隋修武，王 碩，李 瑤，李 琰

（天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院），天津300387）

膠原蛋白與殼聚糖可吸收縫合線(xiàn)成型的有限元分析與精確紡絲工藝參數(shù)控制

隋修武，王 碩，李 瑤，李 琰

（天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院），天津300387）

為了解決膠原蛋白與殼聚糖材料的可吸收縫合線(xiàn)的濕法紡絲工藝中線(xiàn)徑和強(qiáng)度不均勻的難題，進(jìn)行了該種材料成型的數(shù)值仿真與紡絲成型機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).數(shù)值仿真采用Gambit與Fluent軟件，對(duì)該混合液的射流噴嘴流場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析，從理論上論證了通過(guò)控制噴絲張力來(lái)調(diào)節(jié)縫合線(xiàn)線(xiàn)徑的可行性；在此基礎(chǔ)上，在JK1601型立管式濕法紡絲機(jī)上研制了纏繞張力和線(xiàn)徑兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，纏繞張力控制采用歸一化PID控制算法實(shí)現(xiàn)；線(xiàn)徑控制采用線(xiàn)陣CCD非接觸式在線(xiàn)測(cè)量與改進(jìn)的自適應(yīng)廣義預(yù)測(cè)控制算法相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn).實(shí)驗(yàn)表明：改進(jìn)后JK1601型紡絲機(jī)制作的縫合線(xiàn)樣品符合美國(guó)藥典第35版的要求，直徑和抗張強(qiáng)度的不均勻性分別由原來(lái)的25.4%、33.2%降低到5.0%以?xún)?nèi).

殼聚糖與膠原蛋白；可吸收縫合線(xiàn)；有限元分析；線(xiàn)陣CCD；廣義預(yù)測(cè)控制算法

中國(guó)醫(yī)用縫合線(xiàn)每年約有15億元人民幣的市場(chǎng)需求，其中可吸收縫合線(xiàn)約有7.5億元［1－3］.可吸收縫合線(xiàn)采用生物材料，或?qū)⒏叻肿硬牧吓c生物材料結(jié)合，主要用于人工器官、外科修復(fù)、理療康復(fù)、治療疾患等［4－5］.膠原蛋白與殼聚糖相結(jié)合的材料以其毒性小、組織反應(yīng)小、吸收性好等優(yōu)點(diǎn)，成為研究的熱點(diǎn)之一［6－7］.

膠原蛋白與殼聚糖復(fù)合流體是一種典型的非牛頓流體，其非牛頓流體指數(shù)、粘流活化能和結(jié)構(gòu)粘度指數(shù)受混合液的配比，混合液溫度等多方面因素影響.例如，隨著膠原蛋白含量的增加，混合液的非牛頓性減弱，粘度降低，溶液的非牛頓指數(shù)n增加；溫度變化引起其粘度變化，從而影響其成型過(guò)程.目前由于缺乏對(duì)材料的成型機(jī)理及紡絲工藝關(guān)鍵技術(shù)的掌握，致使成品絲直徑不能精確控制，制作出的縫合線(xiàn)線(xiàn)徑粗細(xì)不均、抗張強(qiáng)度不均，嚴(yán)重影響到臨床應(yīng)用.

本文從膠原蛋白與殼聚糖復(fù)合流體的成型規(guī)律分析入手，確定噴絲直徑與噴絲速度、噴絲針頭孔徑、流體密度、流體黏度的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上對(duì)縫合線(xiàn)紡絲成型的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)徑在線(xiàn)非接觸測(cè)量與閉環(huán)控制、纏繞張力閉環(huán)控制，從而保證了膠原蛋白與殼聚糖可吸收縫合線(xiàn)的線(xiàn)徑和抗張強(qiáng)度的均勻性.

1 膠原蛋白與殼聚糖縫合線(xiàn)的紡絲成型工藝

采用JK1601型立管式濕法紡絲機(jī)制備膠原蛋白與殼聚糖可吸收縫合線(xiàn)的濕法紡絲制備工藝流程如圖1所示.

