劉明潔， 林 婧， 關(guān)國平， BROCHU G， GUIDOIN R， 王 璐

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620；3. 拉法爾大學(xué) 外科系， 魁北克 G1V0A6， 加拿大)

前交叉韌帶(ACL)損傷是常見的運(yùn)動(dòng)損傷，其損傷后嚴(yán)重影響膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能，如不及時(shí)處理還會(huì)引發(fā)關(guān)節(jié)軟骨和半月板的損傷[1]。ACL為致密結(jié)締組織，內(nèi)部缺乏血供，且關(guān)節(jié)腔內(nèi)細(xì)胞含量較少，故自我修復(fù)能力較低[2]，因此，韌帶斷裂后很難恢復(fù)到損傷前的狀態(tài)。韌帶移植是臨床重建斷裂ACL的有效方式[3]。自體移植仍是臨床治療韌帶缺損的金標(biāo)準(zhǔn)，然而自體移植物往往存在二次創(chuàng)傷、供體不足等問題。人工韌帶具有取材方便，力學(xué)性能優(yōu)良，無病原體交叉?zhèn)鞑ワL(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，一度成為臨床常用移植物[4-5]。人工韌帶的臨床應(yīng)用可追溯至20世紀(jì)60年代，1963年美國食品藥品監(jiān)督局(FDA)批準(zhǔn)了首個(gè)人工韌帶產(chǎn)品Proplast? [6]。隨著合成材料的發(fā)展，Leeds-Keio?，Gore-Tex?和Stryker?等材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)各異的人工韌帶產(chǎn)品見諸報(bào)道[7-8]，但絕大多數(shù)產(chǎn)品最終都因?yàn)橹虚L(zhǎng)期效果不佳而被淘汰[9-10]。法國的LARS?人工韌帶自20世紀(jì)90年代投入臨床應(yīng)用以來，總體回訪效果較好，重建滿意度較高，但其仍然存在促韌帶再生效果不佳等問題[11-12]?；诖?，本文擬對(duì)已有的典型紡織基人工韌帶移植物進(jìn)行結(jié)構(gòu)與性能分析，比較這些人工韌帶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能優(yōu)勢(shì)；同時(shí)對(duì)Stryker?-Meadox產(chǎn)品的移出物進(jìn)行失效分析，探究其失效機(jī)制，以期為改善現(xiàn)有人工韌帶和開發(fā)新產(chǎn)品提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

人工韌帶試樣： Synchro?(美國Synchro Medical，1#)；Ligastic?(法國Orthomed，2#)；Raschel?(法國Cendis Médical，3#)；Proflex?(法國Protek，4#)；Lygeron?(法國Orthogroup，5#)； Stryker?-Meadox(美國Stryker，6#)； Kennedy-LAD?(美國3M，7#)； SEM?(法國Science et Médecine，8#)；Ligaid?(法國Proth-Aid，9#)； HTP 820(美國3 M，10#)；Braided PHP(法國Cendis Médical，11#)

儀器：CH-12.7-BTSX型數(shù)顯千分臺(tái)式乳膠測(cè)厚儀(上海六菱儀器廠)；M50型數(shù)碼照相機(jī)(佳能株式會(huì)社)；SMZ745T型體視顯微鏡(尼康株式會(huì)社)；N2型織物密度鏡(國營常州紡織儀器廠)；Flex SEM 1000型掃描電子顯微鏡(日立科技有限公司)；YG(B)026G型紡織品多功能強(qiáng)力儀(大榮紡織儀器有限公司)；Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀(賽默飛世爾科技有限公司)；D/max-2550 PC型X射線多晶衍射儀(日本Rigaku公司)；TGA4000型熱重分析儀(珀金埃爾默儀器有限公司)。

1.2 測(cè)試方法

選擇典型產(chǎn)品Stryker?-Meadox(6#)進(jìn)行失效機(jī)制分析，其移出樣為體內(nèi)移出物，表面附著有人體組織，分析測(cè)試前對(duì)試樣進(jìn)行無損清洗[13-14]：先將試樣在5%的NaHCO3溶液中煮沸5 min，用去離子水充分清洗后再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的NaClO溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的H2O2溶液交替浸泡至其質(zhì)量不再減少為止。

