使用PTT纤维改善机织血管径向顺应性的研究

使用PTT纤维改善机织血管径向顺应性的研究 东华大学 博士学位使用PTT纤维改善机织血管径向顺应性的研究 姓名:陈莹 申请学位级别:博士 专业:纺织工程 指导教师:丁辛 2011-07 摘要 使用,,’(，’纤维改善机织血管径向顺应性的研究 摘要 在过去的,,年里，人造血管的设计和制造一直都是人造血管这一领域的一大挑战。对于提高直径小于, ,,的人造血管长期通畅性的研究还没有取得成功。这种人造血管不成功的一个主要原因就是缺乏顺应性，特别是径向顺应性。径向顺应性是指人造血管或血管管道在承受周期性负荷下管道内径的变化情况。人造血管与天然血管的顺应性存在明显的差异，所有人造血管的顺应性都比天然血管的低，其中机织涤纶(,,,)血管的顺应性最差，并且在生理血压范围内完全不具备人体血管所特有的、顺应性随着压力变化的特征，即低压力下易变形而在高压力下变形较小的特征，直径一压力曲线斜率有由低到高明显的转折。顺应性的不匹配在移植并发症中扮演着重要的角色，尤其在吻合处。顺应性不匹配将会使内腔出现血栓的概率加大，使新内腔变厚，在血管末端形成动脉硬化，是造成血管移植失败的重要原因。关于人造血管顺应性的研究，尤其是改善机织,,,血管顺应性的研究在我国几乎是空白。 为了提高机织血管的顺应性，本课题从纤维材料选择、织物组织和结构设计改进等方面开展研究探索工作。 采用与目前使用最为普遍的,,,同族的聚对苯二甲酸丙二醇酯(,,,)作为织制机织血管的纤维材料，利用,,,长丝较低的拉伸模量和良好的弹性回复能力来提高机织血管顺应性。纱线力学性能测试明，,,,具有优异的机械性能，适应于机织血管性能的需求。对所织制的,,阿机织血管的顺应性测试表明，与临床大量使用的,,,机织血管相比，顺应性有了显著的提高。 在此基础上，通过不同组织和结构参数的试样了织物结构参数对于顺应性的影响。根据实验数据，利用最小二乘法建立了拉伸模量、顺应性与织物结构参数的关系模型。分析表明，纱线细度、纱线初始模量、织物组织浮长和经纬密都会影响管壁织物的拉伸性能，而影响机织血管顺应性和拉伸模量的最大因素是纱线性能。 以人体动脉的结构和机械性能为依据，设计并制造了双层管壁结构的机织血管。内层管壁采用模量较低和弹性回复性较好的，,，,长丝作为纬纱，外层管壁采用模量较高的,,,长丝作为纬纱，以此来模拟动脉在生理血压范围内对脉动压力的响应特征。所织制的双层机织试样的纬向，外层织物长于内层，存在明显的长度差异，即:在内外层织物沿纬向的两个接结点之间，外层织物呈屈曲状并通 摘要过接结点固结在内层织物的表面。在压力低于,,, ,,,,时，这种结构使得双层管壁机织血管的顺应性较低;而在较高压力下，双层管壁机织血管的顺应性提高，实现了人造血管的顺应性随着脉动压力的不同而变化的特征，即在生理血压范围内其顺应性表现出类似动脉的特征。 鉴于本论文推荐使用,,,,材料取代传统的,,,材料以改善机织血管的顺应性，因此对于嗍料作为生物材料所必须具备的生物稳定性和相容性进行了讨论。生物稳定性实验是在,,,,溶液和人工生物环境下(,,,溶液和木瓜蛋白酶溶液中)进行的。实验表明，在,,,,溶液中的加速降解实验表明,,,的失重率明显低于,,,。,,,图片表明在降解过程中，在纤维表面出现凹坑，且随着降解的继续，凹坑的深度和出现几率均和降解时间呈正相关。,,,,试样表面出现较小和较少的坑洞。,,汀直径的降低率，:匕,,,少，甚至与降解前相比是增加的。经过,周在,,,和酶溶液的降解后，试样性能变化较小。拉伸试验证明了试样在各条件下降解后拉伸模量降低，这与试样在降解后结晶度降低和丙二醇基团的邻位交叉 构象增多有关。因此,兀在,,,,溶液中较稳定，而在人工生物环境下,匕,,,的稳定性差。溶液温度的升高将加剧长丝试样的降解，表现出较高的失重率、表面坑洞的尺寸和数量的增加等。相同因素对于,,,和,,,的各个性能的影响是相同的。细胞相容性是通过,,,法测试得出，,天的细胞相容性实验表明细胞可以在,,,织物上生长，且,,,和,,可的,,，”测试结果没有明显区别。 在此基础上，还通过体外加速疲劳实验观察了,,,,长丝作为纬纱织制的机织血管的疲劳现象。