圖1 可吸收縫合線(xiàn)的紡絲成型工藝流程Fig.1 Spinning forming process flow of absorbable suture

原料混合液為膠原蛋白、殼聚糖和蓖麻油按特定配比制作的專(zhuān)利材料，前期采用該材料制作的縫合線(xiàn)的各項(xiàng)性能已經(jīng)通過(guò)天津藥品檢驗(yàn)所的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，包括化學(xué)性能、皮內(nèi)刺激、植入實(shí)驗(yàn)、過(guò)敏實(shí)驗(yàn)、全身毒性實(shí)驗(yàn)等.原料混合液經(jīng)噴絲機(jī)構(gòu)制成9根直徑約為0.1 mm的初生態(tài)絲，由線(xiàn)徑閉環(huán)控制系統(tǒng)控制噴絲機(jī)構(gòu)的噴絲速度，從而控制初生態(tài)絲的直徑，初生態(tài)絲經(jīng)凝固浴，與凝固液（丙酮、氨水等成分）之間進(jìn)行雙擴(kuò)散作用，形成成品絲，再經(jīng)過(guò)假捻機(jī)構(gòu)進(jìn)行加捻和解捻操作，編制成初始縫合線(xiàn)，然后經(jīng)過(guò)交聯(lián)處理，增加其強(qiáng)度及調(diào)節(jié)親水性，經(jīng)過(guò)相應(yīng)化學(xué)處理及清洗烘干后，成為具有一定直徑和強(qiáng)度的半成品縫合線(xiàn)，由送卷機(jī)構(gòu)送入帶有精細(xì)牽伸張力閉環(huán)控制的收卷機(jī)構(gòu)，完成成品縫合線(xiàn)的纏繞.在整個(gè)濕法紡絲制備工藝過(guò)程中，凝固浴、假捻、交聯(lián)、清洗烘干的工藝過(guò)程及工藝參數(shù)控制已經(jīng)達(dá)到很好的效果，而成型過(guò)程的細(xì)絲線(xiàn)徑和纏繞牽伸過(guò)程的纏繞張力成為制約縫合線(xiàn)制備的2個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù).

2 膠原蛋白與殼聚糖縫合線(xiàn)成型的有限元分析

膠原蛋白與殼聚糖縫合線(xiàn)的噴絲至成品絲的絲徑變化過(guò)程如圖2所示.

圖2 噴絲到成品絲的線(xiàn)徑變化Fig.2 Suture diameter change of Spinning to the finished filament

膠原蛋白與殼聚糖的原料混合流體在一定壓力作用下，由噴絲孔以一定的速度噴出，形成一定直徑的初生態(tài)絲.由于原料混合液的黏度、噴絲孔出口壓力、出口速度等因素的影響，噴絲孔噴出的初生態(tài)絲直徑d2與噴絲孔內(nèi)直徑d1不相等，而是存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系.初生態(tài)絲與凝固液（主要成份是丙酮、氨水等）進(jìn)行酸堿分子的雙向擴(kuò)散，初生態(tài)絲中的酸性分子向凝固液中擴(kuò)散，凝固液中的堿性分子向初生態(tài)絲擴(kuò)散，形成成品絲.成品絲直徑d3與初生態(tài)絲直徑d2也不相等，存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)控制凝固液的溫度和酸堿度可以保證d3和d2的比例關(guān)系.

本文采用有限元分析的方法［8－10］，研究了初生態(tài)絲的直徑d2與噴絲孔直徑d1、原料混合液的黏度、混合液的密度、噴絲孔出口速度等因素之間關(guān)系的規(guī)律，從而為精確控制成品絲直徑d3提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).實(shí)驗(yàn)所用復(fù)合流體來(lái)自天津尚德醫(yī)療器械有限公司，由特定配比的膠原蛋白、殼聚糖和蓖麻油材料組成.不同型號(hào)的復(fù)合流體的密度范圍為 790～1 210 kg/m3，黏度范圍為0.78～1.25 kg/（m·s）.

2.1 有限元分析的數(shù)學(xué)模型

利用Gambit軟件建立噴嘴模型，如圖3所示.由于噴嘴是軸對(duì)稱(chēng)圖形，為了減少軟件的計(jì)算量，只畫(huà)出了一半的圖形.根據(jù)生產(chǎn)工藝中常用的噴嘴的尺寸，建模時(shí)采用參數(shù)：AB＝0.015 m，BC＝0.015 m，DE＝0.03 m，HF＝0.029 m，IJ＝0.016 m，JK＝0.013 m，KL＝0.12 m，LM＝0.03 m，AG＝0.048 m.

