具有局部耐久结构覆膜支架织物覆膜的成型与性能研究

杜 佳 林 婧 Guidoin Robert 张景怿卢 俊 张福虎 劳继红 王 璐#*

1(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)2(加拿大拉瓦尔大学医学院，加拿大魁北克 G1V0A6)

具有局部耐久结构覆膜支架织物覆膜的成型与性能研究

杜 佳1林 婧1Guidoin Robert2张景怿1卢 俊1张福虎1劳继红1王 璐1#*

1(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)2(加拿大拉瓦尔大学医学院，加拿大魁北克 G1V0A6)

覆膜支架织物覆膜的失效主要是由Z形金属支架尖端对周围织物覆膜的反复磨损所引起。拟设计并制备一种具有局部耐久结构的覆膜支架织物覆膜，并从结构(织物密度、壁厚和水渗透性)、力学性能(管状织物径向拉伸和顶破)及体外加速疲劳模拟实验三方面研究组织结构和纬向密度对织物覆膜结构与性能的影响。结果表明，具有局部耐久结构的织物壁厚低于0.15 mm，水渗透性低于15 mL/min/cm2，显著低于商用样及对照样；织物纬密较高，尤其是试样A，纬密在7～8根/mm之间。径向拉伸断裂强度平均12.3 N/mm，与商用样接近；顶破强度平均27.3 N/mm2，显著优于商用样，表明基本满足覆膜支架织物覆膜的结构与力学性能要求；具有局部耐久结构的织物覆膜出现零破损，表明局部耐久结构的联合组织可有效遏制织物覆膜的磨损，但长期耐久性能仍需进一步研究。

织物覆膜；Z形金属支架；局部耐久结构；耐久性

引言

腔内修复术(endovascular repair，EVAR)因具有创伤小、恢复快及并发症少等优点，成为主动脉瘤类疾病的主流疗法[1-3]。该修复术所使用的关键医疗器械覆膜支架(Stent-graft)，是一种经医用缝合线将金属支架和织物覆膜缝制为一体的纺织基人工血管。自Parodi率先采用覆膜支架治疗腹主动脉瘤[4]以来，已有多种商用品牌覆膜支架面世[5-6]。然而，临床研究表明，EVAR的长期耐久性并不乐观，二次介入治疗和瘤体破裂的比例较高[7-9]，且发生与覆膜支架织物覆膜相关的并发症率有增加趋势[10]。Jacobs等指出，织物覆膜的疲劳可能是由于金属支架尖端与其附近织物覆膜之间存在反复微小运动而致其磨损[11]。Lin等基于体外加速疲劳模拟实验证实了这一点[12-13]。因此，有必要提高金属支架尖端附近织物覆膜的耐久性。但是，目前国内外针对覆膜支架耐久性的研究主要集中在金属支架方面[14-15]，且尚无为提高覆膜支架耐久性而设计新型织物覆膜的研究报道，而织物覆膜的结构与力学性能直接影响覆膜支架的长期耐久性及服役性能。

因此，本研究拟设计并制备出一种具有局部耐久结构的覆膜支架织物覆膜，并探讨组织结构和纬向密度对其结构与性能的影响，以期防止Z形支架尖端织物覆膜的磨损，从而提高覆膜支架的耐久性能。

1 材料与方法

1.1 实验材料

参照商用品牌覆膜支架，选用医用涤纶复丝作为原材料，其纱线规格和性能见表1。

表1 纱线规格及类型Tab.1 Yarn specification and type

图1 具有局部耐久结构的覆膜支架设计Fig.1 Design of fabrics of stent-grafts with local durable structures

1.2 实验方法

1.2.1 局部耐久织物覆膜的设计与制备

本研究所设计的具有局部耐久结构织物覆膜包含基础区和加固区，其中加固区分布在金属支架尖端及相邻两环状金属支架中间区域，其余均为基础区(见图1)[16]。为提高加固区的局部耐久性，本研究设计了两种联合组织(方平+平纹、纬重平+平纹)作为加固区的织物组织。联合组织(方平+平纹)是参照纬二重组织的设计方法及降落伞伞衣织物的“防撕组织”而设计[17-18]，联合组织(纬重平+平纹)是基于纬重平较优异的纬向耐久性能[17]并借鉴前者的设计方法而设计。鉴于商用品牌覆膜支架织物覆膜多是平纹组织，故基础区选用平纹组织。

采用管状机织物一体成型技术制备，每种结构设计两种纬密进行织造，并对试样进行热定型(180℃，10 min)，以保持其管状形态[19]。另制备平纹结构织物覆膜作为对照样(R-1和R-2)，并选用商用品牌Anaconda覆膜支架(C-1)[20]对比。设计方案见表2。

1.2.2 织物覆膜的结构参数测试

基于标准YY 0500—2004[21]，对织物覆膜的基本结构参数进行测试。其中，具有局部耐久结构的织物覆膜试样重点考察加固区织物覆膜的密度和壁厚。

表2 试样设计方案Tab.2 Designing scheme of samples

1)织物密度：这里是指织物的成品密度。织物经向为平行于血流的方向，纬向为垂直于血流的方向。在体式显微镜(Nikon SMZ 745T，尼康仪器有限公司)下，测量织物的经/纬向密度，单位为根/mm。

