聚乳酸经编盆底修补网片的制备与热定型工艺

鲁 瑶， 陈艳春， 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)

传统的盆腔重建方式均为对薄弱的组织进行反复加固，很难建立一个强健和稳固的盆底系统以对抗腹压强度，而应用网片不仅修补受损的组织，还可促使组织再生[1-2]。近年来，利用人工合成网片进行盆底重建的手术得到广泛的推广，人工合成的不可吸收网片材料具有坚固和应用方便等特点，展现了一定的优势，但其所引发的并发症也随之而来，如感染和侵蚀，其发生率为2%～3%[3-4]。不可吸收材料的重量及整个网片的弹性都会影响修补材料的收缩性[5]。有研究证实，在疝修补手术中组织结疤时会造成网片20%～30%的收缩率[6]。若使用不可降解材料制备盆底修补网片，同样也会导致类似的情况。

聚乳酸(polylactic acid, PLA)是美国食品与药品监督管理局(FDA)认可的生物医用材料，无毒且具有良好的生物相容性，常被用于组织工程或模仿细胞外基质，作为细胞生长等功能性材料[7-8]。PLA在盆底和疝补片的应用主要以PLA作为涂层制备复合型补片为多。例如，Parietene Progrip (Sofradim Production, Coviden, France)就是一种将PLA涂层于聚丙烯(polypropylene, PP)补片上制成的具有免缝合功能的复合补片[9]。文献[10]将PLA纳米薄片在补片植入过程中贴合于组织上方，以期获得更好的组织相容性。文献[11]制备出一种以PLA单丝编织而成的大孔补片，并证实这种补片具有明显较小的收缩率和炎症反应。以PLA材料制备的补片相比传统的PP补片具有更小的炎症反应，其可降解性还解决了补片长期植入发生迁移的风险。

本文选用可降解的PLA单丝为原料，制备出可吸收的盆底修补网片。通过将网片在不同的温度(120～140℃)和时间(5～15 min)下热定型，探讨热定型工艺对网片的结构参数和力学性能的影响。基于稳定的强力和较低的弯曲刚度，选择适合PLA网片的热定型工艺并对网片的生物相容性进行研究。

1 试验部分

1.1 试验材料

本文所用的PLA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0.138mm，线密度为16.65 tex，断裂强度为28.829cN/tex。单丝表面结构光滑(如图1所示)。PLA的差示扫描量热(DSC)图谱如图2所示。从图2可以看出，PLA于145℃左右开始熔融，并在166℃左右达到熔融峰值。

图1 PLA的显微镜照片Fig.1 Microscope image of PLA

图2 PLA的DSC谱图Fig.2 DSC thermogram of PLA

1.2 PLA盆底修补网片的结构设计与制备

为了在织物中形成网眼，必须使相邻纵行在部分横列中失去联系，这种采用经编织物形成网孔的方法是最常见的。

本文设计的PLA盆底修补网片，优先选择了三梳编链衬纬经编网孔组织，其垫纱工艺为

GB1：1-0/0-1//，满穿；

GB2：0-0/2-2/1-1/3-3/0-0/3-3/1-1/2-2/0-0/3-3//,1穿1空；

GB3：3-3/1-1/2-2/0-0/3-3/0-0/2-2/1-1/3-3/0-0//，1穿1空。

编链加衬纬组织是经编中形成孔眼最常用的一种方法，可形成方格、六角等多种孔眼形状[12]。编链使得织物纵向延伸性小，具有较好的尺寸稳定性。衬纬纱起着横向连接、纵向加固的作用，同一横列的两把衬纬纱梳栉针背反向对称垫纱，使得织物结构更加稳定。本文制备PLA补片的步骤主要包括整经、编织和热定型。

1.2.1 整经

整经质量的好坏直接关系到织造过程能否顺利进行，以及织物质量的均匀和稳定[13]。本文所用的试样整经线速度为200转/min，分纱人字筘E24，一穿一空，盘头规格为17.78 cm×17.78cm(7英寸×7英寸)，6个盘头，每个盘头69根纱。

1.2.2 编织

PLA盆底网片的上机密度为9.8横列/cm，送经量GB1为(2 250±50)mm/rack，GB2为(830±50)mm/rack，GB3为(810±50)mm/rack。