圖3 噴嘴模型Fig.3 Nozzle model

選用5種符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的噴絲針頭孔徑，分別是5＃：內(nèi)徑0.26 mm，外徑0.51 mm.6＃：內(nèi)徑0.34 mm，外徑0.64 mm.7＃：內(nèi)徑0.41 mm，外徑0.71 mm.8＃：內(nèi)徑0.51 mm，外徑0.81 mm.9＃：內(nèi)徑0.60 mm，外徑0.90 mm.FG為1/2的外徑，EG為1/2的內(nèi)徑.

采用Quad四邊形網(wǎng)格形式，Submap網(wǎng)格劃分類(lèi)型.計(jì)算域邊界設(shè)置如下：AB為噴嘴入口，設(shè)置為速度入口VELOCITY＿INLET；EG為噴嘴出口；BCDEFHIJB為噴嘴壁，設(shè)置直線(xiàn)BC、CD、DE、EF、FH、HI、IJ、JK為WALL；JKLMGEFHIJ為射流流場(chǎng)外部，設(shè)置KL、LM為PRESSURE＿OUTLET；AG、GM為軸線(xiàn)，設(shè)置AG、GM為AXIS.

有限元分析的數(shù)學(xué)模型選用VOF模型，根據(jù)雷諾數(shù)定義

式中：d為噴嘴內(nèi)直徑；V為平均流速；μ為動(dòng)力學(xué)粘性系數(shù).最大噴嘴內(nèi)徑d＝0.84 mm，最大噴絲速度V＝0.135 m/s，混合液最大密度ρ＝1 400 kg/m3，最小動(dòng)力學(xué)粘性系數(shù)μ＝0.6 kg/（m·s），經(jīng)計(jì)算，噴嘴出口液體流動(dòng)的最大雷諾數(shù)Re＝0.264 6＜2 000，故選用層流模型Laminar.

入口速度共設(shè)定5組值：0.055、0.075、0.095、 0.115和0.135 m/s.出口邊界條件：采用壓力出口，壓力設(shè)置為0，采用無(wú)滑移壁面條件.流體的密度共設(shè)定5組值：600、800、1 000、1 200和1 400 kg/m3.流體的黏度共設(shè)定 5組值：0.6、0.8、1.0、1.2和1.4 kg/（m·s）.求解器設(shè)定為基于壓力的求解器：Pressure?Based.

2.2 仿真結(jié)果

采用控制變量法，分析了入口速度、流體黏度、流體密度和噴絲針頭孔徑對(duì)射流后流體半徑大小的影響.分析數(shù)據(jù)如表1～4所示.

表1 入口速度對(duì)射流后流體半徑大小的影響Table 1 The influence of inlet velocity on the radius of the fluid after jetting

表2 流體黏度對(duì)射流后流體半徑大小的影響Table 2 The influence of fluid viscosity on the radius of the fluid after jetting

表3 流體密度對(duì)射流后流體半徑大小的影響Table 3 The influence of fluid density on the radius of the fluid after jetting

表4 噴絲針頭孔徑對(duì)射流后流體半徑大小的影響Table 4 The influence of needle nozzle aperture on the radi?us of the fluid after jetting

由表1～4可以看出：當(dāng)其他條件不變時(shí)，射流后流體半徑隨入口速度的增大而減少，隨流體黏度的增大而減?。浑S流體密度的增大而增大；隨噴絲針頭孔徑的增大而增大.

將分析結(jié)果與JK1601型立管式濕法紡絲機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較表明，仿真分析得出的結(jié)論是正確的；在混合液的流體黏度、流體密度和噴絲針頭孔徑確定的情況下，通過(guò)控制噴絲機(jī)構(gòu)的噴絲速度來(lái)控制縫合線(xiàn)的線(xiàn)徑是可行的.