2)壁厚：织物覆膜的壁厚采用KES风格仪测试(Kawabata KES-G5 system，加多技术有限公司)。选择加固区不同位置测量织物厚度，每样测试10次，取其平均值。

3)整体水渗透性：鉴于具有局部耐久结构覆膜支架织物覆膜包含多个加固区和基础区，其各部分的紧密程度存在显著差异，故本研究选择对织物覆膜的整体水渗透性进行测试[21]。测试样品的有效长度为5 cm，取样时所有试样的加固区与基础区长度相同，以保证测试试样的统一性。水流流过试样的有效表面积为15.7 cm2，连续测试10 min，分别测量单位时间的水渗透量，测试3次取其平均值并计算水渗透性，单位为mL/(min·cm2)。

1.2.3 织物覆膜的力学性能测试

1)径向拉伸断裂强度：参照标准YY 0500—2004或ISO 7198:1998(心血管植入物——人工血管)[21]，在医用纺织品强力仪(YG-B 026G-500，温州大荣纺织仪器公司)上测试管状试样的径向拉伸断裂强度。试样长度均为20 mm，取样时，所有试样的加固区与基础区长度相同，以保证测试试样的统一性。每样测试3次，取其最大负载力T(N)的平均值，计算径向拉伸断裂强度F(N/mm)，有

F=T/(2L2)

(1)

式中，L2为试样长度(20 mm)。

2)顶破强度：具有局部耐久结构的织物试样，其顶破强度重点考察加固区。在医用纺织品强力仪上测试试样的探头破裂强度。每样测试3次，取其平均值并计算顶破强度F2(N/mm2)[21]，有

(2)

式中，F2(N/mm2)和Fm(N)分别是顶破强度与顶破强力，D是顶破探针的探头直径(1.5 mm)。

1.2.4 覆膜支架的体外加速疲劳模拟测试

为进一步表征织物覆膜的耐疲劳性能，笔者取一组上机密度为8根/mm的织物覆膜试样(R-2，A-2和B-2)，用5-0医用涤纶缝合线，将Z形金属支架与织物覆膜缝制成覆膜支架，其中Z形金属支架是根据商用品牌覆膜支架定制而成[12]。基于体外扭转弯折疲劳模拟装置[22]，对覆膜支架的耐疲劳性能进行加速疲劳模拟试验。其中，织物覆膜长度为100 mm，直径为10 mm；Z形金属支架为镍钛合金支架，高度为12.89 mm，内径为11 mm，每个独立环状Z形金属支架包含5个最小单元为V形的金属支架。每个覆膜支架上缝有3个独立环状Z形金属支架，所有试样模拟时间均为24 h。

2 结果

2.1 局部耐久织物覆膜表观形态

图2是具有局部耐久结构的织物覆膜表观形态。结果表明，这种设计具有可行性。

图2 具有局部耐久结构的织物覆膜表观形态。(a)局部耐久织物覆膜全局；(b)试样A；(c)试样B；(d)试样A局部放大；(e)试样B局部放大Fig.2 Gross observation of fabrics with local durable structures. (a) The overall of local durable fabric; (b) Sample A; (c) Sample B; (d) Detail of sample A; (e) Details of sample B

2.2 织物覆膜的结构表征

1)织物密度：图3表明所有试样的经纬密均高于商用试样C-1(6.75×4.85根/mm)[13]。

随着设计/上机纬密的增加，3种试样的实际纬密均呈递增趋势，且存在显著差异(P<0.05)，而所有试样实际经密间不存在显著性差异(P>0.05)。相比对照样R，具有局部耐久结构的试样A和B的实际密度相对较高，尤其是A试样。但实际纬密均在7根/mm左右，仅A-2的纬密接近设计密度8根/mm。

图3 织物密度Fig.3 Fabric counts

2)壁厚：图4是所有试样的壁厚，均低于0.15 mm，且低于商用试样C-1[13]。

图4 壁厚(商用和对照样基础区，局部耐久织物加固区)Fig.4 Thickness(Basic zone of commercial and control samples，reinforced zone of local durable fabrics)

3)整体水渗透性：从图5可以得出，局部耐久织物整体水渗透性均低于15 mL/(min·cm2)，显著低于商用试样C-1。

图5 整体水渗透性Fig.5 Integral water permeability

同种设计密度下，试样A和B的水渗透性均显著低于对照样R，且试样A最低。整体看，3种组织的水渗透性均随着织物纬向密度的增加而呈现下降趋势。

2.3 局部耐久织物覆膜的力学性能评价

1)径向拉伸断裂强度：所有试样的径向拉伸强度均略低于商用试样C-1((13.4±2.0)N/mm)，而试样A和B的径向拉伸断裂强度均介于试样C-1的径向拉伸断裂强度范围之间，表3是所有试样径向拉伸断裂强度。结果显示，同种设计纬密下，试样A和B的径向拉伸断裂强度均显著高于对照样R，且试样A最大。同时，试样径向拉伸断裂强度随着纬密增加而增加。

