复杂结构疝修补网塞刚度测试方法研究

关国平，徐睿，苗琳莉，孙红蕊，李超婧，王璐

东华大学纺织学院，纺织面料技术教育部重点实验室(上海， 201620)



复杂结构疝修补网塞刚度测试方法研究

关国平，徐睿，苗琳莉，孙红蕊，李超婧，王璐

东华大学纺织学院，纺织面料技术教育部重点实验室(上海， 201620)

刚度是疝修补网塞力学性能评价的重要指标之一， 然而目前针对补片及网塞的刚度评价， 国内外并无可供参考的标准或标准化方法。该文以菊花状复杂结构网塞为研究对象， 模拟网塞在使用过程中及术后的受力状态， 建立了两种体外标准化测试方法， 环托法和在位压缩法。进而， 分别对该网塞在模拟使用过程中的抗弯刚度和模拟术后的抗压刚度进行了研究。结果表明， 这两种方法可以较全面地表征复杂结构网塞的刚度， 且该方法操作简便、 易标准化， 测试条件可控， 具有普遍的适用性。

疝； 补片； 网塞； 刚度； 标准

疝是临床外科常见病， 据统计世界上每年约有2 000万例疝修补手术[1]， 而我国每年约有300万例新发的腹股沟疝病人以及50万例以上的其它各类疝[2]。采用人工补片进行无张力疝修补理论始于1989年[3]， 无张力疝修补手术是目前临床治疗疝最普遍的方法[4]。该方法具有疼痛轻、 恢复快、 手术指征宽及复发率低等优点， 但疝复发仍然存在。研究表明， 导致疝复发的关键因素是补片与腹壁的力学相容性差[5]。然而， 目前评价疝修补补片的力学性能体系尚不完善， 仅见对简单结构补片的强度、 延伸性、 缝合性能等常规测试的报道[6，7]， 对复杂结构补片或网塞力学性能评价较少， 尤其是刚度评价未见报道。因此， 本文以菊花状复杂结构网塞为研究对象， 体外模拟网塞的临床使用过程及应用环境， 建立两种测试网塞刚度的标准化方法， 环托法和在位压缩法。

1　材料与方法

1.1材料

本研究参照商用产品自制了一种菊花状纺织复杂结构网塞作为研究对象。该网塞结构包括两层， 上层和下层。上层包括5个条带， 均匀地交叉形成一个与下层平片同心圆的结构， 下层为圆形平片。圆形平片的直径为8 cm， 等于条带的长。网塞中心采用热压的方式联结为一体。网塞距边缘5 mm处， 沿圆周均匀地穿一根缝合线。具体结构见图1。

图1　菊花状复杂结构网塞俯视示意图

此外， 本研究还准备了两种试样。一种为直径8 cm的网塞基布圆形平片试样。另外一种为长20 cm、 宽1 cm的网塞基布条状试样。目的是通过测试这三种样本， 帮助理解传统织物刚度与复杂结构网塞刚度之间的关系， 帮助认识传统方法与本研究所建立方法之间的关联性。

1.2方法

菊花状复杂结构网塞在临床使用过程中的刚度主要体现在2个方面：(1)植入过程中， 将平面网塞成形为三维网塞时的抗弯刚度； (2)植入以后， 网塞底部对抗内脏器官压力的抗压刚度。因此， 为了更加真实地评价网塞的刚度， 本文提出了环托法和在位压缩法两种方法， 以分别评价上述两种受力情况下网塞的刚度， 即抗弯刚度和抗压刚度(图2)。

图2　菊花状复杂结构网塞刚度测试示意图

1.2.1环托法

环托法， 将圆片状补片置于圆环状载物台上， 补片中心与载物台中心重合形成同心圆， 圆环内直径等于补片修补在位时底部的直径。与补片平面垂直的圆柱状探头由上而下运动顶向补片中心， 探头中心与补片中心重合， 探头直径等于补片中心粘结区直径， 探头以一定速度向下运动， 直至补片整体穿过圆环。记录强力位移曲线， 计算应力应变， 以评价补片刚度。环托法模拟了网塞植入过程中的弯曲行为， 故用以评价其抗弯刚度。因此， 此处的抗弯刚度定义为网塞穿过圆环过程中的最大应力， 公式如下：

