍摄5张盆底补片的图片，将图像导入Matlab软件中计算得出最佳阈值，然后用Photoshop软件对5张图像进行灰度处理，将阈值调整为最佳值，计算白色像素占总像素的比值即为盆底补片的孔隙率.

1.3.2力学性能

盆底补片的力学性能主要包括断裂强力、顶破强力、拉脱强力和刚柔性.

(1) 顶破强力.使用HD 026H200型电子织物强力仪，参考GB/T 19976—2005.

(2) 断裂强力.盆底补片的拉伸断裂强力分为纵向和横向断裂强力.本试验使用HD 026H200型电子织物强力仪，参考GB/T 3923.1—1997.

(3) 拉脱强力.采用单根缝线拉断盆底补片的方法测试盆底补片的抗拉脱强力.试验仪器为YG(B)026H-500型医用纺织品多功能强力仪，试验参数：隔距100mm，预加张力0.1N，拉伸速度100mm/min.试样尺寸50mm×50mm，纵向和横向试样各5块.

(4) 刚柔性.测量盆底补片弯曲刚度的仪器为KES-FB-2型纯弯曲测试仪，试样尺寸100mm×100mm.将试样沿固定轨迹作正反向曲率移动，最后给出扭矩-曲率的关系曲线以及弯曲刚度等指标.

2　结果与讨论

2.1热定型工艺与盆底补片基本参数关系

热定型后盆底补片的横密和纵密分别为6.7纵行/cm和12横列/cm，与目标横密和纵密一致.通过表2所示热定型工艺参数处理后的盆底补片试样基本参数如表3所示.

表3　盆底补片试样的基本参数Table 3　Basic parameters of pelvic mesh samples

从表3可见，热定型温度和时间对盆底补片的面密度影响很小，如试样4的面密度最大，为34.82 g/m2，而试样8面密度最小，为32.04 g/m2，两者仅相差8.67%；当热定型温度相同时，最大厚度变化发生在试样4和5之间，两者仅相差2.02%，这表明热定型时间对盆底补片厚度的影响较小；当热定型时间相同时，随着温度的升高，盆底补片的厚度变小，最大厚度变化达到17.81%，这表明温度对盆底补片厚度的影响要大于时间；由于本试验编织的盆底补片为大孔型盆底补片，其孔隙率达到了70%左右.盆底补片的孔隙率大，有利于人体的巨噬细胞和白细胞自由穿过盆底补片，杀灭病菌，有利于术后人体组织的修复和防感染[18].热定型时间和温度对盆底补片孔隙率的影响不显著，试样2的孔隙率最大，为72.67%，试样3的孔隙率最小，为67.35%，两者仅相差5.24%.

综上分析可知，盆底补片热定型时，在张力保持一定的情况下，热定型温度和时间的变化对盆底补片的基本参数影响较小.

2.2热定型工艺与盆底补片强力关系

经热定型工艺处理后盆底补片试样的强力指标测试结果如表4所示.对比表4中试样1，4，7或2，5，8或3，6的断裂强力数据可知，热定型时间一定时，盆底补片的横向和纵向断裂强力随着温度的升高而降低；对比试样1，2，3或4，5，6可知，当温度一定时，随着时间的延长，盆底补片的横向和纵向断裂强力变化规律不显著.这表明温度对盆底补片断裂强力的影响大于时间.对比试样1，4，7，当热定型时间为5min时，温度由120℃上升到130℃的过程中，盆底补片的横向断裂强力下降了29.4%，而温度由110℃升到120℃时其强力仅下降了12.1%.这主要是因为在外力一定的情况下，随着温度的升高，聚丙烯内部大分子的热运动动能快速增加，纤维内部分子链段内旋转速度加快，造成大分子链段之间的滑移和纤维内部无定型区的增多，从而导致纤维强力的加速损失，进而导致盆底补片强力的快速损失，因此，温度越高盆底补片的强力损失得越快.

表4　盆底补片试样的强力Table 4　Strength of pelvic mesh samples

从表4可知，热定型温度相同时，盆底补片的顶破强力随着时间延长的变化规律不显著，且其变化幅度不大，最大变化出现在试样1和2之间，两者相差16.0%；而当热定型时间相同时，随着温度的升高盆底补片的顶破强力出现较大的损失，尤其当温度由120℃变为130℃时，试样4和7的顶破强力相差46.3%，这和盆底补片的横向断裂强力的变化规律相同，说明热定型温度对盆底补片顶破强力的影响大于时间.因为当热定型温度相同时，时间的延长并不一定导致纤维无定型区的增加，相反，由于聚合物主链大分子发生内旋转有其随机性，可能会增强纤维的强力，所以当温度一定时，盆底补片的顶破强力随时间的变化无明显规律.

