Abstract
在临床操作中，手术缝合线的断裂、结的滑脱和缝合线对组织的撕裂是造成伤口缝合失效的主要原因。基于此，本文在生物材料试验机上模拟缝合打结过程，研究了丝线、聚乳糖酸 910 缝合线和聚丙烯缝合线打结前后的拉伸、松弛和线-线界面的摩擦性能。结果表明，打结使缝合线的拉伸性能降低。其中聚乳糖酸 910 缝合线拉伸强度最大，聚丙烯缝合线延伸率最大；在松弛过程中，缝合线在初始 2 h 松弛量最大，松弛量从小到大为：聚乳糖酸 910 缝合线、丝线、聚丙烯缝合线。涂层和单丝结构均能有效降低缝合线表面粗糙度，从而减小线-线界面的摩擦力；线-线界面的摩擦力随载荷增加而增加，而与摩擦速度无关。研究结果为优化缝合线设计和缝合打结操作提供了重要的理论基础。
Keywords: 手术缝合线, 表面形貌, 拉伸, 松弛, 摩擦特性
Abstract
Suture broken, knot slipping and tissue tearing are the main reasons of wound closure failure in clinical operation. Based on this, we simulated the suturing and healing operation by using a biological materials testing machine and investigated the tensile properties before and after knotting, relaxation property and friction property of three common sutures: silk, polyglactin 910 and polypropylene. Results show that the tensile property decreased after knotting. The tensile strength of polyglactin 910 and elongation of polypropylene were the largest. During the relaxation process, the sutures relaxed the most in the first 2 hours. The relaxation from less to more was: polyglactin 910, silk and polypropylene. Coating or monofilament could obviously reduce the surface roughness of sutures, and thus reduce the friction force of the suture-suture interface. The friction force of the suture-suture interface increased with the increasing load but did no change with the increasing velocity. The results can provide an important theoretical basis for the optimizations of suture design and knotting operation.
Keywords: suture, surface morphology, tensile, relaxation, friction behavior
引言
手术缝合线是一种常用的医疗耗材，广泛应用于伤口的缝合、组织的对合、腔管的结扎与吻合、关节和植入物的固定、创面和韧带修复等过程[1]。在以微创手术机器人为主的外科缝合技术中，机器人需要根据缝合线的性能来规划整个缝合打结操作。缝合线的性能对微创手术操作效果与术后愈合效果均有重要影响。缝合线的性能通常可分为力学性能、操作性能和生物性能[2]。其中力学性能包括拉伸性能、摩擦性能、蠕变与松弛性能、弯曲刚度等；操作性能包括组织割损性能、打结难易性能等；生物性能包括体内降解性能、生物惰性、生物毒性等。在伤口缝合与术后愈合过程中，手术缝合线的力学性能对手术的成功率影响很大。例如：低拉伸强度和高磨损性容易引起缝合线的断裂，而高蠕变或高松弛性容易引起缝合间隙形成，最终引起缝合组织的二次开裂，造成缝合失败。