3 膠原蛋白與殼聚糖縫合線(xiàn)紡絲關(guān)鍵工藝參數(shù)控制

膠原蛋白與殼聚糖縫合線(xiàn)紡絲工藝的關(guān)鍵參數(shù)包括初生態(tài)絲的線(xiàn)徑、交聯(lián)液溫度和烘干箱溫度、凝固液的酸度、纏繞過(guò)程的牽伸張力等.線(xiàn)徑與抗張強(qiáng)度是縫合線(xiàn)規(guī)格的主要性能指標(biāo)，下面重點(diǎn)介紹這2個(gè)指標(biāo)的工藝參數(shù)的控制：線(xiàn)徑閉環(huán)控制和纏繞張力閉環(huán)控制.

3.1 纏繞張力閉環(huán)控制

3.1.1 纏繞張力控制的原理

可吸收縫合線(xiàn)在收卷筒上纏繞時(shí)，纏繞張力通過(guò)改變縫合線(xiàn)材料中的大分子鏈排列結(jié)構(gòu)來(lái)改變其抗張強(qiáng)度和對(duì)縫合線(xiàn)的線(xiàn)徑做最后的微調(diào).在一定牽伸張力范圍內(nèi)，隨著牽伸力的增加，縫合線(xiàn)的抗張強(qiáng)度會(huì)增加.對(duì)于超細(xì)的縫合線(xiàn)來(lái)說(shuō)，纏繞張力的微小波動(dòng)就會(huì)引起其較大的變形，導(dǎo)致抗張強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)及線(xiàn)徑不均勻，最終使得縫合線(xiàn)在縫合或傷口愈合過(guò)程中在抗張強(qiáng)度小的地方斷裂，影響臨床使用效果.

微張力閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由傳感器、控制器、執(zhí)行器和人機(jī)界面組成.控制器采用歐姆龍CP1H－XA型PLC，包括4路模擬量輸入和2路模擬量輸出信號(hào)，總體測(cè)量精度達(dá)千分之一.執(zhí)行器為變頻器驅(qū)動(dòng)的變頻電機(jī)，PLC輸出信號(hào)為4～20 mA的電流信號(hào)，通過(guò)變頻器轉(zhuǎn)換成交流電壓的頻率信號(hào)，可調(diào)范圍為0～60 Hz，控制纏繞電機(jī)的轉(zhuǎn)速和撥線(xiàn)桿牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，撥線(xiàn)桿的作用是左右撥動(dòng)送線(xiàn)，保證縫合線(xiàn)在收卷筒上一層一層地鋪放，其與纏繞電機(jī)的轉(zhuǎn)速相匹配.選擇威綸的MT8070IH觸摸屏作為人機(jī)操作界面，觸摸屏與PLC通過(guò)R232串口通信.在觸摸屏界面可以實(shí)現(xiàn)微張力設(shè)定、張力顯示、纏繞電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示、PID參數(shù)設(shè)定，以及進(jìn)行其他手動(dòng)控制等.

3.1.2 三輥式傳感器

縫合線(xiàn)纏繞過(guò)程中的張力控制屬于微小張力精確控制，要求精度高.采用電阻應(yīng)變片式傳感器的三輥式測(cè)量結(jié)構(gòu)，圖5為三輥式測(cè)量結(jié)構(gòu)圖，中間是檢測(cè)輥，左右是輔助輥，起導(dǎo)向作用，被測(cè)縫合線(xiàn)繞于3個(gè)輥上，將纏繞張力轉(zhuǎn)換為作用在檢測(cè)輥上的壓力，再由傳感器進(jìn)行檢測(cè).

圖4 微張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Micro tension control system structure

圖5 三輥張力測(cè)量結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of tension measurement for 3 rollers

圖5中，T為纏繞于檢測(cè)輥上的縫合線(xiàn)纏繞張力，F(xiàn)為施加于檢測(cè)輥上的總的合力，檢測(cè)輥的自重可以通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器的調(diào)零功能來(lái)消除.它們之間的關(guān)系滿(mǎn)足歐拉公式：

式中：θ為檢測(cè)輥包角，θ＝θ1＋θ2，θ1＝θ2＝70°.理論上，F(xiàn)只與T有關(guān)，但由于兩個(gè)輔助輥的內(nèi)圈和外圈都存在著摩擦，所以選擇微型軸承并且其摩擦系數(shù)足夠小來(lái)減少在實(shí)際測(cè)量中的誤差.

