典型纺织基人工韧带及其移出物结构与力学性能

刘明洁， 林 婧， 关国平， BROCHU G， GUIDOIN R， 王 璐

(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；3. 拉法尔大学 外科系， 魁北克 G1V0A6， 加拿大)

前交叉韧带(ACL)损伤是常见的运动损伤，其损伤后严重影响膝关节的运动功能，如不及时处理还会引发关节软骨和半月板的损伤[1]。ACL为致密结缔组织，内部缺乏血供，且关节腔内细胞含量较少，故自我修复能力较低[2]，因此，韧带断裂后很难恢复到损伤前的状态。韧带移植是临床重建断裂ACL的有效方式[3]。自体移植仍是临床治疗韧带缺损的金标准，然而自体移植物往往存在二次创伤、供体不足等问题。人工韧带具有取材方便，力学性能优良，无病原体交叉传播风险等优点，一度成为临床常用移植物[4-5]。人工韧带的临床应用可追溯至20世纪60年代，1963年美国食品药品监督局(FDA)批准了首个人工韧带产品Proplast® [6]。随着合成材料的发展，Leeds-Keio®，Gore-Tex®和Stryker®等材料、结构、形态各异的人工韧带产品见诸报道[7-8]，但绝大多数产品最终都因为中长期效果不佳而被淘汰[9-10]。法国的LARS®人工韧带自20世纪90年代投入临床应用以来，总体回访效果较好，重建满意度较高，但其仍然存在促韧带再生效果不佳等问题[11-12]。基于此，本文拟对已有的典型纺织基人工韧带移植物进行结构与性能分析，比较这些人工韧带的结构特点及性能优势；同时对Stryker®-Meadox产品的移出物进行失效分析，探究其失效机制，以期为改善现有人工韧带和开发新产品提供指导。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

人工韧带试样： Synchro®(美国Synchro Medical，1#)；Ligastic®(法国Orthomed，2#)；Raschel®(法国Cendis Médical，3#)；Proflex®(法国Protek，4#)；Lygeron®(法国Orthogroup，5#)； Stryker®-Meadox(美国Stryker，6#)； Kennedy-LAD®(美国3M，7#)； SEM®(法国Science et Médecine，8#)；Ligaid®(法国Proth-Aid，9#)； HTP 820(美国3 M，10#)；Braided PHP(法国Cendis Médical，11#)

仪器：CH-12.7-BTSX型数显千分台式乳胶测厚仪(上海六菱仪器厂)；M50型数码照相机(佳能株式会社)；SMZ745T型体视显微镜(尼康株式会社)；N2型织物密度镜(国营常州纺织仪器厂)；Flex SEM 1000型扫描电子显微镜(日立科技有限公司)；YG(B)026G型纺织品多功能强力仪(大荣纺织仪器有限公司)；Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪(赛默飞世尔科技有限公司)；D/max-2550 PC型X射线多晶衍射仪(日本Rigaku公司)；TGA4000型热重分析仪(珀金埃尔默仪器有限公司)。

1.2 测试方法

选择典型产品Stryker®-Meadox(6#)进行失效机制分析，其移出样为体内移出物，表面附着有人体组织，分析测试前对试样进行无损清洗[13-14]：先将试样在5%的NaHCO3溶液中煮沸5 min，用去离子水充分清洗后再用质量分数为7%的NaClO溶液和质量分数为3%的H2O2溶液交替浸泡至其质量不再减少为止。

1.2.1 纺织结构分析

1.2.1.1几何特征 使用游标卡尺测量各试样的长度及宽度，特殊标记各试样的特征部位(引导线、连接段、两端)的几何参数。使用数显千分台式乳胶测厚仪测量各试样的厚度。各参数均在试样上随机选择不同部位进行测量，取平均值作为测试结果(n=10)。

1.2.1.2织造特性 首先对试样进行宏观观察，使用数码照相机采集图片。随后，使用体视显微镜进一步观察试样的组织结构、织造方式、纱线形貌等。最后，对于复杂组织，采用拆纱的方式分析其组织结构。

