Издаётся с марта 1959 года
Выходит 6 раз в год
Русская версия English version
Научно-технический журнал "Химические волокна"
+7 (495) 586-08-80
 
     Поиск по сайту журнала "Химические волокна"
Поиск по сайту
Главная  |  Архив журнала "Химические волокна" 2008 год  |  "Химические волокна" №4, 2008 год  |  Деформационные свойства синтетических мононитей медицинского назначения
Деформационные свойства синтетических мононитей медицинского назначения
В.А. Жуковский, А.Г. Макаров, Н.Г. Ростовцева, Г.Я. Слуцкер, О.Н. Столяров, О.Б. Терушкина, А.В. Гриднева
(Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна)

Дальнейший прогресс современной хирургии среди многих факторов определяется созданием новых полимерных материалов и изделий, применяемых для замещения органов и тканей [1]. В последнее время в реконструктивно-восстановительных операциях, направленных на ликвидацию обширных дефектов опорных мягких тканей, возникающих после грыжесечений, радикальной резекции раковых опухолей, инфицированных и некротизированных тканей, а также в результате повреждений грудной стенки, диафрагмы и в других хирургических ситуациях, все шире применяются полимерные сетчатые эндопротезы. Имплантированное сетчатое полотно укрепляет мягкие ткани в процессе заживления и быстро прорастает соединительной тканью.

Эндопротезы должны обладать биосовместимостью, устойчивостью к биодеструкции, резистентностью к инфекциям, механической прочностью, мягкостью, ограниченной растяжимостью, минимальной материалоемкостью. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют основовязаные эндопротезы из мононитей. Широкое применение в пластической хирургии нашли эндопротезы из полипропиленовых (ПП) мононитей. Однако, с нашей точки зрения, более перспективны имплантаты из поливинилиденфторидных (ПВДФ) мононитей, превосходящие ПП по биосовместимости, биорезистентности, мягкости и манипуляционным свойствам.

С учетом того, что физико-механические свойства имплантатов должны быть близки или, по крайней мере, сопоставимы со свойствами замещаемых тканей, находящихся в нормальном состоянии, представлялось целесообразным исследовать деформационные характеристики ПП и ПВДФ мононитей, применяемых для изготовления сетчатых эндопротезов. Следует отметить, что эти же мононити используют в качестве шовного материала для фиксации эндопротезов. В литературе имеются данные о деформационных свойствах ПП мононитей [2-4], но нет сведений о свойствах мононитей из ПВДФ. В связи с достаточно высокой жесткостью на изгиб ПП мононити дополнительно подвергали структурной и физической модификации [4-6].

Деформационные свойства мононитей изучали при растягивающем нагружении в различных режимах:

  • статического растяжения до разрыва с постоянной скоростью деформирования έ= 0.0167 c-1 (диаграмма растяжения в координатах ɛ(Ϭ), где ɛ(t) = έt - деформация, %; Ϭ = Ϭ(t) - напряжение, МПа; t - время). Испытания проводили на установке INSTRON 1122;
  • ползучести (изменение деформации ɛ(t) при действии постоянной нагрузки Ϭ) с последующим восстановительным деформационным процессом (ВДП) после полного снятия нагрузки. Испытания проводили на релаксометрах деформации, сконструированных в СПГУТД, в диапазоне напряжений от 65 до 320 МПа, что составляет не более 30% от разрывных.

Все измерения были проведены при комнатной температуре 293 К.

На рис.1 приведены диаграммы растяжения изучаемых нитей, а в табл.1 - их механические характеристики, полученные из диаграмм растяжения: значения разрывных напряжений Ϭ, разрывных деформаций ɛ а также начальных модулей упругости E0 = lim E (ɛ,t), определяемых по тангенсу угла наклона касательной к кривой ɛ(Ϭ) в начале процесса растяжения.