国内外有关缝合线力学性能的研究主要集中在拉伸强度与摩擦性能上。Kim 等[3]利用拉力试验机研究了线种类和线径对缝合线拉伸性能的影响，得出随着线径的增加缝合线的拉伸强度逐渐增加，线种类对于不可吸收缝合线拉伸性能的影响大于可吸收缝合线。Good 等[4]指出同种线径的聚乳糖酸 910 缝合线和聚二恶烷酮缝合线的拉伸性能无明显差异。Kandimalla 等[5]发现苎麻纤维缝合线由于纤维内空腔面积很小增加了细胞壁的厚度，从而提高了缝合线的拉伸性能，此外体内的湿润环境会增加苎麻纤维缝合线的拉伸强度。牛天军等[6]指出加捻缝合线在摩擦过程中缝合线会逐渐解捻，纤维断裂逐渐增多，从而导致缝合线表面形成毛羽。在摩擦过程中，毛羽产生粘连从而降低了缝合线的剩余强度。Williams 等[7]发现在编织型缝合线与肌腱组织摩擦过程中，随着缝合线编织角的增加，缝合线的磨损量会显著增加。Chen 等[2]采用盐酸左氧氟沙星涂层，Viju 等[8]采用壳聚糖涂层，而 Griesser 等[9]采用射频辉光放电法生成的六甲基二硅氧烷涂层，均能有效降低缝合线的摩擦系数。Nout 等[10]指出随着线径的增加，缝合线的蠕变增强，对于同种线径的聚丙烯缝合线和聚对二氧环已酮缝合线，前者的蠕变明显强于后者。
实际上，缝合线的断裂、结的滑脱和组织的撕裂是伤口缝合失效的主要原因[11]。在临床上，手术缝合线低拉伸性能会导致伤口的二次开裂，低摩擦性能会导致难于打结，高的松弛性能会导致术后愈合过程中缝合线支撑强度降低。因此，缝合线的力学性能对组织愈合的影响尚需要研究。本文以三种外科常用缝合线为研究对象，分析了其打结前后的拉伸性能和松弛性能，并且模拟手术打结，探索了不同速度、不同载荷与不同表面形貌和结构的缝合线对其摩擦性能的影响，以期为缝合线的设计优化和手术缝合打结操作提供基础数据。
1. 试验
1.1. 样品准备
选用三种常用微创手术缝合线为试验样品：丝线（慕斯线，强生（上海）医疗器材有限公司）、聚乳糖酸 910 缝合线（微乔线，强生（上海）医疗器材有限公司）和聚丙烯缝合线（普利灵线，强生（上海）医疗器材有限公司），线径均为 USP 3-0 号（美国药典，直径 0.200～0.249 mm），详细信息如表 1 所示。在扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）（JSM-6610LV，日本电子公司）下观察到的缝合线表面形貌如图 1 所示。
表 1. Detailed information of the suture samples.
手术缝合线样品基本信息
| 手术缝合线名称 | 结构 | 可吸收性 | 涂层 | 表面粗糙度 Ra/μm |
| 聚丙烯缝合线 | 单丝 | 不可吸收 | − | 0.66 ± 0.13 |
| 聚乳糖酸 910 缝合线 | 复丝编织 | 可吸收 | 聚乳糖 370 和硬脂酸钙 | 2.85 ± 0.58 |
| 丝线 | 复丝编织 | 不可吸收 | − | 10.84 ± 2.93 |
图 1.
SEM micrographs of the suture surface
缝合线表面扫描电镜图像
采用激光共聚焦显微镜（OLS4100，奥林巴斯（中国）有限公司）测量三种缝合线的表面粗糙度，结果如表 1 所示。由图 1 和表 1 可知，无涂层单丝结构聚丙烯缝合线的表面粗糙度最小，无涂层编织结构的丝线最大。
1.2. 试验方法
如图 2a 所示，采用生物材料试验机（HY0580，上海横翼精密仪器有限公司）对上述三种缝合线进行直接拉伸、打结后拉伸和松弛性能测试。每种缝合线裁剪成长度 150 mm 各 15 根，分别用于直接拉伸、打结后拉伸和松弛实验，每种实验各 5 根。实验前所有缝合线样品在生理盐水中浸泡约 5 h，用来模拟人体的内环境。
图 2.
Testing apparatus
试验装置
a. HY0580 biological materials testing machine; b. friction test platform; c. surgical knot; d. the relative position of the three sutures
a. HY0580 生物材料试验机；b. 摩擦试验平台；c. 外科结；d. 三条缝合线相对位置
1.2.1. 缝合线打结前后拉伸性能分析
在进行拉伸实验时，缝合线的拉伸标距为 100 mm，拉伸速度为 5 mm/min，采样频率为 25 Hz。在打结后拉伸强度测试时，打结方式均采用外科结（如图 2c 所示），结位于上下夹具的中心位置，每次测试后观察缝合线的断裂位置并记录。
图 3 为缝合线拉伸实验中典型的拉力-位移曲线图，在拉断点之前缝合线上的拉力与位移呈非线性关系，曲线斜率逐渐减小。在缝合线拉断过程中，需要不断地消耗能量，缝合线拉断所消耗的能量可由式（1）计算。
图 3.