式中：R， 抗弯刚度； F， 最大强力； S， 探头截面积

环托法采用YG026H型多功能电子织物强力机进行测试， 选取载荷为110N的传感器与专用夹头， 在其底端安装直径为10mm的圆柱形金属探头。圆环内直径为30mm， 等于网塞在使用状态下底部的直径。待仪器调试完毕后， 将网塞花瓣朝上放置在铝合金圆环载物台上， 形成同心圆。设置探头下行速度为20mm/min。测试进行时， 实时观察网塞下行过程中的形态变化以及压力-位移曲线， 记录曲线出现明显变化时网塞的形态图(3b)。测试完成后， 导出数据， 计算测试网塞的应力应变， 绘制曲线。重复测试10个样本， 结果表示为平均值±SD。同样方法测试圆形平片试样。

图3　环托法测试网塞的抗弯刚度

1.2.2在位压缩法

在位压缩法， 将圆片状补片收缩成体内移植时的在位状态， 即网塞， 使顶部直径等于底部直径。将网塞倒置于载物台上， 取直径匹配的探头， 由上而下运动压缩网塞至原高度的50%， 停留10秒， 探头再由下而上运动直至离开补片， 记录强力位移曲线， 计算应力应变， 以评价补片刚度。在位压缩法模拟了网塞植入后的受力状态， 用以评价其抗压刚度。因此， 此处的抗压刚度定义为网塞压缩过程中的最大应力， 公式如下：

式中：C， 抗压刚度； F， 最大强力； S， 探头截面积

在位压缩法采用LLY-06D压缩仪进行测试。首先， 将网塞收缩为使用时的状态， 即类圆柱状网塞形态， 圆柱状底面直径为30mm。然后， 调整网塞形态使其内部花瓣均匀分布。将网塞倒置于载物台上， 收缩口朝下。用圆环束缚收缩口， 防止压缩过程中试样的滑移。圆环内直径为30mm。压缩比设置为50%， 压头直径为20mm， 下行速度为20mm/min， 停留时间为10s。测试进行时， 实时观察网塞压缩过程中的形态变化以及压力-位移曲线， 记录曲线出现明显变化时网塞的形态。测试完成后， 导出数据， 计算测试网塞的应力应变， 绘制曲线。重复测试10个样本， 结果表示为平均值±SD。

1.2.3织物刚度常规测试方法

网塞基布条状试样的弯曲长度和弯曲刚度， 测试参照GB/T18318.1-2001《纺织品 织物弯曲长度的测定》进行。随机剪取12块试样， 试样尺寸为(25±1)mm×(250±1)mm。其中6块试样的长边平行于织物纵向， 6块试样的长边平行于织物横向。试样至少取至离布边100mm， 并避免皮肤直接接触样本。

2　结果与讨论

2.1复杂结构网塞的抗弯刚度

运用环托法对菊花状复杂结构网塞进行抗弯刚度的测定， 结果表明该方法可以稳定地表征网塞从平面状到使用状态变形过程中的弯曲行为。本研究自制的这种网塞的最大抗弯刚度达到8.84 cN/mm2， 最小为5.80 cN/mm2， 平均达到7.37±1.03 cN/mm2。图4 是菊花状复杂结构网塞在弯曲过程中的应力应变典型曲线。随着位移的增加， 应力随之增加。在应变达到约85%的时候， 应力达到最大值， 随后减小直至网塞离开探头。随着应变的增加， 复杂结构网塞的上层花瓣状结构逐渐聚拢、 接触和挤压， 故导致应力的增加， 结果符合预期。结果表明， 复杂结构网塞在移植过程中， 网塞的聚拢程度及网塞与周围组织之间的摩擦力对移植的顺滑性有较大影响。结果提示， 为了提高手术的可操作性、 缩短手术时间及保证网塞结构的均匀性和稳定性， 可考虑在网塞下表面进行润滑处理。

图4　菊花状复杂结构网塞弯曲过程应力应变曲线

2.2复杂结构网塞的抗压刚度

运用在位压缩法对菊花状复杂结构网塞进行抗压刚度的测定， 结果表明随着压缩距离的增大， 网塞的应力随之增大(图5)。本研究自制的这种网塞的最大抗压刚度达到8.26 cN/mm2， 最小为7.56 cN/mm2， 平均达到7.96±0.29 cN/mm2。在位压缩法较好地模拟了网塞植入疝口的状态， 因此能够较客观地评价疝口中网塞的抗压性能。然而， 为了具有横向可比较性， 测试中仍然要严格控制参数的一致性。因为， 参数对网塞抗压刚度会产生显著影响， 包括束口直径(顶部直径)， 探头直径， 压缩高度及停留时间等[2]。为了减小误差， 测试时建议保持网塞在临床使用时的状态， 探头直径不大于测试面积， 以保证测试过程中受力面积不会发生变化。值得一提的是， 本研究中束口圆环的高度是固定的， 但是高度对测试结果可能有影响， 需要进一步研究。