1.2.1 紡織結(jié)構(gòu)分析

1.2.1.1幾何特征 使用游標(biāo)卡尺測(cè)量各試樣的長(zhǎng)度及寬度，特殊標(biāo)記各試樣的特征部位(引導(dǎo)線、連接段、兩端)的幾何參數(shù)。使用數(shù)顯千分臺(tái)式乳膠測(cè)厚儀測(cè)量各試樣的厚度。各參數(shù)均在試樣上隨機(jī)選擇不同部位進(jìn)行測(cè)量，取平均值作為測(cè)試結(jié)果(n=10)。

1.2.1.2織造特性 首先對(duì)試樣進(jìn)行宏觀觀察，使用數(shù)碼照相機(jī)采集圖片。隨后，使用體視顯微鏡進(jìn)一步觀察試樣的組織結(jié)構(gòu)、織造方式、紗線形貌等。最后，對(duì)于復(fù)雜組織，采用拆紗的方式分析其組織結(jié)構(gòu)。

1.2.1.3物理性能 通過織物密度鏡和體視顯微鏡測(cè)量織物的密度：機(jī)織試樣測(cè)量其經(jīng)緯密；編織試樣測(cè)量其編織角和編織密度；針織試樣測(cè)量其線圈橫縱密。

1.2.2 移出物失效機(jī)制分析

1.2.2.1微觀形貌觀察 將植入前樣和體內(nèi)移出樣按結(jié)構(gòu)分為外殼和內(nèi)芯2類，分別選擇同一部分的相同位置進(jìn)行觀察。首先使用體視顯微鏡觀察試樣的表面形貌，重點(diǎn)關(guān)注其形態(tài)結(jié)構(gòu)變化、纖維形態(tài)、線圈結(jié)構(gòu)等。其次，使用掃描電子顯微鏡在10 kV下選擇移出樣和原前樣的相同部位依次在50倍和500倍下進(jìn)行觀察與圖像采集。觀察移出樣的紡織結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、纖維形態(tài)等變化，重點(diǎn)觀察試樣斷裂點(diǎn)纖維的狀態(tài)。

1.2.2.2力學(xué)性能分析 通過拉伸斷裂測(cè)試對(duì)試樣的紗線進(jìn)行強(qiáng)力分析，參考GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》并結(jié)合實(shí)際試樣情況進(jìn)行改進(jìn)，使用紡織品多功能強(qiáng)力儀配合手動(dòng)夾頭測(cè)試，每種樣品進(jìn)行5次測(cè)試，最終結(jié)果取平均值。使用ORIGIN軟件繪制各試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.2.2.3化學(xué)結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性及結(jié)晶性能分析 使用配置衰減全反射附件(AFR)的傅里葉變換紅外光譜儀通過傅里葉紅外測(cè)試(AFR-FTIR)以及熱重分析對(duì)試樣材料進(jìn)行表征。

使用X射線多晶衍射儀進(jìn)行纖維結(jié)晶度分析。將材料剪為細(xì)粉末狀，每次取體積約為1 cm3的試樣進(jìn)行測(cè)試。使用JADE軟件對(duì)X射線衍射圖譜進(jìn)行分峰，并計(jì)算材料的結(jié)晶度。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡織基人工韌帶的結(jié)構(gòu)

2.1.1 紡織基人工韌帶的幾何特征及組織結(jié)構(gòu)

11種紡織基人工韌帶移植物的幾何特征及組織結(jié)構(gòu)如表1所示。人工韌帶移植物的寬度主要集中在0.6～1.0 cm范圍內(nèi)，這與人的ACL(0.4～1.0 cm[2])寬度匹配。人工韌帶移植物的厚度主要集中在2個(gè)范圍內(nèi)：小于1 mm(9個(gè)試樣)和1～5 mm(2個(gè)試樣)。產(chǎn)生厚度差異的主要原因是各移植物的結(jié)構(gòu)與用途差異。從結(jié)構(gòu)看，厚度小于1 mm的紡織基人工韌帶移植物多為單層編織結(jié)構(gòu)，而厚度為1～5 mm的則為多層結(jié)構(gòu)。從用途看，加強(qiáng)型人工韌帶，如8#和9#，其臨床使用時(shí)是與半腱肌、股薄肌腱等軟組織移植物一起使用，起到支撐與應(yīng)力保護(hù)作用，故其厚度較小[15]。而永久型人工韌帶，如6#，則是單獨(dú)作為ACL的替代植入物，故其厚度相對(duì)較大。