Typical force-displacement curve of suture
缝合线典型拉力-位移曲线图
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1 |
式中，x' 为拉断点对应的位移，F 为每个瞬态对应的力值。由定积分的定义可知，该段曲线在［0，x'］上与 x 轴所围成的图形面积即为缝合线拉断所需的能量。
为了对比不同种缝合线之间的差异，对于每条实验曲线取拉伸强度（拉断点对应的拉力值）、延伸率（拉断点对应位移/缝合线初始长度（100 mm））、拉断所消耗能量作为对比参数。
1.2.2. 缝合线松弛性能分析
在进行松弛实验时，缝合线的拉伸标距仍为 100 mm，首先缝合线以 5 mm/s 的速度拉伸到初始拉伸长度 10 mm，而后保持此长度 24 h，系统的采样频率为 1 Hz。
根据应力的定义可知，缝合线上的应力可由式（2）进行计算。
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2 |
式中，F 为缝合线上的拉力值，A0 为缝合线的初始截面面积，d 为缝合线的平均直径［d = （0.200 + 0.249）/2 = 0.224 5 mm］。为了比较不同种类缝合线松弛性能之间的差异，我们取应力比作为对比量，应力比可由式（3）计算。
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3 |
式中，δt 为瞬态应力值，δ0 为初始应力值。
1.2.3. 缝合线-缝合线界面摩擦性能分析
手术操作中常用的固结方式有：方结、外科结和三叠结[12]。结的固紧力主要由缝合线-缝合线界面的摩擦力提供。如图 2b 所示，缝合线-缝合线界面的摩擦实验在改装后的生物材料试验机上进行。实验时采用三根挂有相同重量砝码的同种材质的缝合线，其位置关系如图 2d 所示。驱动系统带动垂直缝合线向上运动完成摩擦过程，数据的采样频率为 25 Hz，每次实验重复进行 5 次。在研究不同载荷的影响时，缝合线均采用 3-0 号丝线，运动速度均为 50 mm/min，载荷分别设为 0.1、0.2、0.5 N；在研究不同速度的影响时，缝合线仍为 3-0 号丝线，载荷均为 0.2 N，运动速度分别为 25、50、75 mm/min；在研究缝合线表面形貌和结构的影响时，载荷均为 0.2 N，速度均为 50 mm/min，缝合线分别为 3-0 号的丝线、聚乳糖酸 910 缝合线和聚丙烯缝合线。
图 4 为缝合线-缝合线界面摩擦力随位移的典型变化曲线。我们将整个摩擦过程分为两个阶段：第一阶段为静摩擦阶段，第二阶段为动摩擦阶段。如图 2d 所示，当竖直状态的缝合线开始运动时，摩擦过程进入静摩擦阶段，此阶段摩擦力随着位移的增加而显著增加。这是因为在此阶段竖直线带动两条水平线一起运动，缝合线之间的相对运动速度为零。当静摩擦力达到最大时，静摩擦阶段结束，摩擦过程开始进入动摩擦阶段，此阶段缝合线之间产生了相对运动速度。在此阶段由于缝合线-缝合线界面的粘滑现象，摩擦力会出现锯齿型变化。
图 4.
Typical friction force-displacement curve of suture- suture interface (polyglactin 910, FN = 0.2 N, v = 50 mm/min)
缝合线-缝合线界面典型摩擦力-位移曲线图（聚乳糖酸 910 缝合线，载荷 0.2 N，速度 50 mm/min）
为了比较各影响因素对缝合线-缝合线界面摩擦特性的影响，我们取动摩擦阶段（位移为 10～60 mm）下的平均摩擦力作为比较参数，平均摩擦力可由式（4）计算。
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4 |
式中，Ff 为缝合线-缝合线界面的平均摩擦力（后文中简称为摩擦力），FDi 为位移 Di 下的瞬时摩擦力，D10 和 D60 分别为计算摩擦力的开始和结束位置，N 为从 D10 到 D60 计算点的总个数（采样频率为 25 Hz）。
1.3. 统计学处理
将 5 次重复实验的结果表示为平均值 ± 标准差。组内和组间的差异分别采用单因素方差分析（ANOVA）和 Fisher 最小显著性方法进行分析，检验水准设为 0.05。采用 Pearson 相关系数（r 值）描述两个变量之间的相关程度。所有的统计分析均在 SPSS Statistics 18.0（SPSS Inc.，美国）中进行。
2. 结果与讨论
2.1. 缝合线打结前后拉伸性能分析
图 5 为不同种缝合线在 5 次重复实验下打结前后拉伸强度、延伸率和拉断前所消耗能量的实验结果平均值。可以看出，对于同一种缝合线，无论是拉伸强度和延伸率，还是拉断前所消耗能量，打结后的值均小于打结前直接拉伸的值（P < 0.05）。通过观察打结后缝合线拉伸实验的断裂部位可知，所有缝合线打结后的断裂均发生在打结处。这是因为打结会使此处缝合线发生高度的挤压、扭曲和变形，因此打结处缝合线的抗拉强度会明显降低。在整段打结后的缝合线拉伸过程中，打结处出现了应力集中，因此断裂会发生在结所处位置。此外，关于打结前后的拉伸强度，聚乳糖酸 910 缝合线均最高，其次为聚丙烯缝合线，最小的为丝线（ P < 0.05）；关于打结前后的延伸率和拉断前所消耗能量，聚丙烯缝合线均为最大，其次为聚乳糖酸 910 缝合线，最小的仍为丝线（ P < 0.05）。
图 5.