1.2.3 热定型

热定型是指通过加热使纤维及织物形态和尺寸保持相对稳定的过程[14]。本试验选用R-3型自动定型烘干机，通过改变定型后网片的横密和纵密来实现定型张力的量化。试样所需裁剪的尺寸可通过下机纵横密、目标纵横密和针板尺寸计算得到，计算方法为

(1)

针板尺寸固定为280mm×126 mm， PLA 织物下机后实测目标纵密和横密分别为15横列/cm和9.5纵列/cm，热定型后盆底网片的纵密和横密所需要的目标密度分别为10横列/cm和8.3纵列/cm。根据式(1)计算得到网片定型尺寸为186 mm×110mm。定型的温度和时间根据PLA的熔点确定，即热定型温度为120～140℃，热定型时间为5～15 min。对于热定型试验的设计见表1所示。

表1 PLA盆底修补网片的热定型工艺参数Table 1 Heat-setting parameters of PLA pelvic floor repairing mesh

1.3 PLA盆底修补网片的性能测试

1.3.1 结构参数测试

(1) 厚度。参考GB/T 3820—1997，采用YG 141N型数字式织物厚度仪测试试样厚度，取10次测试结果的平均值。

(2) 面密度。采用FA 2004A型电子天平，在温度为(20±2)℃、相对湿度为(65±2)%的恒温恒湿室里对调湿24h 的盆底修补网片进行称重，测试5次，取其平均值。

(3) 孔隙率。采用计算机图像处理方法计算网片孔隙率。用显微镜随机拍摄图像，将其导入计算机图像处理软件中进行处理。此处采用大律法阈值原理处理图像，按照图像的灰度特性，将图像分割成背景和目标，文中背景为织物孔隙部分，目标为织物。孔隙率(P)为背景像素点占整幅图像的百分比，其计算式为

(2)

式中：Nt为总的像素点数；Nw为白色像素点数。

1.3.2 力学性能测试

(1) 拉伸性能。参考GB/T 3923.1—1997，试验采用仪器为HD 026N+型电子织物强力仪。由于PLA盆底修补网片所织样品幅宽较小，仅为 14cm，因此试样的经纬向测试规格按照测试标准缩小为 80mm×20mm，纵、横向试样各5块，夹持隔距为80mm，拉伸速度为100mm/min，预加张力为2 N。

(2) 顶破性能。参考GBT 19976—2005，试验采用仪器为HD026N+型电子织物强力仪。试样为圆形，直径为6 mm，试验机升降速度为100mm/min，隔距为400mm，每块试样测试5次。

(3) 抗弯刚度。参考GB/T 18318—2001，本试验将采用斜面悬臂法测量针织物纵横向弯曲长度，纵横试样各3块。抗弯刚度的计算如式(3)所示。

2）用户行为（包括 PDP激活、RAU、TAU、QOS更新等）涉及到SGSN与GGSN间进行gtpc或者gptu交付的情况，一旦一条GTP消息没有得到对端网元的正确响应，同样将会上报“gtpc路径断”；

G=m×c3×10-3

(3)

式中：G为单位宽度的抗弯刚度，mN·cm ；m为试样的面密度，g/m2；c为试样的平均弯曲长度，cm。

(4) 拉脱强力。本试验采用YG(B)026H—500型医用纺织品多功能强力仪进行测试，拉脱试验示意如图3所示。试样操作隔距为100mm，预加张力为0.1 N，拉伸速度为100mm/min。试验中采用高强涤纶缝合线，缝合线从距织物边缘3 mm 处孔洞中穿过，两端被上夹头夹住，被测试样由下夹头固定。纵、横向试样各5块，试样尺寸为50mm×50mm。

图3 试样拉脱试验示意图Fig.3 Schematic program of suture pull-off measurement

1.3.3 生物相容性的测试

(1) 手术方法。30只质量为2.0～2.3 kg的新西兰大白兔(同济大学附属同济医院动物饲养中心提供)被随机分为2组，分别为PLA网片组与假手术对照组。使用补片的试验组中，每只动物植入两张网片；假手术对照组的操作方法与网片组相同。