電阻應(yīng)變片式張力傳感器作為敏感元件，通過(guò)測(cè)量電橋和調(diào)理電路將應(yīng)變片的微小電阻變化轉(zhuǎn)化成抗4～20 mA的電流信號(hào)，送入PLC，精確調(diào)整電路參數(shù)，使傳感器在小量程0～5 N范圍內(nèi)的測(cè)量精度達(dá)到±0.05 N.

3.1.3 歸一化PID控制算法

控制算法流程圖如圖6，測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)入PLC后，首先進(jìn)行數(shù)字濾波和標(biāo)度變化，濾波采用滑動(dòng)平均濾波，濾波公式為

標(biāo)度變換采用線(xiàn)性變換，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的張力數(shù)值，

歸一化PID控制算法公式為

經(jīng)在線(xiàn)PID參數(shù)整定，其張力控制范圍在0～5 N之間，控制精度達(dá)到0.05 N.

圖6 控制算法流程圖Fig.6 Control algorithm flow chart

3.2 線(xiàn)徑閉環(huán)控制

可吸收縫合線(xiàn)線(xiàn)徑控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示.

圖7 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Overall structure diagram of control system

線(xiàn)徑在線(xiàn)測(cè)量與閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳感器采用非接觸式的線(xiàn)陣CCD傳感器［11－12］.線(xiàn)徑閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器采用STM32嵌入式處理器，以線(xiàn)徑的檢測(cè)傳感器的輸出作為控制器的輸入，將線(xiàn)徑的測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，對(duì)其偏差實(shí)行控制算法，算法采用改進(jìn)的與系統(tǒng)辨識(shí)相結(jié)合的自適應(yīng)廣義預(yù)測(cè)控制算法.控制器的輸出用來(lái)控制噴絲機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，通過(guò)調(diào)整噴絲速度改變噴絲直徑.執(zhí)行器采用串聯(lián)式的雙液壓缸來(lái)改變噴絲速度.

3.2.1 線(xiàn)徑在線(xiàn)測(cè)量

線(xiàn)徑測(cè)量的光學(xué)成像原理如圖8所示.采用遠(yuǎn)心平行LED照明光源及遠(yuǎn)心測(cè)量鏡頭.根據(jù)凸透鏡成像原理，用平行光源照射縫合線(xiàn)，使其通過(guò)鏡頭成像在CCD上.當(dāng)CCD的像敏面接收到光信號(hào)時(shí)，就會(huì)根據(jù)光束的強(qiáng)弱來(lái)產(chǎn)生不同的電荷，通過(guò)處理CCD輸出的電荷信號(hào)來(lái)確定CCD像敏面被遮光的尺寸，從而計(jì)算出遮光的縫合線(xiàn)直徑的尺寸.

線(xiàn)性CCD芯片選用分辨率高、暗電流小的TCD 1209D，該芯片由日本東芝公司生產(chǎn)，其光敏單元數(shù)為2 048個(gè)，像元大小14 μm×14 μm，最大成像長(zhǎng)度為

根據(jù)縫合線(xiàn)制作工藝確定CCD水平視場(chǎng)FOV為4 mm，放大倍率為

圖8 系統(tǒng)光學(xué)成像原理Fig.8 Principle diagram of system optical imaging

測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示.系統(tǒng)以可吸收縫合線(xiàn)作為待測(cè)物體，成像在線(xiàn)陣 CCD上，由STM32F103ZET6作為控制核心一方面驅(qū)動(dòng)線(xiàn)陣CCD工作，確保CCD輸出穩(wěn)定的電荷信號(hào)；一方面對(duì)CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采集，通過(guò)軟件二值化對(duì)圖像進(jìn)行分割，再經(jīng)過(guò)線(xiàn)徑計(jì)算，最終獲得可吸收縫合線(xiàn)的線(xiàn)徑測(cè)量值.

