机织管状人工韧带的结构及性能研究

张 茜 庄兴民 雷 敏 晏 雄

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



机织管状人工韧带的结构及性能研究

张 茜1, 2庄兴民1, 2雷 敏1, 2晏 雄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

人体膝关节是人类运动受伤频发的部位，对于膝关节韧带损伤常用的治疗方法是自体移植物和异体移植物的移植。但自体移植物与异体移植物存在一定的缺陷和来源少等问题，这使得人工韧带移植治疗方法具有较大的发展前景。采用三种不同线密度的涤纶纱线设计并织造12种管状试样，对试样进行力学性能测试。试验结果表明：当纱线线密度为22.2 dtex、经纱数为120根、每筘穿入数为6时，人工韧带的强力为827 N、断裂伸长率为57%，机织管状人工韧带的力学性能曲线接近于人体韧带。可进一步研究人工韧带的耐持久性及生物相容性，使人工韧带成为人体韧带的理想移植物。

机织管状织物, 膝关节, 人工韧带, 力学性能

膝关节是人体最大、结构最复杂的关节。膝关节交叉韧带是连接关节两骨或软骨之间的纤维致密结缔组织束或膜，主要由弹力纤维及胶原纤维组成[1]。膝关节交叉韧带有前交叉韧带和后交叉韧带两根，是稳定膝关节的主要结构，对膝关节的稳定起着至关重要的作用。膝关节不是杆臼式关节,它没有牢固的骨性结构，主要依靠股四头肌及内外侧副韧带和前后交叉韧带保持其稳定性。其中任何一条韧带断裂或松驰，都可以使其稳定性遭受破坏，从而影响膝关节的功能[2]。在剧烈运动时，人体韧带常由于受到非生理性的外力而导致挫伤，如受力后使得膝关节前交叉韧带和后交叉韧带的断裂和损伤等。膝关节交叉韧带断裂损伤是人体运动较易发生的创伤。

目前对于轻微的韧带损伤，临床一般采用保守的治疗方法，通常不进行手术治疗，而对于韧带断裂需在早期或后期进行韧带重建手术治疗。临床重建交叉韧带使用的材料一般包括自体移植物、异体移植物和人工合成材料。自体和异体移植物重建交叉韧带是目前的主流选择，常见的是自体髌腱或半腱肌移植，但会引起自体供区的膝前疼痛等并发症；而异体髌腱、跟腱、阔筋膜材料来源少，且存在早期的免疫排斥反应，导致出现生物长入延迟甚至有传播疾病的危险。

人工韧带可以极大地减少自体移植物和异体移植物存在的缺点。现有的人工韧带材料主要包括碳纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚乳酸等。结构方面的加工技术主要有机织、编织、针织及其复合结构。相比于编织等其他制造技术，机织技术可以在材料结构设计方面有更多的选择，在保证人工韧带强力的情况下结构更为稳定，还可以根据患者自身的情况来进行定制设计，适应不同患者的需求，使得人工韧带能发挥出更好的作用。本试验采用涤纶复丝作为织造材料织制了12种机织试样，并对试样进行力学性能测试。测试结果表明，机织管状人工韧带的拉伸性能曲线和人体韧带极为相似，说明机织人工韧带可以作为人体韧带的移植物。

1 试验

1.1 试验材料及仪器

根据医用移植物人工韧带材料要求，试验选用规格为11.1、16.7、22.2 dtex的涤纶低弹复丝，并在YG015型纱线强力测试仪上对复丝进行力学性能测试，结果如表1所示。

表1 涤纶复丝的拉伸性能

1.2 织造工艺参数设计

采用SUMAGH-SL7900型刚性剑杆小样织机加工12种织物。其中，管状织物的基础组织为平纹组织，织造工艺参数变量为纱线线密度、每筘穿入数、总经纱根数。设计的织造工艺参数如表2所示，织造用纹板图、经纬纱交织方式及织造试样如图1、图2和图3所示。

表2 织造工艺参数

图1 织造用纹板图

图2 经纬纱交织方式

图3 管状人工韧带

2 力学性能测试

采用YG-B026H型生物医用材料多功能强力仪(温州大荣仪器有限公司制造)测试管状织物的力学性能，拉伸速度为50 mm/min，夹持距离为50 mm， 每种试样测试5次，参照ISO 7198—1998的测试方法进行测试。刚度S=F/(l1-l0)，其中l1为试样拉伸断裂时的长度，单位为mm，l0=50 mm，F为5次最大强力的平均值。按照以上测试条件，对12种试样进行轴向拉伸测试，数据处理结果如表3所示。

表3 织物的力学性能

分析归纳国内外研究者[3-6]在人体韧带力学性能方面的研究情况得到表4。表中归纳了不同研究者研究的不同年龄段、不同性别的人体韧带的断裂强力及断裂伸长率范围。由表4可知，人体韧带的强力范围是350～2 390 N，年轻人的韧带强力较大，断裂伸长率也较大。