表1 11種人工韌帶移植物的幾何特征及組織結(jié)構(gòu)Tab.1 Geometric characteristics and structures of 11 artificial ligaments

試樣的織造方式包括機(jī)織、經(jīng)編、編織3種。按所使用的紗線，可分為單絲、復(fù)絲、單絲復(fù)絲混合3種。按結(jié)構(gòu)分，可分為單層和多層結(jié)構(gòu)2種。其中：?jiǎn)螌咏Y(jié)構(gòu)包括單層編織、單層編織管狀、單層經(jīng)編和單層機(jī)織結(jié)構(gòu)；多層結(jié)構(gòu)如芯殼結(jié)構(gòu)、多層內(nèi)芯等。結(jié)合其用途分析，單層結(jié)構(gòu)，尤其是單層編織結(jié)構(gòu)的移植物多為加強(qiáng)型人工韌帶移植物；而多層結(jié)構(gòu)的移植物則多為永久替代型人工韌帶移植物。

2.1.2 紡織基人工韌帶的密度

各試樣的密度測(cè)試結(jié)果如表2～4所示。可見，各經(jīng)編試樣的密度較為接近，線圈縱密明顯高于線圈橫密。各機(jī)織試樣的密度存在明顯差異；4#與5#的密度明顯較低，其結(jié)構(gòu)為類織帶結(jié)構(gòu)，有明顯的大孔存在；6#的密度相對(duì)較高，其結(jié)構(gòu)為單層機(jī)織平紋且由復(fù)絲織造，結(jié)構(gòu)緊密。各編織試樣的編織角接近，無明顯差異，其表觀形態(tài)與結(jié)構(gòu)亦相似。各試樣的編織密度存在兩極分化情況，這與試樣的紗線細(xì)度有關(guān)，也與其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。通過改變紗線細(xì)度及結(jié)構(gòu)可以調(diào)控人工韌帶的表面形貌及整體柔順性，而表面形貌對(duì)組織細(xì)胞的粘附、增殖和穿透等有顯著影響[16]。較好的柔順性則有利于關(guān)節(jié)的靈活性和減小人工韌帶與骨組織之間的應(yīng)力，有利于愈合[6]。

表2 1#～3#織造密度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Fabric density test results of 1#～3#

表3 4#～6#試樣織造密度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Fabric density test results of 4#～6#

表4 7#～11#試樣編織密度測(cè)試結(jié)果Tab.4 Fabric braid density test results of 7#～11#

2.1.3 紡織基人工韌帶的織造特點(diǎn)

11種試樣的宏觀觀察結(jié)果如圖1所示。各試樣均為多孔結(jié)構(gòu)，這是紡織材料的典型特征。多孔結(jié)構(gòu)有利于組織液和細(xì)胞的滲入，也有利于人工韌帶與周圍組織的融合[17]。同時(shí)，可見部分試樣(8#)中段采用松散條帶狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可能是模仿了人的ACL中段的膠原纖維束結(jié)構(gòu)，有利于維持關(guān)節(jié)靈活性。從試樣結(jié)構(gòu)可以推斷，試樣兩端的連接方式有懸吊線(4#、9#)、塑料引導(dǎo)管(2#、6#)、鋼絲(3#、8#)等幾類。

圖1 11種紡織基人工韌帶織造結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.1 Textile structure images of 11 textile-based artificial ligaments. (a) Digital camera images; (b) Stereomicroscope images

2.2 移出物失效機(jī)制

從上述研究發(fā)現(xiàn)，6#樣品屬于永久型人工韌帶產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)為經(jīng)編外殼內(nèi)包多條機(jī)織內(nèi)芯，在幾何形態(tài)上與人的ACL相近，是典型的紡織基人工韌帶產(chǎn)品，故選擇6#樣品進(jìn)行移出物失效機(jī)制探究。