手术中，首先将动物背部脱毛后，由耳缘静脉注射3%的麻醉剂戊巴比妥钠。背部纵向切开长约3cm的切口，钝性分离皮下筋膜，将5cm×3cm大小的补片平铺埋植于皮下，在网片中央缝合固定(图4)。埋植完毕后逐层缝合皮肤切缘。术后不使用抗生素，试验期间所有动物均饲养在温度为15～25℃和相对湿度为60%～70%的标准环境中，每天定时补给饲料与水。每组的5只动物分别于1个月、3个月、6个月后采用空气栓塞法处死，并将补片及其周围皮肤肌肉同时取材、固定。

图4 植入动物背部的PLA盆底修复网片Fig.4 The PLA mesh being implanted on the back of animal

(2) 补片-组织的大体观察。对试验期间的补片-组织复合物进行观察，记录补片粘连、折叠、暴露等异常现象的发生率。

(3) 补片-组织的收缩率。收缩率采用补片-组织减少的面积与植入前面积比值表示。补片取出后立即采用透明薄膜描绘其轮廓边缘，并将图片输入电脑中，通过Photoshop CS6读取补片图像部分的像素值，计算其与植入前图像像素的比值，即得到补片收缩率。每组随机抽取3个样品进行测试，结果以重复试验的平均值与标准差表示。

2 结果与讨论

2.1 PLA盆底修补网片的结构参数

经过不同热定型工艺后PLA网片的结构参数如表2所示。由表2可知，PLA 网片属于重量型网片，网片的面密度为 87.88～97.35 g/m2，厚度为 0.593 9～0.703 7mm，孔隙率达到63.77%～69.21%。其中7#试样面密度最小，孔隙率相对最大。温度对网片的面密度影响较为明显，温度每升高10℃，面密度平均减少2 g/m2左右，厚度平均减少0.02～0.03 mm，孔隙率平均增大0.8%左右。而当温度不变时，采用更长的定型时间导致网片的面密度增加，但对厚度以及孔隙率的影响不明显。

表2 PLA盆底修补网片的结构参数Table 2 Structural parameters of PLA mesh

2.2 PLA盆底修补网片的力学性能分析

2.2.1 断裂强力

热定型后的PLA 盆底修补网片的纵向断裂强力为94.3～186.7 N，横向断裂强力为25.1～74.3 N。定型温度和定型时间对PLA盆底修补网片纵、横向断裂强力的影响情况如图5所示。由图5可知，网片的断裂强力随着定型温度的升高总体呈增加趋势。以温度140℃定型后的PLA网片在纵、横向皆具有最大的强力；但是当定型温度从120℃升高至130℃时，网片的强力基本无变化。这可能是由于网片在140℃ 条件下加热一段时间后，PLA 单丝的热收缩现象严重，造成网片的线圈分布更为紧密。定型时间的变化对PLA网片的断裂强力的影响无明显的规律，增加定型时间并未造成网片强力的明显损失。

(a) 纵向(b) 横向

2.2.2 顶破强力

热定型后PLA盆底修补网片的顶破强力为120.2～184.6 N。温度和时间对网片顶破强力的影响如图6所示。由图6可知，顶破强力随着定型温度的升高显著降低，在温度为140℃的条件下定型后的PLA网片具有最低的顶破强力。与断裂强力相似，定型时间对顶破强力无明显影响。

图6 温度和时间对PLA修补网片顶破强力的影响Fig.6 The effect of temperature and time on the bursting strength of PLA mesh

2.2.3 抗弯刚度

PLA网片经过定型后的纵向抗弯刚度为234.04～522.72 mNcm，横向抗弯刚度为44.13～87.59 mNcm。PLA网片的编链衬纬结构决定了其方向性特征，即网片沿纵向硬挺而横向较为柔软。温度和时间对PLA网片抗弯刚度的影响如图7所示。由图7可知，随着定型温度的升高，网片的纵、横向弯曲刚度明显增加，PLA网片变得更加刚硬。随着定型时间的增加，纵向弯曲刚度呈增加趋势，而横向弯曲刚度降低。结合断裂强力的试验结果可知，网片定型后由于单丝的收缩变得更为紧密，而网片的收缩主要沿弹性更好的横向进行，导致网片的孔眼变得更为细长，因此网片的纵向弯曲刚度增加而横向弯曲刚度降低。