The tensile properties of three sutures before and after knotting (*P < 0.05)
三种缝合线打结前后拉伸性能（*为 P < 0.05）
a. tensile strength; b. percentage of elongation; c. energy consumption before breaking
a. 拉伸强度；b. 延伸率；c. 拉断前所消耗能量
因此，在临床操作中，对于一些运动或承压组织（例如肌腱、腹壁、关节）应采用拉伸强度较大的聚乳糖酸 910 缝合线进行缝合，这样会降低缝合后缝合线的断裂率，有效地减少了伤口二次开裂的风险。对于一些术后变形较大的部位，例如水肿组织，在水肿时缝合线要能拉伸变形，而在水肿消除后，要能收缩为原来状态，缝合线应能根据组织的变形而拉伸或收缩，因此应采用延伸率较大的聚丙烯缝合线进行缝合。
2.2. 缝合线松弛性能分析
图 6 为三种缝合线在 24 h 内应力比随松弛时间的平均变化曲线。对比三种缝合线的曲线可知，应力比下降量从小到大为：聚乳糖酸 910 缝合线、丝线、聚丙烯缝合线（P < 0.05）。此外，所有的缝合线在最初的 2～3 h 应力比下降量最大，而在之后的 21～22 h 应力比下降量很小。在最初的 2 h，聚乳糖酸 910 缝合线的应力比下降了 17.62%，丝线的应力比下降了 25.88%，聚丙烯缝合线的应力比下降了 76.39%。在松弛 24 h 后，聚乳糖酸 910 缝合线的应力比下降了 21.95%，丝线的应力比下降了 31.63%，聚丙烯缝合线的应力比下降了 84.80%。也就是说在松弛 2～24 h 时，聚乳糖酸 910 缝合线的应力比仅下降 4.33%，丝线的应力比仅下降 5.75%，聚丙烯缝合线的应力比仅下降 8.41%。
图 6.
The relaxation curves of three sutures (*P < 0.05)
三种缝合线的松弛曲线（*为 P < 0.05）
缝合线的松弛特性对术后愈合过程非常重要。手术缝合打结后缝合线在预紧力的作用下会产生初始应变，当缝合线的松弛量较大时，缝合线作用于伤口处的约束力会相应减小，从而容易引起伤口的二次开裂。因此对于在愈合期需持续提供支撑力的部位，聚乳糖酸 910 缝合线最为安全。此外，术后 2 h 是缝合线松弛最严重的时期，因此医生或手术机器人在缝合打结时应以松弛 2 h 缝合线所对应的拉力值作为打结预紧力的参考值。
2.3. 缝合线-缝合线界面摩擦性能分析
2.3.1. 表面性能对线-线界面摩擦特性的影响
图 7a 为不同缝合线表面性能下缝合线-缝合线界面摩擦力随位移的典型变化曲线，图 7b 为平均摩擦力的比较图。可以看出，在静摩擦阶段不同表面性能下的曲线斜率基本相同，而静摩擦截止点对应的位移值存在明显差异，其中丝线最大，其次为聚乳糖酸 910 缝合线，最小为聚丙烯缝合线。在动摩擦阶段，丝线的曲线波动最大，其次为聚乳糖酸 910 缝合线，最小为聚丙烯缝合线。通过单因素方差分析和 Fisher 最小显著性方法分析可知，缝合线-缝合线界面的平均摩擦力与缝合线的表面性能有关，其中丝线的摩擦力最大，其次为聚乳糖酸 910 缝合线，而聚丙烯缝合线的摩擦力最小（P < 0.05）。由 表 1 可知，丝线的表面摩擦粗糙度最大，其次为聚乳糖酸 910 缝合线，而聚丙烯缝合线的表面粗糙度最小。通过对表面粗糙度和摩擦力进行相关性分析可知，随着表面粗糙度增加，线-线界面摩擦力呈线性增加（r = 0.99）。
图 7.