图5菊花状复杂结构网塞抗压刚度测试过程应力应变曲线

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

2.3网塞基布圆形平片的抗弯刚度

运用环托法对网塞基布圆形平片抗弯刚度进行测定， 结果表明该方法仍然具有很好的可行性和可重复性。网塞基布的最大抗弯刚度达到1.57 cN/mm2， 最小为0.92 cN/mm2， 平均达到1.21±0.21 cN/mm2。图6 是网塞基布圆形平片在弯曲过程中的应力应变典型曲线。比较图6和图4可知， 网塞基布圆形平片弯曲过程中的应力应变行为与菊花状复杂结构网塞具有相同的趋势。然而， 网塞基布圆形平片的抗弯刚度远远低于菊花状复杂结构网塞的抗弯刚度。可见， 菊花状复杂结构网塞的力学性能不仅取决于基布的力学性能， 还与网塞结构有关， 甚至后者的影响更大。从而说明， 对网塞基布力学性能的评价只能在一定程度上间接地反映网塞的力学性能。因此， 本文所提出的针对复杂结构网塞的两种测试方法可以更加全面真实地评价网塞的刚度， 更具有指导意义。

图6　网塞基布圆形平片弯曲过程中的应力应变曲线

2.4网塞基布条状试样的弯曲刚度

为了理解本文建立的测试方法与常规测试方法之间的联系， 本研究参照GB/T 18318.1-2001 《纺织品 织物弯曲长度的测定》的方法， 采用织物弯曲刚度测定仪， 进一步对网塞基布条状试样进行了弯曲刚度测试。结果表明， 网塞基布条状试样的纵向弯曲长度和横向弯曲长度分别为4.14 cm和2.51 cm， 纵向弯曲刚度和横向弯曲刚度分别为5.50 mN·cm和1.19 mN·cm。这说明该网塞基布具有各向异性， 纵向弯曲刚度大于横向。

然而， 网塞移植过程中所表现出来的力学性能是一种综合的力学性能。从这个意义上讲， 网塞基布圆形平片试样的刚度结果更加接近临床应用的实际。但是， 本文所建立的刚度评价方法所获得的结果， 比起网塞基布圆形平片试样的刚度测试结果， 就更加优越， 对临床应用更具有指导意义。因为， 这不仅反映了纤维性质、 组织结构的影响， 更反映了网塞形态结构对其刚度的影响， 是一个综合性能指标。

由此可见， 样本不同， 测试方法不同， 刚度测试结果也不同。而且， 本研究中网塞基布圆形平片、 网塞基布条状试样与网塞试样的测试结果之间并无直接的可比较性。因为， 三者的结构不同、 测试方法不同， 结果的表达亦不相同。因此， 为了评价和比较不同网塞之间的刚度， 亟需更新的、 仿真的、 客观的和标准化的评价方法。本研究正是围绕解决这一关键问题而开展。

最后需要强调的是， 网塞基布条状试样和网塞基布圆形平片试样的刚度对网塞刚度的影响仍不可忽略， 尽管复杂结构网塞的形态结构对其力学性能的影响更大。因此， 只有充分考虑临床应用实际， 模拟使用状态下的测试方法， 其结果对于临床应用才具有指导意义。只有建立适应临床需求的评价方法才是解决问题的根本出路。只有建立统一的标准化方法， 对不同产品刚度的评价， 才具有参考价值。

3　结论

本研究以菊花状复杂结构网塞为研究对象， 为了客观地评价其刚度这一力学性能指标， 建立了两种标准化测试方法， 环托法和在位压缩法。进而， 分别对该网塞在使用过程中的抗弯刚度和术后的抗压刚度进行了研究。环托法和在位压缩法的建立， 主要依据网塞在使用过程中及术后的受力状态， 体外模拟了测试条件。而且， 本研究还利用环托法测试了网塞基布圆形平片试样的抗弯刚度， 采用传统方法测试了网塞基布条状试样的弯曲刚度。初步将这两种新方法的测试结果和传统方法的测试结果进行了比较分析。结果表明， 环托法和在位压缩法可以很好地模拟测试菊花状复杂结构网塞在移植过程中的抗弯刚度和移植后的抗压刚度。该方法科学、 可靠， 操作简便、 易标准化， 且测试条件容易控制， 具有普遍的实用性。与传统纺织品刚度之间的联系可以帮助进一步加深对网塞刚度定量和定性的认识。

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

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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

中央高校基本科研业务费专项(2232015A3-02)上海市教育委员会科研创新项目(ZX201503000017)

关国平，副教授，博士，研究方向：生物医用纺织材料E-mail: ggp@dhu.edu.cn

TS101.3

A

1674-1242(2016)03-0130-05

2016-07-26)