Релаксационные свойства нитей оценивали по результатам измерения ползучести и ВДП. На рис.2 в качестве примера представлены кривые кратковременной ползучести (за время t = 4 мин) ПП мононити при различных растягивающих напряжениях а (рис.2, а) и восстановительного деформационного процесса после разгрузки в течение 32 мин (рис.2, б). Как видно из рис.2, а, зависимости ɛ(lgt) имеют квазилинейный характер (нелинейность выражена слабо), и уровень деформации е закономерно возрастает с увеличением напряжения а. Важным вопросом для суждения о механизме процесса ползучести является степень обратимости накапливающейся деформации в процессе ползучести. После разгрузки нитей (рис.2, б) происходит резкое снижение деформации.

К моменту времени t=0.1 мин после снятия напряжения остаточная деформация составляет 20-30% от полной деформации перед разгрузкой (рис.2, а). Затем остаточная деформация уменьшается, и ко времени t=32мин, на логарифмический порядок превышающему время нагружения, составляет 10-15% от полной деформации. За больший период времени, вероятно, будет происходить дальнейшее уменьшение остаточной деформации. Таким образом, данные о восстановлении деформации мононитей после их разгрузки показали, что подавляющая доля деформации (80-90%) обратима, т.е. процессы пластического деформирования - накопления необратимой деформации - выражены слабо. Это важно с точки зрения сохранения формы и размеров эндопротезов в процессе эксплуатации, когда на них воздействует внутрибрюшное давление.

Обратимся к анализу процесса ползучести мононитей. Для выяснения характера их вязкоупругих свойств кривые кратковременной ползучести ɛ(t) на рис.2, а были перестроены в зависимости податливости D(Ϭ,t) = ɛ(t)/Ϭ. На рис.3 представлены зависимости податливости для обеих изучаемых нитей. Оказалось, что переход от ползучести к податливости приводит к слиянию кривых податливости в единую временную зависимость. Отсутствие влияния на эту величину напряжения а означает, что удовлетворяется условие линейности вязкоупругих свойств. Основываясь на том, что релаксационный процесс рассматривается как последовательность термофлуктуационных элементарных актов в микрообъемах полимера [7, 8], линейный вариант можно рассматривать как частный случай нелинейного и для его количественного описания применить определяющее уравнение [9]

где D0 - начальная упругая податливость; D - квазиравновесная податливость; φϬt - нормированная функция, изменяющаяся от 0 до 1, в виде интеграла вероятностей [10]

где vϬɛt= a-1(lgt - lgτϬ); a - параметр интенсивности процесса; t - текущее время; τϬ=const - среднестатистическое время запаздывания.

При оперировании уравнением (1) для описания процесса ползучести необходимо знать его параметры - D0, D, a-1, lgτϬ. Эти параметры определяются при использовании свойства обобщенной кривой процесса податливости, заключающегося в том, что весь процесс протекает между начальной и предельно-равновесной податливостью, к значениям которых обобщенная кривая асимптотически приближается при соответствующих временах. Таким образом, параметры процесса можно определить с известной степенью точности в ходе более длительного эксперимента. Поэтому были проведены измерения ползучести ПП и ПВДФ мононитей в более широком интервале времени - до 104 мин (около 170 ч).

Измерения деформации мононитей при различных напряжениях показали, что и при долговременной ползучести (до 30% от Ϭp и времени до 104 мин) сохраняется пропорциональность деформации напряжению (податливость в каждый момент времени не зависит от напряжения). Это означает, что долговременная ползучесть нитей также обусловлена линейной вязкоупругостью. На рис.4 представлены долговременные зависимости податливости изучаемых нитей. Эти зависимости имеют характерную S-образную форму. Именно S-образная форма зависимости податливости от логарифма времени делает возможной аппроксимацию зависимости D(lgt) на основе интеграла вероятности, поскольку этот интеграл также имеет S-образную зависимость от переменной z, по которой ведется интегрирование.