2.2.1 試樣微觀形貌

圖2示出2種試樣體視顯微鏡照片。由圖可知，即便經(jīng)過清洗，體內(nèi)移出樣其外殼纖維表面仍有組織殘留，但內(nèi)芯部位少見組織殘留。可見其在植入過程中的組織滲透并未達(dá)到移植物內(nèi)部，組織再生效果不佳。其次，可以發(fā)現(xiàn)，移出樣較原樣的紡織結(jié)構(gòu)有明顯的不同，線圈變形扭曲，存在因紗線斷裂造成的線圈斷裂和脫散，線圈排列不規(guī)整。通過照片可見：移出樣內(nèi)芯明顯變形扭曲，不再呈規(guī)整條帶狀，邊緣的紗線磨損斷裂明顯，表面不再光滑平整；紗線亦存在磨損情況，部分纖維斷裂，紡織結(jié)構(gòu)變形，經(jīng)緯紗不再垂直，中間的一條單絲也出現(xiàn)扭曲變形。

圖2 2種試樣體視顯微鏡照片(×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

原樣和移出樣內(nèi)芯的SEM照片如圖3(a),(b)所示。通過對(duì)原樣表面觀察可見試樣紡織結(jié)構(gòu)完整：復(fù)絲排列整齊，纖維沒有斷裂或變形；單絲表面光滑，無裂痕。移出樣紡織結(jié)構(gòu)部分損失：復(fù)絲分散為單纖維，纖維存在斷裂情況，斷裂處出現(xiàn)叢狀末端，但纖維表面未見磨損情況；單絲表面出現(xiàn)明顯裂痕，同時(shí)也觀察到有復(fù)絲劈裂現(xiàn)象。組織殘留方面，可以看到纖維表面有明顯組織殘留，但殘余量不大，纖維束中部未見組織包裹，單絲表面基本無組織粘附。

原樣和移出樣外殼的SEM照片如圖3(e)、(f)所示。原樣表面線圈排列整齊完整，紡織結(jié)構(gòu)完整，無明顯變形。移出樣線圈脫散，紡織結(jié)構(gòu)破壞。復(fù)絲中存在纖維斷裂、扭轉(zhuǎn)，斷裂處纖維末端呈叢狀，并伴隨有纖維的軸向劈裂。纖維表面有明顯的磨損情況。組織方面，外殼表面的膠原殘留明顯多于內(nèi)芯，并存在大塊組織包裹于纖維外部的情況。

通過對(duì)比2種試樣，推測(cè)其失效原因可能是纖維的磨損或撕拉斷裂造成的復(fù)絲斷裂，進(jìn)而使紡織結(jié)構(gòu)破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)人工韌帶產(chǎn)生斷裂或失效。外殼的斷裂情況相較內(nèi)芯更為嚴(yán)重，可能與其外層磨損有關(guān)，外殼外側(cè)線圈脫散較其內(nèi)側(cè)更為嚴(yán)重，且纖維表面可見明顯的磨損痕跡，而內(nèi)側(cè)纖維幾乎無磨損。據(jù)此推測(cè)，人工韌帶在植入人體后主要的磨損是骨與人工韌帶間的磨損，而韌帶內(nèi)部?jī)?nèi)芯與外殼間磨損較小。

圖3 2種試樣的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 原材料分子結(jié)構(gòu)

6#樣品單絲和復(fù)絲的紅外光譜圖及熱重分析曲線如圖4所示，復(fù)絲材料最大吸收峰出現(xiàn)在1 716 cm-1處，第2強(qiáng)吸收峰出現(xiàn)在1 246 cm-1處，在1 121/1 099 cm-1處出現(xiàn)1個(gè)分裂的峰，同時(shí)在725 cm-1處出現(xiàn)1個(gè)尖峰。復(fù)絲的紅外圖譜特征峰的位置強(qiáng)度均與聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)相符合。單絲材料最大吸收峰出現(xiàn)在2 918 cm-1處，隨后在2 838 cm-1處出現(xiàn)1個(gè)尖峰。在1 454、1 376 cm-12個(gè)位置分別出現(xiàn)一個(gè)尖峰。單絲的紅外光譜的特征峰位置強(qiáng)度均與聚丙烯(PP)相符。結(jié)合熱重曲線分析，認(rèn)為樣品中使用的復(fù)絲材料應(yīng)為PET，單絲材料為PP。

圖4 6#樣品單絲和復(fù)絲的紅外與熱重分析圖譜Fig.4 FT-IR (a) and TGA (b) pattern of monofilament and multifilament used in 6#