表3 试样径向拉伸断裂强度Tab.3 Circumferential tensile strength

2)顶破强度：同种设计纬密下，试样A和B的顶破强度均高于对照样R(见表4)，并且试样A的顶破强度均高于试样B。3种试样的顶破强度随着纬密的增加而呈现递增趋势。此外，试样A和B的顶破强度均显著高于商用试样C-1((22.25±1.51)N/mm2)(P<0.05)。

表4 试样顶破强度Tab.4 Bursting strength

2.4 疲劳模拟评价

图6表明，相比对照样R-2，试样A-2和B-2在疲劳模拟24 h后，织物覆膜均未出现破损现象，部分金属支架尖端处缝合线出现断裂。而试样R-2则出现了织物覆膜的破损，主要集中于金属支架尖端区域及相邻近两环状金属支架中间区域。

图6 疲劳模拟24 h试样的表观形态(每行从左至右分别为整体、支架尖端区域和相邻两环状支架中间区域)。(a) R-2; (b) A-2; (c) B-2Fig.6 Gross observation of stent-grafts after fatigue simulation for 24 hours (Each row from left to right, respectively, is the overall, reinforced zone close to tips of stents and reinforced zone between adjacent stents). (a) R-2; (b) A-2; (c) B-2

3 讨论

本研究制备了具有局部耐久结构的覆膜支架织物覆膜，结果表明该设计具有可行性。

结构表征的结果表明，壁厚和整体水渗透性均达到覆膜支架织物覆膜的结构要求，但织物实际密度较高。这对于腔内修复术用覆膜支架织物覆膜要求的低孔隙率非常有利，但机织物一般为确保布面平整而要求经密大于纬密，故试样A-1与B-2更为符合要求。试样A和B联合组织的壁厚均显著高于同等设计纬密的对照样R，这是由于织物密度较高的联合组织的纱线排列相比平纹组织更为紧密，纱线屈曲波高比较大，导致壁厚较大。同样是平纹且织物密度较低的商用试样C-1壁厚最大，则与其纱线规格相关，其经纱同样为40D/27f，但纬纱为80D/54f，较多的纬纱根数导致其壁厚较大。同种设计密度下，试样A的水渗透性最低，这也与试样A织物密度的结果一致，表明联合组织(方平+平纹)的紧密程度更高。织物的水渗透性随纬密的增加而呈下降趋势，表明增加纬密可有效提高织物的抗渗透性。

力学性能表征的结果表明，该种织物的满足覆膜支架织物覆膜的力学性能要求。其中，具有局部耐久结构的覆膜支架织物覆膜的顶破性能均优于商用试样，而试样A和B的径向拉伸断裂强度均介于试样C的径向拉伸断裂强度范围之间。这表明，具有局部耐久结构的织物覆膜的径向支撑力基本满足覆膜支架织物覆膜的力学性能要求。

体外加速疲劳模拟实验表明，织物磨损主要是受到织物覆膜附近Z形金属支架尖端的应力集中作用，以及与其相邻的另一环状Z形金属支架尖端的穿刺作用[12-13]。而具有局部耐久结构的试样A和B织物覆膜的完整性，验证了金属支架尖端区域及相邻两环状支架中间区域的加固区可有效防止金属支架的穿刺，从而增加了织物覆膜的耐久性。

4 结论

本研究设计并制备了具有局部耐久结构的覆膜支架织物覆膜，相对于商用试样C和对照样R，以联合组织作为加固区的织物组织的织物均具有非常紧密的结构以及良好的力学性能，满足作为覆膜支架织物覆膜的基本要求。体外覆膜支架疲劳性能模拟的结果表明，具有局部耐久结构的织物覆膜的确可以有效提高织物覆膜的耐久性。

总体上，联合组织(方平+平纹)的性能更优异，适用于作为具有局部耐久结构织物覆膜加固区的组织结构，但其结构参数仍需优化，且长期耐久性还需深入细化研究。

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The Preparation and Properties Study on Fabrics of Stent-Graft with Local Durable Structures

Du Jia1Lin Jing1Guidoin Robert2Zang Jingyi1Lu Jun1Zhang Fuhu1Lao Jihong1Wang Lu1#*1

(KeyLaboratoryofTextileScienceandTechnologyofMinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)2(DepartmentsofSurgeryandRadiology,LavalUniversityandQuébecBiomaterialsInstitute,QuebecG1A0A6,Canada)

fabric; zig-zag stent; local durable structure; durability

10.3969/j.issn.0258-8021. 2017. 02.019

2016-07-19， 录用日期:2016-10-08

国家自然科学基金(81371648)；教育部纺织生物医用材料与技术创新引智基地111计划(B07024);2016中央高校基本科研业务费基地建设项目(11D110119)

R318

A

0258-8021(2017) 02-0252-05

# 中国生物医学工程学会高级会员(Senior member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: wanglu@dhu.edu.cn