圖9 縫合線(xiàn)線(xiàn)徑測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.9 Principle diagram of measurement system of suture di?ameter

3.2.2 GPC控制算法控制算法是決定控制效果的關(guān)鍵因素，經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)探索，針對(duì)有一定滯后且系統(tǒng)參數(shù)變化較大的濕法紡絲成型機(jī)系統(tǒng)，廣義預(yù)測(cè)控制算法（generalized predictive control，GPC）是理想的控制方案.該模型采用受控自回歸積分滑動(dòng)平均模型（controlled auto?regressive integrated mov?ing average，CARIMA）描述受到隨機(jī)干擾的被控對(duì)象［13－15］.

式中：u k()和y k()分別表示被控對(duì)象的輸入和輸出；q－1是后移算子，即q－1u k()＝u k－1( )；q－1y是后移算子q－1的多項(xiàng)式；Δ表示差分算子；ξ k()是均值為零的白噪聲系列.

對(duì)GPC的基本算法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后GPC算法減少了控制算法的計(jì)算量，提高了控制的實(shí)時(shí)性；采用了在初始模型參數(shù)的基礎(chǔ)上在線(xiàn)辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)的方法，提高了控制算法對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)能力.改進(jìn)的廣義預(yù)測(cè)控制算法流程圖如圖10所示.

圖10 改進(jìn)的廣義預(yù)測(cè)控制算法流程圖Fig.10 Flow chart of improved generalized predictive control algorithm

4 實(shí) 驗(yàn)

將控制系統(tǒng)安裝在JK1601型立管式濕法紡絲機(jī)上，分別進(jìn)行了張力控制實(shí)驗(yàn)、線(xiàn)徑控制實(shí)驗(yàn)、縫合線(xiàn)綜合性能實(shí)驗(yàn)和比對(duì)實(shí)驗(yàn).

4.1 張力控制實(shí)驗(yàn)

在張力控制實(shí)驗(yàn)中，以PLC的系統(tǒng)時(shí)鐘為計(jì)時(shí)工具，在穩(wěn)定紡絲工作過(guò)程中，對(duì)60 min內(nèi)的SCX型張力傳感器在線(xiàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行觀(guān)察和記錄，該傳感器的量程為0～5 N，分辨力為0.01 N.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)能將實(shí)際張力值與設(shè)定張力值的誤差控制在±0.05 N以?xún)?nèi)，達(dá)到恒定張力的控制效果.

4.2 線(xiàn)徑控制實(shí)驗(yàn)

將JK1601型立管式濕法紡絲機(jī)生產(chǎn)出的3－0規(guī)格的縫合線(xiàn)試樣取10根，用TESA MAS?TER螺旋測(cè)微儀在每根試樣的1/4，1/2和3/4處進(jìn)行測(cè)量取平均值，結(jié)果填入表5中.

表5 測(cè)量結(jié)果Table 5 Measurement results mm

實(shí)驗(yàn)表明，采用線(xiàn)徑控制系統(tǒng)的JK1601型立管式濕法紡絲機(jī)生產(chǎn)出的3－0規(guī)格的縫合線(xiàn)線(xiàn)徑的最大相對(duì)誤差為3.37%，達(dá)到了不均勻性小于5%的設(shè)計(jì)要求.

4.3 縫合線(xiàn)綜合性能

縫合線(xiàn)綜合性能用來(lái)驗(yàn)證縫合線(xiàn)試樣的線(xiàn)徑和結(jié)點(diǎn)抗拉強(qiáng)度是否符合美國(guó)藥典第35版（USP）中膠原縫合線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn).

實(shí)驗(yàn)中選取2－0和0規(guī)格的縫合線(xiàn)試樣各取10根，線(xiàn)徑的測(cè)量方法同實(shí)驗(yàn)4.2，結(jié)點(diǎn)抗拉強(qiáng)度用電子單紗強(qiáng)力機(jī)，標(biāo)距長(zhǎng)度為10 cm，在約6 cm處打結(jié)，以280 mm/min的速度拉斷，記錄在打結(jié)處斷裂時(shí)的數(shù)據(jù)，測(cè)20個(gè)點(diǎn).上述測(cè)量結(jié)果填入表6中.