2.2.3 原材料結(jié)晶度

結(jié)晶度分析可以有效地表征纖維的強(qiáng)力、內(nèi)部分子排列情況，結(jié)晶度越大，材料的強(qiáng)度越好，但斷裂伸長(zhǎng)率和彈性會(huì)有所下降[18]。原樣和移出樣的X射線衍射圖譜如圖5所示。由圖譜計(jì)算得到內(nèi)芯部位結(jié)晶度：移出樣為(56.17±6.57)%；原樣為(67.10±12.90)%。外殼部位結(jié)晶度，移出樣為(52.53±4.61)%，而原樣為(63.26±5.20)%。通過對(duì)比可見，對(duì)于相同部位的纖維，移出樣的結(jié)晶度明顯低于原樣。說明材料在植入人體后存在一定程度的結(jié)構(gòu)變化及結(jié)晶度變化，而內(nèi)芯的差異小于外殼，這可能與外殼與人體組織之間的接觸及相互作用較多有關(guān)，同時(shí)內(nèi)芯中有PP單絲的存在，對(duì)平均結(jié)晶度起到了一定的提升作用。

圖5 原樣和移出樣的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of virgin and explant.(a) Inner core; (b) Outer shell

2.2.4 試樣力學(xué)性能

原樣和移出樣芯部的經(jīng)紗和緯紗拉伸斷裂曲線如圖6所示。2種試樣經(jīng)紗和緯紗的拉伸曲線形態(tài)基本一致，相同紗線時(shí)，原樣的斷裂強(qiáng)度均高于移出樣，而斷裂伸長(zhǎng)率則低于移出樣。這些結(jié)果與預(yù)期相符。結(jié)合結(jié)晶度測(cè)試結(jié)果分析，原因可能是由于移出樣在體內(nèi)發(fā)生了一定的老化，結(jié)晶度下降直接導(dǎo)致材料的強(qiáng)力降低。通過結(jié)構(gòu)分析已知其經(jīng)紗和緯紗均為PET復(fù)絲，但經(jīng)紗相對(duì)較粗，同時(shí)每根內(nèi)芯的經(jīng)紗系統(tǒng)中有1根PP單絲，起到力學(xué)增強(qiáng)效果。2種試樣間的強(qiáng)力差異與紗線在體內(nèi)的降解有關(guān)，同時(shí)移出樣由于存在漸進(jìn)降解情況，紗線間存在一定的差異，同一移出樣的不同部位紗線的力學(xué)性能存在一定差異(標(biāo)準(zhǔn)差σ=13.48)。經(jīng)紗與緯紗的材料雖然都是PET復(fù)絲，但從曲線中可見緯紗曲線抖動(dòng)較劇烈。根據(jù)紡織結(jié)構(gòu)分析，原因可能是同一根緯紗的不同部分處于人工韌帶的不同位置，二者所處的環(huán)境及受力不同，導(dǎo)致緯紗中的單絲出現(xiàn)弱節(jié)，故曲線抖動(dòng)較明顯。

圖6 原樣和移出樣芯部的經(jīng)紗和緯紗典型拉伸斷裂曲線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 結(jié)束語

本文分析了11種典型紡織基人工韌帶產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)，并對(duì)其中的代表性產(chǎn)品的移出物進(jìn)行了失效分析。組織結(jié)構(gòu)方面，紡織基人工韌帶產(chǎn)品的成型方式主要有機(jī)織、編織和經(jīng)編3種。各產(chǎn)品紡織結(jié)構(gòu)及幾何形態(tài)的差異主要取決于各自的臨床適應(yīng)癥。中長(zhǎng)期來看，體內(nèi)復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下高分子材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的結(jié)晶度下降，材料松弛，力學(xué)性能下降以及骨與移植物間的摩擦導(dǎo)致的紗線磨損等，是導(dǎo)致人工韌帶斷裂、移植失效的主要原因。

紡織材料是規(guī)則的多孔材料，具有高孔隙率、高連通率的特點(diǎn)，這對(duì)開發(fā)人工韌帶產(chǎn)品十分有利。不僅尺寸可控，還可以滿足人工韌帶對(duì)高強(qiáng)度、高靈活性的要求，而且有利于人體組織原位生長(zhǎng)。以往的人工韌帶產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了諸多嘗試，這對(duì)未來實(shí)現(xiàn)全可降解、促腱骨愈合、高強(qiáng)度及誘導(dǎo)韌帶組織原位再生的人工韌帶產(chǎn)品開發(fā)提供了重要參考。