(a) 纵向(b) 横向

图7温度和时间对PLA盆底修补网片抗弯刚度的影响

Fig.7TheeffectoftemperatureandtimeonthebendingstiffnessofPLAmesh

2.2.4 缝线拉脱强力

PLA盆底修补网片的纵向缝合线拉脱强力为5.27～13.99 N，横向缝合线拉脱强力为 21.03～33.6 N。温度和时间对PLA网片缝线拉脱力的影响如图8所示。由图8可知，随着定型温度的升高，网片的缝线拉脱力呈降低的趋势。网片的缝线拉脱力随定型时间的变化并不明显，并且无规律可寻。

总体而言，相比定型时间，定型温度对PLA网片的结构参数以及力学性能的影响更为显著。随着温度的升高，网片的断裂强力增加，顶破强力降低，抗弯刚度增加，缝线拉脱强力降低。网片在高温定型后性能改变明显，网片变得更加脆硬并且易受冲击的影响发生断裂。因此过高的热定型温度并不适合于PLA网片。但是温度过低又易导致网片定型不充分，孔眼形状发生变化。试验中发现，定型温度为120和130℃所对应网片的力学性能极为相近，但是以130℃热定型后的网片尺寸更为固定。基于希望网片具有稳定的强力以及较低的弯曲刚度，选择PLA网片的热定型工艺参数为温度130℃和时间10 min。

(a) 纵向(b) 横向

图8温度和时间对PLA盆底修补网片缝合线拉脱强力的影响

Fig.8Theeffectoftemperatureandtimeonthesuturepull-offforceofPLAmesh

2.3 PLA盆底修补网片的生物相容性分析

2.3.1 网片-组织的大体情况观察

PLA网片暴露出体外的状况如图9所示。暴露是指补片通过磨损周围组织，导致皮肤溃败并露出体表的现象。网片在植入动物体后的期间，发现部分补片暴露出体外并且伴随着周围组织的脓肿和感染，补片暴露的发生率为13.33%(4/30)和假手术对照组相比具有统计学差异(P=0.018)。PLA网片的刚硬特点被认为是导致此现象的主要原因。

图9 PLA网片暴露出动物体外Fig.9 The exposure of PLA mesh

2.3.2 网片-组织的收缩率

图10 PLA网片的收缩现象Fig.10 The shrinkage phenomenon of PLA mesh

PLA网片的收缩现象如图10所示。PLA网片的收缩率经测试为(2.15±0.26)%，网片基本没有出现大幅度的变形以及尺寸缩小的现象，导致这一现象的主要原因是网片的厚重结构以及高刚度。厚重的结构使得网片不易受周围肌肉运动的影响，网片不会被反复拉伸因而稳定了其作用面积。

通过对网片进行埋置试验并对网片-组织的性能进行分析，发现PLA网片厚重、刚硬的特点虽然易导致暴露现象的发生，但是也稳定了网片的作用面积，表现为极小的收缩率。PLA网片的低收缩率优点是大部分轻量型的盆底补片所欠缺的。如植入体内的网片面积的大幅度减少，常常伴随着网片在体内的蜷缩变形，并且导致术后复发甚至需要再次手术，这严重危害了患者的健康。

4 结 语

本文选用直径为0.138 mm的PLA单丝，在机号为E20的经编小样机上编织了三梳编链衬纬经编网孔组织，通过研究热定型温度和时间对网片的结构参数以及力学性能的影响，寻找较为适合本文制备的PLA盆底修补网片的定型工艺。所得结论如下：

(1) 随着定型温度的增加，PLA网片的断裂强力增加，顶破强力降低，抗弯刚度增加，缝线拉脱强力降低。但是当定型温度从120℃升高至130℃时，网片的力学性能变化不大。

(2) PLA网片的结构参数和力学性能随定型温度的变化不明显，并且无固定规律可寻。但是当定型时间过长时，PLA网片的纵向弯曲刚度增加。

(3) 在对PLA网片充分定型，稳定其尺寸和形状的基础上，基于稳定的强力和较低的弯曲刚度，热定型工艺进行选择为：定型温度为130℃和定型时间为10 min。

(4) 此定型工艺下的PLA网片虽然导致了一定的网片暴露现象(发生率为13.33%)，但是也使得网片具有极低的收缩率(2.15±0.26)%。低收缩的优点是盆底修复网片所迫切需要的重要性能之一，有利于避免术后疾病的复发。

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