热点文章符伟国主动脉人工血管及支
作者:符伟国(医院)李永生(医院)董智慧(医院)王玉琦(医院)
主动脉夹层、腹主动脉瘤等血管病变可导致主动脉的生物力学改变，同时，人工血管及人工血管内支架(简称支架)正被广泛应用于血管疾病的腔内治疗，因此相关主动脉生物力学特点研究及有关人工血管和支架的力学性能的研究将成为热点和焦点。通过了解两者之间的相互关系，能够更好地为临床服务，提高主动脉疾病的手术成功率，减少术中、术后并发症的发生率。本文就主动脉、人工血管及支架的力学研究现状作一综述。
1 主动脉的生物力学特性
主动脉是由均匀的、不可压缩的成分构成。它们具有顺应、蠕变、应力松弛、滞后等黏弹性材料特点。弹性模量是组织在单位面积所承受的应力与组织在应力作用下应变的比值。它适合于应力应变曲线是非线性关系时组织弹性的描述。通常通过计算弹性模量来反应主动脉管壁的弹性特性。血管壁的弹性纤维、胶原纤维和平滑肌的力学特性不同。弹性纤维具有较低的弹性模量；胶原纤维则有较高的弹性模量；平滑肌的弹性模量与弹性纤维类似，其精确值取决于它的生理活性。归一化松驰函数、蠕变函数及曲线滞后环等反映主动脉壁的粘滞性。国内外学者对主动脉的黏弹性力学性质作了一些研究。国外学者的研究以正常动物血管居多。Tanaka等[1]对狗的腹主动脉等进行了应力松弛和松弛函数研究，得出了归一化松弛函数。李洪等对人腹主动脉进行了黏弹性研究；黄丽红等对人升主动脉进行了黏弹性研究。
2 人工血管和支架的力学性能
作为人体医用材料，人工血管和支架的力学性能(爆破压力、抗拉强度、径向顺应性、纵向顺应性等)对各方面都提出了很高的要求，包括：足够的强度以抵抗动脉壁的回弹力；在支架释放后长度不变，以利于精确释放；轴向柔顺性好，可通过弯曲血管；较高的扩张率和未释放时有较小的外廓以利于通过较细的导管；对血管壁的损伤尽量小，从而减少内膜增生引起的支架内再狭窄；产品寿命长，在人体内可长期保持其性能。这些性能的优劣都会直接影响其在临床应用中的成功与否。人工血管和支架的上述特性都依赖于材料的物理学特性。目前常用于临床的支架分别来自Medtronic、COOK、Gore等公司（美国）的系列产品。
3 有关主动脉的生物力学试验
3.1 主动脉顺应性分析 主动脉顺应性是一个表征动脉弹性可扩张度的参数。它相当于主动脉管段内血液压力改变一个单位时所对应主动脉体积的变化量，是单位体积的主动脉管弹性模量的倒数。由于主动脉顺应性可作为描述血管硬化程度的客观指标，反映动脉壁的内在弹性特性，因而得到较大的重视。人们通过拟合动脉的压力—容积实验数据，得到动脉的压力—容积关系。在此基础上，建立非线性弹性腔模型，并导出利用压力波图的面积计算顺应性的一般表达式。同时，还提出了有关零压顺应性的概念，反映血管固有力学特性，而与血压没有直接关系，这在临床中有重要的应用。
3.2 主动脉拉伸试验 主动脉拉伸试验反映特定载荷下的应力应变关系。主动脉的弹性主要来自熵的改变，不存在唯一的自然状态，需对试样进行预调处理，即在同一载荷水平下加载—卸载20次。将经过预调处理的主动脉试样装夹到实验夹具上，在给定的条件下测量试样的原始尺寸。将计算机程序设定好，以20％/min的应变增加速度对试样施加拉应力。试样破坏后，计算机自动输出应力—应变曲线，弹性模量由拉伸曲线的弹性段求出。最后对主动脉拉伸破坏载荷、伸长比、应力和应变等试验数据进行统计分析。