加速疲劳测试表明，机织血管管壁织物的密度、纤维直径、孔隙率等各项指标的变化表明了其疲劳性能的存在。从,,,图中明显看出纱线的损伤和破坏。随着疲劳次数的增加，疲劳结果更加显著。另外，加速疲劳实验表明，作为机织血管，,,陌比,,,有更优秀的耐疲劳性能。 作者:陈莹(纺织工程) 指导老师:丁辛教授关键词:人造血管;,,不;顺应性;弹性模量;织造参数;机织物;双层织物;生物稳定性;生物相容性;疲劳 ? ,,, ,,, ,，,,,, ,, ，,,,,,, ,,,，,, ,,,,,，,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,，,, ,,,,,,,,，, ,,,,,,,, ，, ,,, ,,,, ,, ,,,,,，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，,, ,,,,,;,,,,，,,,, ,,, ,,,,,,;,,,,,,,;, ,,, ,, ,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,, ;,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,,, ,, ,,,(,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,,，,,, ,,,, ,, ,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,, ,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,，,,, ,,, ,,,,, ,, 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,,,的,,，,光谱图…………………………………………………((,,图,一, ,受内压作用的血掣,,】…………………………………………………,,图,一,,机织血管受力和剖面图【,,】……………………………………………,,图,,,,拉伸测试………………………………………………………………,,图,一,,织物纬向拉伸受力图…………………………………………:………,,图,,, , ,,,和,,,织物负荷,,申长曲 线………………………………………, ,图,,,,压力为,,, ,,,,下管织物拉伸模量的最,,,乘法拟合…:………,,图,?,,压力为,,,,,,,下管织物顺应性的最小二乘法拟合……………(,,图,,,双层机织血管示意图【删………………………………………………((,,图,,,双层织物组织图………………………………………………………((,,图,,,双层织物结构图………………………………………………………((,,图,,,双层织物内外层表面及横截面………………………………………((,,图,,,织物试样的拉 伸曲线…………………………………………………。,,图,,,试样的顺应性…………………………………………………………((,,图,—, ,,,斜纹,平纹双层织物组织图…………………………………………,,图,(, ,,,斜纹,平纹双层织物结构图…………………………………………,,图,,, ,,,斜纹,平纹双层织物组织图…………………………………………,,图,—,, ,,,斜纹,平纹双层织物结构图………………………………………((,,图,一,,试样,和,的内外层织物的长度差…………………………………,,图,—,,不同线密度的，,,汀纬纱对内外织物长度差的影响…………………,,图,—,,织物组织对内外织物长度差的影响…………………………………,,图,—,,长丝试样的热收缩率(热定型时间为,,,和,,,)………………((,,图,,,,试样,热定型后内外层织物的长度差………………………………,, ,?， 插图清单图,(,长丝试样在,,,,、,,,和酶溶液降解后的失重率…………………,,图,(,降解?