1.2.1.3物理性能 通过织物密度镜和体视显微镜测量织物的密度：机织试样测量其经纬密；编织试样测量其编织角和编织密度；针织试样测量其线圈横纵密。

1.2.2 移出物失效机制分析

1.2.2.1微观形貌观察 将植入前样和体内移出样按结构分为外壳和内芯2类，分别选择同一部分的相同位置进行观察。首先使用体视显微镜观察试样的表面形貌，重点关注其形态结构变化、纤维形态、线圈结构等。其次，使用扫描电子显微镜在10 kV下选择移出样和原前样的相同部位依次在50倍和500倍下进行观察与图像采集。观察移出样的纺织结构、表面形态、纤维形态等变化，重点观察试样断裂点纤维的状态。

1.2.2.2力学性能分析 通过拉伸断裂测试对试样的纱线进行强力分析，参考GB/T 14344—2008《化学纤维 长丝拉伸性能试验方法》并结合实际试样情况进行改进，使用纺织品多功能强力仪配合手动夹头测试，每种样品进行5次测试，最终结果取平均值。使用ORIGIN软件绘制各试样的应力-应变曲线。

1.2.2.3化学结构、热稳定性及结晶性能分析 使用配置衰减全反射附件(AFR)的傅里叶变换红外光谱仪通过傅里叶红外测试(AFR-FTIR)以及热重分析对试样材料进行表征。

使用X射线多晶衍射仪进行纤维结晶度分析。将材料剪为细粉末状，每次取体积约为1 cm3的试样进行测试。使用JADE软件对X射线衍射图谱进行分峰，并计算材料的结晶度。

2 结果与讨论

2.1 纺织基人工韧带的结构

2.1.1 纺织基人工韧带的几何特征及组织结构

11种纺织基人工韧带移植物的几何特征及组织结构如表1所示。人工韧带移植物的宽度主要集中在0.6～1.0 cm范围内，这与人的ACL(0.4～1.0 cm[2])宽度匹配。人工韧带移植物的厚度主要集中在2个范围内：小于1 mm(9个试样)和1～5 mm(2个试样)。产生厚度差异的主要原因是各移植物的结构与用途差异。从结构看，厚度小于1 mm的纺织基人工韧带移植物多为单层编织结构，而厚度为1～5 mm的则为多层结构。从用途看，加强型人工韧带，如8#和9#，其临床使用时是与半腱肌、股薄肌腱等软组织移植物一起使用，起到支撑与应力保护作用，故其厚度较小[15]。而永久型人工韧带，如6#，则是单独作为ACL的替代植入物，故其厚度相对较大。

表1 11种人工韧带移植物的几何特征及组织结构Tab.1 Geometric characteristics and structures of 11 artificial ligaments

试样的织造方式包括机织、经编、编织3种。按所使用的纱线，可分为单丝、复丝、单丝复丝混合3种。按结构分，可分为单层和多层结构2种。其中：单层结构包括单层编织、单层编织管状、单层经编和单层机织结构；多层结构如芯壳结构、多层内芯等。结合其用途分析，单层结构，尤其是单层编织结构的移植物多为加强型人工韧带移植物；而多层结构的移植物则多为永久替代型人工韧带移植物。

2.1.2 纺织基人工韧带的密度

各试样的密度测试结果如表2～4所示。可见，各经编试样的密度较为接近，线圈纵密明显高于线圈横密。各机织试样的密度存在明显差异；4#与5#的密度明显较低，其结构为类织带结构，有明显的大孔存在；6#的密度相对较高，其结构为单层机织平纹且由复丝织造，结构紧密。各编织试样的编织角接近，无明显差异，其表观形态与结构亦相似。各试样的编织密度存在两极分化情况，这与试样的纱线细度有关，也与其结构设计有关。通过改变纱线细度及结构可以调控人工韧带的表面形貌及整体柔顺性，而表面形貌对组织细胞的粘附、增殖和穿透等有显著影响[16]。较好的柔顺性则有利于关节的灵活性和减小人工韧带与骨组织之间的应力，有利于愈合[6]。