Характерная S-образная форма зависимости D(lgt) позволяет наметить две асимптоты: D0 при lgt ->∞ и D при lgt ->∞. Величину D0 можно с достаточной степенью точности оценить исходя из значения начального модуля упругости мононитей E0 , получаемого из диаграммы их растяжения (см. рис.1). Действительно, диаграммы растяжения при напряжениях до 30% от разрывных близки к линейным. Модуль упругости в этой области нагрузок может быть назван начальным, он составляет E0= Ϭ/ɛ Ползучесть измеряли в этой же области нагрузок (до 30% от разрывных). Податливость в первые моменты времени после приложения нагрузки отвечает упругой деформации и составляет D0 = ɛ/Ϭ, т.е. D0 = 1/E0.

Время запаздывания τϬ в случае линейной вязкоупругости можно определить по аналогии с нелинейной вязкоупругостью [9] как время, соответствующее середине релаксационного процесса и соответственно - экстремальному значению логарифмического ядра процесса:

поэтому для его нахождения достаточно продифференцировать кривую податливости. Для определения значения D необходимо сначала найти величину Dτ, т.е. среднее значение податливости, которое вычисляется по значению lgτϬ. Поскольку

Параметр a рассчитывается по формуле [5]

Параметры процесса ползучести, рассчитанные по формулам (3)-(5), приведены в табл.2.

В табл.3 приведены результаты расчета податливости D по полученным параметрам для ПП мононити при разных значениях времени t,

табл.4 - результаты расчета деформации ɛt  в режиме ползучести этой нити при различном напряжении.

Приведенные на рис.2 экспериментальные и расчетные значения деформации свидетельствуют об их удовлетворительном согласовании. Исследования, проведенные на образцах ПВДФ мононити, показали аналогичные результаты.

Таким образом, актуальную задачу изучения деформационных свойств нитей, используемых для изготовления материалов медицинского назначения, применяемых в реконструктивно-восстановительных операциях для пластики опорных мягких тканей, удается решить на основе математического моделирования линейной вязкоупругости.

  • Исследованы вязкоупругие свойства полипропиленовых и п оливинилиденфторидных мононитей, предназначенных для изготовления сетчатых эндопротезов.
  • Установлено, что деформационные свойства нитей отвечают линейной вязкоупругости. Определены параметры процесса ползучести мононитей.
  • Предложена методика описания ползучести данных мононитей. Показано хорошее согласование рассчитанных по этой методике значений деформации ползучести при различных напряжениях с экспериментальными значениями.
  • Полученные результ аты могут служить основой для разработки методики п рогнозирования работоспособности имплантатов, изготовляемых из данных мононитей.

Библиографический список
(1) Штильман М.И. Полимеры медико-биологического назначения. - М.: ИКЦ “Академкнига”, 2006. - 400 с.
(2) Wortmann F.-J., Schulz K.V. // Polymer. 1995. V.36. № 2. - P.315-321.
(3) Исаева В.И. Исследование процесса получения полипропиленового моноволокна. Дис. к.т.н. - Калинин: ВНИИСВ. 1972. - 137 с.
(4) Жуковский В.А., Воронова И.Г., Волкова М.А. // Хим. волокна. 1992. № 3. - С.54.
(5) Жуковский В.А. // Хим. волокна. 1992. № 5. - С.6-8.
(6) Жуковский В.А., Воронова И.Г. и др. Физическая модификация хирургических полипропиленовых мононитей. // Модифицированные волокна и волокнистые материалы со специальными свойствами: Межвуз. сб. науч. тр. - М.: МГТА, 1992. - С.78-83.
(7) Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. - М.: Наука, 1974. - 560 с.
(8) Слуцкер А.И., Веттегрень В.И. и др. // Физика тв. тела. 2007. Т.49. № 9. - С.1608-1617.
(9) Сталевич А.М. Деформирование ориентированных полимеров. - Санкт-Петербург: СПГУТД, 2002. - 250 с.
(10) Митропольский А.К. Интеграл вероятностей. - Л.: ЛГУ, 1972. - 86

О журнале        Новости        Редколлегия        Авторам        Библиотека        Архив издания        Контакты
Copyright © 2018 "Химические волокна"
Design by Sergey Dorodnikov
 
+7 (495) 586-08-80
 
141009, Россия, Московская обл.
г. Мытищи, а/я 217