將表5、表6的測(cè)量結(jié)果與表7美國(guó)藥典第35版中膠原縫合線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)要求相比較，可以看出，應(yīng)本控制系統(tǒng)的JK1601型立管式濕法紡絲機(jī)生產(chǎn)出的2－0、0規(guī)格的縫合線(xiàn)線(xiàn)徑的線(xiàn)徑與結(jié)點(diǎn)抗拉強(qiáng)度均符合美國(guó)藥典第35版標(biāo)準(zhǔn)的要求.

表6 縫合線(xiàn)綜合性能測(cè)量結(jié)果Table 6 Suture comprehensive performance measurement results

表7 美國(guó)藥典第35版標(biāo)準(zhǔn)的要求Table 7 Requirements of the United States Pharmacopoeia thirty?fifth edition standards

4.4 比對(duì)實(shí)驗(yàn)

采用與實(shí)驗(yàn)4.3相同的方法，測(cè)試在未使用本控制系統(tǒng)的JK1601型立管式濕法紡絲機(jī)生產(chǎn)的2－0規(guī)格的縫合線(xiàn)樣品10根，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表8.

表8 未用本控制系統(tǒng)JK1601型紡絲機(jī)生產(chǎn)樣品的測(cè)量結(jié)果Table 8 The measurement results of JK1601 type spinning machine production samples without control system

通過(guò)對(duì)表6與表8的數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，可以看出，在應(yīng)用本控制系統(tǒng)后，“立管式濕法紡絲機(jī)”生產(chǎn)出來(lái)的2－0規(guī)格的縫合線(xiàn)，直徑和抗張強(qiáng)度的不均勻性分別由原來(lái)的25.4%、33.2%降低到了4.0%和3.8%.

5 結(jié) 論

本文提出的膠原蛋白與殼聚糖縫合線(xiàn)紡絲關(guān)鍵工藝參數(shù)控制，成功解決了膠原蛋白與殼聚糖材料的可吸收縫合線(xiàn)的精確紡絲成型難題.利用該技術(shù)升級(jí)改造的“立管式濕法紡絲機(jī)”生產(chǎn)出的殼聚糖—膠原蛋白可吸收縫合線(xiàn)樣品符合美國(guó)藥典第35版的要求，直徑和抗張強(qiáng)度的不均勻性由原來(lái)的25.4%、33.2%降低到5%以?xún)?nèi)，批量生產(chǎn)后將大大提高其生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率.同時(shí)，本文提出的從材料特性及成型規(guī)律有限元分析到關(guān)鍵工藝參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)方法，可進(jìn)一步推廣到其他高分子材料的加工、紡織工程、化學(xué)工程等各行業(yè)中.

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（編輯 張積賓）

Finite element analysis of collagen and chitosan absorbable suture forming and precision spinning process parameters control

SUI Xiuwu，WANG Shuo，LI Yao，LI Yan
（Tianjin Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology（School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University），Tianjin 300387，China）

In the wet spinning process of absorbable suture of collagen and chitosan materials，in order to solve the problem of its uneven diameter and tensile strength，the numerical simulation of this kind of material and the design of the control system of spinning machine were carried out.The finite element analysis is carried out on the jet nozzle flow field of the mixed liquid by Gambit and Fluent software for numerical simulation.The results demonstrates the feasibility of adjusting the suture diameter by controlling spinning tension theoretically；On this basis，the closed?loop control system of winding tension and suture diameter of two key parameters was developed on the JK1601 type vertical tube wet spinning machine.Control of winding tension was realized by normalized PID control algorithm；Control of suture diameter was realized by the combination of linear CCD non contact online measurement and improved adaptive generalized predictive control algorithm.Experiments show that the suture samples made by the improved JK1601 type spinning machine meet the requirements of the United States Pharmacopoeia thirty?fifth Edition.The inhomogeneity of diameter and tensile strength is controlled from 25.4%、33.2%to less than 5%.

collagen and chitosan；absorbable suture；finite element analysis；linear CCD；generalized predic?tive control algorithm

TH123

A

1005－0299（2017）01－0084－08

10.11951/j.issn.1005－0299.20160205

2016－06－27.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017－01－12.

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)項(xiàng)目（15JCYBJC19700）.

隋修武（1977－），男，副教授.

王 碩，E?mail：billgesure＠qq.com.