表2 1#～3#织造密度测试结果Tab.2 Fabric density test results of 1#～3#

表3 4#～6#试样织造密度测试结果Tab.3 Fabric density test results of 4#～6#

表4 7#～11#试样编织密度测试结果Tab.4 Fabric braid density test results of 7#～11#

2.1.3 纺织基人工韧带的织造特点

11种试样的宏观观察结果如图1所示。各试样均为多孔结构，这是纺织材料的典型特征。多孔结构有利于组织液和细胞的渗入，也有利于人工韧带与周围组织的融合[17]。同时，可见部分试样(8#)中段采用松散条带状结构，这种结构可能是模仿了人的ACL中段的胶原纤维束结构，有利于维持关节灵活性。从试样结构可以推断，试样两端的连接方式有悬吊线(4#、9#)、塑料引导管(2#、6#)、钢丝(3#、8#)等几类。

图1 11种纺织基人工韧带织造结构照片Fig.1 Textile structure images of 11 textile-based artificial ligaments. (a) Digital camera images; (b) Stereomicroscope images

2.2 移出物失效机制

从上述研究发现，6#样品属于永久型人工韧带产品，其结构为经编外壳内包多条机织内芯，在几何形态上与人的ACL相近，是典型的纺织基人工韧带产品，故选择6#样品进行移出物失效机制探究。

2.2.1 试样微观形貌

图2示出2种试样体视显微镜照片。由图可知，即便经过清洗，体内移出样其外壳纤维表面仍有组织残留，但内芯部位少见组织残留。可见其在植入过程中的组织渗透并未达到移植物内部，组织再生效果不佳。其次，可以发现，移出样较原样的纺织结构有明显的不同，线圈变形扭曲，存在因纱线断裂造成的线圈断裂和脱散，线圈排列不规整。通过照片可见：移出样内芯明显变形扭曲，不再呈规整条带状，边缘的纱线磨损断裂明显，表面不再光滑平整；纱线亦存在磨损情况，部分纤维断裂，纺织结构变形，经纬纱不再垂直，中间的一条单丝也出现扭曲变形。

图2 2种试样体视显微镜照片(×20)Fig.2 Stereomicroscopic images of two samples(×20). (a) Virgin outer shell outside; (b) Virgin outer shell inside; (c) Virgin inner core; (d) Explant outer shell outside; (e) Explant outer shell inside; (f) Explant inner core

原样和移出样内芯的SEM照片如图3(a),(b)所示。通过对原样表面观察可见试样纺织结构完整：复丝排列整齐，纤维没有断裂或变形；单丝表面光滑，无裂痕。移出样纺织结构部分损失：复丝分散为单纤维，纤维存在断裂情况，断裂处出现丛状末端，但纤维表面未见磨损情况；单丝表面出现明显裂痕，同时也观察到有复丝劈裂现象。组织残留方面，可以看到纤维表面有明显组织残留，但残余量不大，纤维束中部未见组织包裹，单丝表面基本无组织粘附。

原样和移出样外壳的SEM照片如图3(e)、(f)所示。原样表面线圈排列整齐完整，纺织结构完整，无明显变形。移出样线圈脱散，纺织结构破坏。复丝中存在纤维断裂、扭转，断裂处纤维末端呈丛状，并伴随有纤维的轴向劈裂。纤维表面有明显的磨损情况。组织方面，外壳表面的胶原残留明显多于内芯，并存在大块组织包裹于纤维外部的情况。

通过对比2种试样，推测其失效原因可能是纤维的磨损或撕拉断裂造成的复丝断裂，进而使纺织结构破坏，最终导致整个人工韧带产生断裂或失效。外壳的断裂情况相较内芯更为严重，可能与其外层磨损有关，外壳外侧线圈脱散较其内侧更为严重，且纤维表面可见明显的磨损痕迹，而内侧纤维几乎无磨损。据此推测，人工韧带在植入人体后主要的磨损是骨与人工韧带间的磨损，而韧带内部内芯与外壳间磨损较小。

图3 2种试样的SEM照片(×50)Fig.3 SEM images of two samples(×50). (a) Virgin inner core; (b) Explant inner core; (c) Virgin outer shell inside; (d) Explant outer shell inside; (e) Virgin outer shell outside; (f) Explant outer shell outside