2.3热定型工艺与盆底补片缝合性能关系

经热定型处理后盆底补片试样的拉脱强力指标测试结果如表5所示.由表5可知，当温度一定时，时间的变化对盆底补片纵向拉脱强力的影响不明显；而当热定型时间相同时，盆底补片的横向和纵向拉脱强力随着温度的升高而下降.盆底补片的纵向和横向拉脱强力呈现出相似的趋势，且两者数值相近.这表明热定型温度对盆底补片拉脱强力的影响大于时间.

表5盆底补片试样的拉脱强力

Table 5Laddering-after-drawing strength of pelvic mesh samples

注：试样9(130℃、 25min)于定型过程中熔化，无相关数据，所以未在表中列出.

2.4热定型工艺与盆底片柔韧性能关系

经热定型工艺处理后盆底补片试样的弯曲刚度指标测试结果如表6所示.分析表6中试样1，2，3或4，5，6的数据可知，当热定型温度相同时，盆底补片的横向弯曲刚度随时间的变化规律不显著，且变化幅度较小；而当热定型时间相同时，盆底补片的横向弯曲刚度随温度的升高出现明显下降.随着热定型参数的调整，而较之盆底补片的横向弯曲刚度，盆底补片的纵向弯曲刚度变化较小，且变化无规律.由此可见，热定型温度为影响盆底补片的横向弯曲刚度的重要因素，时间次之，但热定型温度和时间对盆底补片的纵向弯曲刚度的影响不大.

表6　盆底补片试样的弯曲刚度Table 6　Bending rigidity of pelvic mesh samples

柔韧性为衡量盆底补片性能的一个重要指标，盆底补片的弯曲刚度越小就意味着其柔韧性越好.因此，当温度为130℃、时间为15min时，即试样8的横向和纵向的柔韧性较佳.

3　结　语

本文选用直径为0.1mm的医用聚丙烯单丝，经三梳带空穿经编结构制备了盆底补片，探讨热定型温度和时间对聚丙烯盆底补片的基本性能和力学性能的影响.研究结果表明：(1)在热定型张力一定的情况下，热定型温度和时间对盆底补片的基本参数影响较小；(2)热定型温度对盆底补片力学性能影响大于热定型时间，且热定型时间相同时，随温度的升高，盆底补片的断裂强力、顶破强力、拉脱强力下降，横向弯曲刚度值减小，但纵向弯曲刚度值无明显变化；(3)热定型优选工艺参数为热定型温度130 ℃、热定型时间15 min.

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Heat Setting Technology and Properties of Polypropylene Pelvic Mesh

GUANJun-jiea,b,YANGJie-yinga,b,ZHANGPei-huaa,b

(a.Key Laboratory of Textile Science & Technology,Ministry of Education;b.College of Textiles,Donghua University,Shanghai 201620,China)

The pelvic mesh was made of the medical polypropylene monofilament with 0.1 mm diameter and was knitted with warp knitting technology.The effects of heat setting temperature and time on the basic parameters such as thickness,surface density,porosity and the mechanical parameters such as bursting strength,tensile breaking strength,laddering-after-drawing strength and bending rigidity of the pelvic mesh were discussed.The experimental results show that when the strain is constant,the temperature and time of heat setting have little impact on the basic parameters of the pelvic mesh,and the temperature has more influence on the mechanical parameters of the pelvic mesh than the time during the heating setting process.When the time is constant,the breaking strength,bursting strength and laddering-after-drawing strength of the pelvic mesh decrease with the temperature increasing but the rigidity and softness become better.The optimal heating setting temperature and time are 130℃ and 15 minutes respectively.

polypropylene monofilament; pelvic mesh; heat setting; property

1671-0444(2015)02-0173-05

2013-09-16

国家科技支撑计划资助项目(2012BAI17B05)；高等学校学科创新引智计划资助项目(B07024)

管俊杰(1988—)，男，山东文登人，硕士研究生，研究方向为盆底补片的结构设计及性能分析.E-mail: gjjdyx@gmail.com

张佩华(联系人)，女，教授,E-mail: phzh@dhu.edu.cn

TS 186.5；TB 31

A