昂笫匝模樱牛驼掌糯蟊妒担埃埃埃 叮蓖迹担辰到馇昂蟪に渴匝南宋本侗浠 叮惩迹担撸?,,,和,,,试样的结晶度……………………………………………((,,图,。, ,,,,和,,,试样的熔融吸热线………………………………………。,,图,,,在,,?酶溶液降过程中试样的,,，,光谱图(至上而下依次为降解 前、降解,周、,周和,周后)………………………………………((,,图,(,降解前后试样的拉伸模量损失率……………………………………((,,图,(,试样的,,,测试结果…………………………………………………,,图,(,疲劳测试仪……………………………………………………………((,,图,,,机织血管试样的疲劳性能……………………………………………((,,图,(,疲劳前后试样表面的,,,图(放大倍数,,,,)…………………((,, ，, 表格清单 表格清单表,(,不同类别人造血管的顺应性【, ,】…………………………………………,表,—,不同压力下人体动脉和,,,,,的顺应性(,,,,, ,,,,,)〔,,〕…………,表,,, ,,,和,,,长丝的拉伸性能…………………………………………((,,表,—,长丝试样,次拉伸回复后的弹性回复率……………………………((,,表,(, ,,,长丝的热定型条件…………………………………………………,,表,—,影响初始模量与弹性回复率的因素分析……………………………((,,表,,, ,,,和,,广,的熔融温度及结晶度……………………………………((,,表,,, ,,,,在无定形区的红外吸收频率【,,‘,,〕…………………………………,,表,(,织物试样规格…………………………………………………………((,,表,(,织物的弹性回复率……………………………………………………一,,表,,,长丝纱试样参数和性能………………………………………………((,,表,(,,织物试样结构参数……………………………………………………,,表,(,,管织物的性能…………………………………………………………,,表,(,,管织物拉伸模量因素分析……………………………………………,,表,(,,管织物顺应性因素分析………………………………………………,,表,(,,管织物厚度影响因素分析……………………………………………,,表 ,(,,各个参数数值的增加所导致的管织物性能的变化…………………,,表,(,织物试样的结构参数…………………………………………………((,,表,(,试样的织物密度和长度差……………………………………………((,,表,(,不同压力下的拉伸模量(方差为?,(,,)……………………………,,表,(,双层织物试样主要规格参数…………………………………………((,,表,(,水和酶降解的实验设计………………………………………………((,,表,(,管织物参数……………………………………………………………((,,表,(,因素分析………………………………………………………………((,,表,(,降解前后,,,试样中丙二醇基团特征峰的强度……………………(,,表,(,降解前后,,,试样中,，,醇基团特征峰的强度……………………(,,表,(,机织血管试样的结构与性能…………………………………………((,, , 第一章引言 ———————————————————————————————————————一, 弟一旱, ，百 第一章引言,(,研究背景 在过去的,,年里，人造血管的设计和制造一直都是人造血管这一领域的一大挑战。用于高流量区(如胸腹部大动脉移植)的大直径人造血管(直径,, ,,)己经取得良好的效果，然而对于小直径人造血管的移植(如冠状动脉、肾脏动脉和颈动脉等)仍然不成功，并将继续是移植手术中一重大问题。这种不成功的一个主要原因就是缺乏顺应性。 本论文所提到的顺应性是指血管在承受周期性负荷作用下内径的变化能力。顺应性在移植并发症中扮演着重要的角色，尤其是在人造血管和宿主血管的吻合处。使用径向没有或很小顺应性的机织或针织人造血管替代小直径血管会引起脉搏谐波衰减，进而引起波速增加，波反射和能量损失增加。