表4 人体韧带的断裂强力及断裂伸长率

3 人工韧带的力学性能结果分析

3.1 纱线线密度对强力的影响

图4为不同纱线线密度试样的拉伸强力与断裂伸长曲线，图中的最适强力范围(表4中强力及伸长率的最小和最大值)由参考文献[3-6]所得。

图4 不同纱线线密度试样的拉伸强力与断裂伸长曲线

从图4中可以看出，所制备的人工韧带的强力都在最适强力范围内，符合韧带对强力的要求。另外，试样的强力随纱线线密度的增大而增大。原因是一方面与长丝本身的强力有关，另一方面是在相同的经纱根数和筘号的情况下，纱线越粗，组织结构越紧密，在织物变形不大的情况下织物的强力越大。由表3可知，在相同的经纱根数和筘号的情况下，断裂伸长率也随着纱线线密度的增大而增大。

3.2 每筘穿入数对强力的影响

图5为不同筘穿入数试样的拉伸强力与断裂伸长曲线，图中的最适强力范围同3.1节。

从图5中可以看出，所制备的人工韧带的强力都在最适强力范围内，且试样的强力随着纱线每筘穿入数的增加而增大。原因是在相同的经纱根数和经纱线密度的情况下，每筘穿入数越多，可以发挥强力的纱线越多，结构就越紧密，织物强力越大。由表3可知，在相同的经纱根数和线密度的情况下，断裂伸长率也随着纱线每筘穿入数的增加而增大。

3.3 经纱根数对强力的影响

图6为不同经纱根数试样的拉伸强力与断裂伸长曲线，图中的最适强力范围同3.1节。

图6 不同经纱根数试样的拉伸强力与断裂伸长曲线

从图6中可看出，所制备的人工韧带的强力都在最适强力范围内，且随着经纱根数的增加而增大。原因是在其他参数相同的情况下，在适当的织物变形范围内，经纱根数越多，拉伸时发挥强力的纱线越多，织物强力越大。由表3可知，在相同的线密度和每筘穿入数的情况下，断裂伸长率随着经纱根数的增加呈下降趋势。

4 结论

(1) 经纱根数对人工韧带力学性能的影响最大，在相同的线密度和每筘穿入数的情况下，经纱根数增加时韧带的强力变化最大。

(2) 当工艺参数为纱线线密度22.2 dtex、经纱根数120根、每筘穿入数6根时，人工韧带的断裂强力及断裂伸长率均较好，强力为827 N，断裂伸长率为57%，满足人体韧带的强力及伸长率要求，且人工韧带的拉伸性能曲线与人体韧带相似，可以作为人体韧带的移植物。

[1] 关国平，关红涛，王璐.韧带损伤及人工韧带应用与研究[J].生物医学工程学进展，2013, 34(4): 234-238.

[2] 刘植珊，李光业. 膝关节韧带损伤的早期治疗[J].第二军医大学学报，1980(2):46-48.

[3] CLAES L，BURRI C, HERFARTH C. et al. Biomechanics eigenschaften human bander[J]. Alloplastischer Bandersatz,1983，42(3):12-19.

[4] DAUNER M. Erarbeitung der flechttechnologischen grundlagen fur eine kreuzbandprothese[D]. France:Stuttgart University,1999:51-78.

[5] KUEHN T. Entwicklung eines alloplastischen bandersatzes[D]. France:Technische Hochschule, 1998:30-69.

[6] WITZEL U. Consideration on the biomechanics of the knee joint with regard to ligament reconstruction, especially with a polyethylene-terephthalate alloplastic ligament (trevira ligament) [M]//Ligaments and Ligamentoplasties. Berlin: Springer-Verlag, 1997:227-243.

The structure and performance study of woven tubular artificial ligament

Zhang Qian1, 2， Zhuang Xingmin1, 2， Lei Min1, 2， Yan Xiong1, 2

1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China

The human knee-joint is a part where human frequent sports injuries happen. The common medical treatments are made by autotransplantation and allograft transplantation. However, the autograft and allografts have defects and few sources, which makes artificial ligament transplantation treatment have great prospects for development. Three kinds of polyester yarn, with different specifications, are used to design and weave out twelve woven tube samples. Mechanical performances are tested on these samples. The results show that when the yarn density is 22.2 dtex, the number of picks is 120, and the reeding number is 6, the broking load is 827 N, and the elongation at break is 57%. So the mechanical performance curves of the woven tubular artificial ligament are close to one of the human body ligament. It is feasible to further study the artificial ligament persistence resistance and biocompatibility, which makes artificial ligaments an ideal human body ligament graft in the future.

woven tubular， knee-joint， artificial ligament， mechanical performance

2015-06-03

张茜，女，1990年生，在读硕士研究生，研究方向为机织人工韧带的生物力学性能

晏雄，E-mail: yaxi@dhu.edu.cn

TS156

A

1004-7093(2016)04-0020-04