Friction test results of suture-suture interface under different surface structure (FN = 0.2 N, v = 50 mm/min, *P < 0.05)
不同缝合线表面结构下线-线界面的摩擦实验结果（载荷为 0.2 N，速度为 50 mm/min，*为 P < 0.05）
a. the typical curve of force-displacement; b. the mean friction force of the three kinds of sutures
a. 摩擦力-位移典型曲线；b. 三种缝合线的平均摩擦力
缝合线-缝合线界面的摩擦力太小时容易造成打结困难，并且所形成的手术结容易产生滑脱。因此，对于一些难以打结的部位，例如自由度受限的微创手术腹内打结操作，应尽量避免采用聚丙烯缝合线。
2.3.2. 速度对线-线界面摩擦特性的影响
图 8a 为不同速度下缝合线-缝合线界面摩擦力随位移的典型变化曲线，图 8b 为平均摩擦力的比较图。可以看出，无论是静摩擦阶段还是动摩擦阶段，三种速度下的平均摩擦力-位移曲线无明显差异。通过单因素方差分析可知缝合线-缝合线界面的平均摩擦力与滑移速度无明显关系（P > 0.05）。因此，医生在临床打结操作时，打结速度对结的可靠性没有影响。为了缩短整个手术的时间，医生应以最快的速度完成打结操作。
图 8.
Friction test results of suture-suture interface under different sliding speed (silk, FN = 0.2 N)
不同速度下线-线界面的摩擦实验结果（丝线，载荷为 0.2 N）
a. the typical curve of force-displacement; b. the mean friction force of three sliding speed
a. 摩擦力-位移典型曲线；b. 三种速度下的平均摩擦力
2.3.3. 载荷对线-线界面摩擦特性的影响
图 9a 为不同载荷下缝合线-缝合线界面摩擦力随位移的典型变化曲线，图 9b 为平均摩擦力的比较图。可以看出，不同载荷下静摩擦截止点对应的位移值基本相同，而曲线斜率出现明显差异，随着载荷的逐渐增加，曲线的斜率有明显增大的趋势。在动摩擦阶段，三条曲线的数据波动量无明显差异。通过单因素方差分析可知动摩擦阶段缝合线-缝合线界面的平均摩擦力与载荷的大小有关，随着载荷的增加，平均摩擦力逐渐增大（P < 0.05）。因此在临床打结操作中，在保证缝合线不被拉断和组织不被切断的条件下，医生应采用尽可能大的打结力来增大缝合线-缝合线界面的载荷值，从而提高界面的摩擦阻力，保证手术结的可靠性。
图 9.
Friction test results of suture-suture interface under different load (silk, v = 50 mm/min, *P < 0.05)
不同载荷下线-线界面的摩擦实验结果（丝线，速度为 50 mm/min，*为 P < 0.05）
a. the typical curve of force-displacement; b. the mean friction force of three different load
a. 摩擦力-位移典型曲线；b. 三种载荷下的平均摩擦力
综上所述，在缝合打结和术后愈合过程中，聚乳糖酸 910 缝合线拉伸、松弛和摩擦的综合性能最好。该缝合线既能提供较大的拉伸强度，防止缝合线断裂；也能提供较大的摩擦力，利于手术打结操作；此外，它还具有较小的松弛量，可减少愈合期伤口的开裂率。因此，医生在临床缝合操作中应首选聚乳糖酸 910 缝合线。
3. 结论
本文基于手术缝合打结和术后愈合过程，研究了三种常用手术缝合线的拉伸性能、松弛性能和摩擦性能。为优化缝合线的设计和手术缝合打结操作提供了重要的理论基础。主要结论如下：
（1）打结会使缝合线的拉伸性能降低，结所处的位置为最易断裂点。对于三种缝合线，聚乳糖酸 910 缝合线的拉伸强度最大，聚丙烯缝合线的延伸率最大。
（2）手术缝合线在最初松弛的 2 h 内松弛量最大，三种缝合线松弛量从小到大为：聚乳糖酸 910 缝合线、丝线、聚丙烯缝合线。
（3）增加缝合线的表面粗糙度和载荷均能有效增加线-线界面的摩擦力，从而有利于缝合线打结，而滑移速度的变化对摩擦力无明显影响。
Funding Statement
国家自然科学基金委重大项目（51290291，51675447）
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