由于人造血管和宿主血管的顺应性不同，会引起血液动力学的变化和在吻合处产生应力集中，进而可能引起血栓和过多组织生长(即内膜增生)，在血管末端形成动脉硬化。所以顺应性的匹配是人造血管生物动力学性能中的一个重要问题。 现有的商业化产品中，人造血管顺应性都比人体血管低，并且占较大比例的涤纶(,,,)机织血管顺应性是最低的。由于机织和针织结构在大直径人造血管中都有很好的应用，并且在小直径方面的应用有很大的发展潜力，在过去的,,年的试验中己取得很大进步。从现有的研发结果可以推断，通过应用弹性材料或纱线并结合不同的纺织结构有可能获取顺应性良好的纺织人造血管。 人体动脉的管壁是由弹性蛋白和胶原蛋白组成，胶原蛋白是屈曲的，这种结构使动脉在脉动压力下形成独特的压力一周向拉伸曲线，管壁周向的拉伸变形能力随着拉伸伸长量的增加而下降，在伸长率高于,(,(或者压力高于,,, ,,,,)时下降得尤其快。为了仿照人体血管的压力一周向拉伸性能，人们研发了多种材料或结构的人造血管，如:通过采用具有低弹性模量聚亚胺酯单丝和具有高弹性模量的蓬松聚酯复丝的组合，使纺织人造血管的顺应性类似于人体的颈动脉，活体试验表明，,个月后管壁内形成薄的、稳定的内膜。又如:为模拟动脉在低脉动压力下具有高的径向变形能力，在高脉动压力下具有低的径向变形能力，人们采用同轴多层结构的人造血管，内管在低压下表现出优异的径向变形能力，能够随脉动压力的变化产生较高的膨胀和收缩性;外管在高压下表现出较小的径向变形能力，能够承受较高的脉动压力。 然而，现有的纺织人造血管的顺应性还和人体血管有着很大差距，造成所谓 第一章引言的顺应性不匹配，这种不匹配是引起人造血管移植失 败的主要原因。为了改善纺织人造血管的顺应性，并使其于人体血管的顺应性相匹配，本课题通过使用新型的,,陌纤维，利用其较低的拉伸模量来获得较高的人造血管的径向顺应性;在此基础上，采用双层管壁结构，改善人造血管在脉动压力范围内与人体血管顺应性的匹配。另外，作为生物材料所使用的,,,纤维，论文通过实验讨论了其生物稳定性和相容性，还通过疲劳加速实验观测了其所织制的人造血管在周期性脉动压力范围内的疲劳表现。,(,研究意义 由于机织,,,人造血管的顺应性还和人体血管具有很大差距，并且目前为止缺乏有效的方法和途径来提高与改善其径向的顺应性，缺乏顺应性与纺织结构参数关系的认识，这不仅限制了机织血管(特别是直径,,矽,,的血管)的应用，也限制了纺织技术人员对于人造血管性能的改进。本课题通过使用,,,,纤维，结合双层管壁结构来改善机织血管的径向顺应性，探索人造血管设计、制备参数与顺应性的关系，以期指导机织血管的研发。另外，探讨了,,,纤维材料的生物性能及疲劳性能，这类新的纤维材料应用于人造血管的可行性。从应用角度看，本课题为机织血管的发展提供了新的材料和结构，探索了新的应用和研究方向，希望由此能推动国内人造血管的发展。,(,研究目标 通过使用新型纤维材料和管壁结构来改善机织血管的顺应性，拟达到下述目标: (,)利用,,,较低的初始模量和优良的弹性回复率，提高机织血管径向顺应性;并揭示机织血管管壁织物的结构参数和顺应性的关系，为设计和制造出具有理想顺应性的机织血管提供参考。 (,)采用双层管壁结构，仿生和模拟动脉在整个生理血压范围内随脉动压力波动所体现出的顺应性特征，并揭示设计双层机织血管主要因素(内外层长度差)的影响因素 (,)评价,,,材料的生物稳定性、生物相容性及其疲劳性能，探索其作为人造血管材料的可行性。 第一章引言 ———————————————————————————————————————————一一, ,(,研究内容及方法 (,)分析了与,,,(目前使用最普遍的、用于织制机织血管的纤维材料)同族的聚对苯二甲酸丙二醇酯(,,,)材料的物理和化学性质，明确可以利用,,,纤维较低的拉伸模量和良好的弹性回复能力提高人造血管顺应性。并织造具有不同结构参数的机织血管，建立模型分析结构参数对于血管径向顺应性的影响。 (,)以人体动脉的结构特征及其在脉动范围内的膨胀,收缩性能作为依据，采用双层管壁的结构形式，利用,,,,长丝作为血管内层的周向纱线，用,,,长丝作为血管外层的周向纱线，通过内外层的长度差异，模拟人造血.