2.2.2 原材料分子结构

6#样品单丝和复丝的红外光谱图及热重分析曲线如图4所示，复丝材料最大吸收峰出现在1 716 cm-1处，第2强吸收峰出现在1 246 cm-1处，在1 121/1 099 cm-1处出现1个分裂的峰，同时在725 cm-1处出现1个尖峰。复丝的红外图谱特征峰的位置强度均与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)相符合。单丝材料最大吸收峰出现在2 918 cm-1处，随后在2 838 cm-1处出现1个尖峰。在1 454、1 376 cm-12个位置分别出现一个尖峰。单丝的红外光谱的特征峰位置强度均与聚丙烯(PP)相符。结合热重曲线分析，认为样品中使用的复丝材料应为PET，单丝材料为PP。

图4 6#样品单丝和复丝的红外与热重分析图谱Fig.4 FT-IR (a) and TGA (b) pattern of monofilament and multifilament used in 6#

2.2.3 原材料结晶度

结晶度分析可以有效地表征纤维的强力、内部分子排列情况，结晶度越大，材料的强度越好，但断裂伸长率和弹性会有所下降[18]。原样和移出样的X射线衍射图谱如图5所示。由图谱计算得到内芯部位结晶度：移出样为(56.17±6.57)%；原样为(67.10±12.90)%。外壳部位结晶度，移出样为(52.53±4.61)%，而原样为(63.26±5.20)%。通过对比可见，对于相同部位的纤维，移出样的结晶度明显低于原样。说明材料在植入人体后存在一定程度的结构变化及结晶度变化，而内芯的差异小于外壳，这可能与外壳与人体组织之间的接触及相互作用较多有关，同时内芯中有PP单丝的存在，对平均结晶度起到了一定的提升作用。

图5 原样和移出样的XRD图谱Fig.5 XRD patterns of virgin and explant.(a) Inner core; (b) Outer shell

2.2.4 试样力学性能

原样和移出样芯部的经纱和纬纱拉伸断裂曲线如图6所示。2种试样经纱和纬纱的拉伸曲线形态基本一致，相同纱线时，原样的断裂强度均高于移出样，而断裂伸长率则低于移出样。这些结果与预期相符。结合结晶度测试结果分析，原因可能是由于移出样在体内发生了一定的老化，结晶度下降直接导致材料的强力降低。通过结构分析已知其经纱和纬纱均为PET复丝，但经纱相对较粗，同时每根内芯的经纱系统中有1根PP单丝，起到力学增强效果。2种试样间的强力差异与纱线在体内的降解有关，同时移出样由于存在渐进降解情况，纱线间存在一定的差异，同一移出样的不同部位纱线的力学性能存在一定差异(标准差σ=13.48)。经纱与纬纱的材料虽然都是PET复丝，但从曲线中可见纬纱曲线抖动较剧烈。根据纺织结构分析，原因可能是同一根纬纱的不同部分处于人工韧带的不同位置，二者所处的环境及受力不同，导致纬纱中的单丝出现弱节，故曲线抖动较明显。

图6 原样和移出样芯部的经纱和纬纱典型拉伸断裂曲线Fig.6 Typical strain and stress curves of warp and weft yarns of virgin and explant inner core. (a) Warp yarn; (b) Weft yarn

3 结束语

本文分析了11种典型纺织基人工韧带产品的组织结构，并对其中的代表性产品的移出物进行了失效分析。组织结构方面，纺织基人工韧带产品的成型方式主要有机织、编织和经编3种。各产品纺织结构及几何形态的差异主要取决于各自的临床适应症。中长期来看，体内复杂力学环境下高分子材料内部结构变化导致的结晶度下降，材料松弛，力学性能下降以及骨与移植物间的摩擦导致的纱线磨损等，是导致人工韧带断裂、移植失效的主要原因。

纺织材料是规则的多孔材料，具有高孔隙率、高连通率的特点，这对开发人工韧带产品十分有利。不仅尺寸可控，还可以满足人工韧带对高强度、高灵活性的要求，而且有利于人体组织原位生长。以往的人工韧带产品在结构方面进行了诸多尝试，这对未来实现全可降解、促腱骨愈合、高强度及诱导韧带组织原位再生的人工韧带产品开发提供了重要参考。