3.3 主动脉应力松弛和蠕变试验 主动脉的应力松弛和蠕变试验都反映主动脉的粘滞特性，只不过试验的方法不同。黄丽红等行应力松弛试验时，以20％/min的应变增加速度对试样施加常应变。当应变达到12.69％，载荷达到5N，应力达到0.MPa（1MPa=kPa）时，使应变保持恒定，应力随时间改变不断下降。计算机程序设定从时间t(0)开始采集数据，每0.6s采集一个数据，采集10次；然后每10s采集一个数据，采集40次；之后每s采集一个数据，采集50次，共采集个数据，历时s。行蠕变试验时，以0.5GPa/min(1GPa=1×kPa)的应力增加速度对试样施加常应力，当载荷达到5N，应力达到0.MPa，应变达到13.13％时,使应力保持恒定，计算机以同样的频次记录数据。拟合获得归一化松弛和蠕变函数曲线。可见主动脉在最初的s松弛和蠕变量大，然后以对数形式缓慢下降。
4 人工血管和支架的力学试验
4.1 爆破压力 机械强度是人工血管力学性能的最基本要求。人工血管机械强度高，理化性能优良，保持强度时间长，才能够承受体内血流的冲击。刘冰等将人工血管一端以丝线结扎，另一端连接三通管，三通管另外两端分别连接压力测试装置和加压注入装置。经注入装置以3ml/min的速度向人工血管内注入37℃生理盐水，当血管壁突然破裂渗水时，记为爆破压力。人工血管的爆破压力应高于正常人体动脉的收缩压，能保证完全可以承受移植后血管内的动脉血压。支架的爆破压力在临床上与支架植入后产生的Ⅲ、Ⅳ型内漏形成关系密切。
4.2 人工血管的顺应性 人工血管的顺应性包括径向顺应性、纵向顺应性和体积顺应性，分别指在承受压力变化时血管内径、长度与体积的变化情况，是人工血管重要的力学指标。顺应性越大表示人工血管的力学性能越接近于天然血管。其中径向顺应性对血管的远期通畅率影响最大；纵向顺应性在手术移植时可减少吻合口处缝合线的应力。人工血管与宿主血管顺应性不匹配时，将引起血管移植部位血液动力学的变化，在吻合口处易导致血栓形成和血管内膜增生。血栓形成会导致血管在短期内发生阻塞；而内膜过度增生是影响移植血管远期通畅率的主要因素。文献报道涤纶的顺应性为(1.9±1.2)％/mmHg(1mmHg=0.kPa)，膨体聚四氟乙烯的顺应性为(0.9±0.1)％/mmHg。
4.3 支架的径向压缩力和径向支撑力 支架的径向压缩力是指在压缩测试过程中，支架受到压柱径向作用力的大小。常在测试中使得支架的直径压缩变形到原来的一半，即定负荷变形率为50％。同时记录整个过程中不同变形率所对应的压强力大小，得出该支架的压缩力—径向压缩应变曲线。王芳等对支架的径向压缩性能进行了初步研究，分析了不同的编织和后处理工艺参数的影响。
用于主动脉腔内修复的支架具有自膨性，产生径向支撑力，是支架固定于血管壁而不被血流冲走的重要因素。径向支撑力的大小在很大程度上取决于支架的放大率。董智慧等[10]对远端支架源性新破口形成过程的研究发现：主动脉走形过程中存在锥度角，远端血管直径小于近端血管直径。手术中支架的放大率常根据近端锚定区的直径而定。近端锚定区锚定后直径往往明显大于远端真腔直径；远端锚定区所承受的支架径向支撑力也明显升高。可见支架径向支撑力带来的损伤是远端支架源性新破口形成的主导因素。
4.4 支架的弹性回直力 人工血管支架类似于一根弹簧，当释放于主动脉弓或者其他弯曲部位时被动弯曲，弹性使其存在弹性回直的倾向，由此产生作用力，是弹性回直力，尤其集中于主动脉弓的大弯侧和支架的两端。支架被动弯曲在StanfordB型夹层腔内修复术中很常见,因为夹层原发破口往往出现在主动脉峡部,支架需要跨主动脉弓释放。按照常理推断，支架越弯曲，可能产生的弹性回直力就越大。在近端支架源性新破口的形成中，弹性回直力可能比径向支撑力起到更加主导的作用。原因为：(1)所有近端支架源性新破口均出现在大弯侧,与弹性回直力的作用方向一致；(2)多数情况下,支架近端比远端更加靠近支架弯曲点,弹性回直力更容易集中于近端；(3)尽管我们已经注意尽可能缩小支架的放大率,但是近端支架源性新破口仍然发生；(4)既往近端裸架的强大径向支撑力曾经被认为是导致近端支架源性新破口的主导因素,然而近端支架源性新破口同样可以发生在无近端裸架的支架。
5 展望
由于对主动脉血管疾病的认知及人工血管和支架技术发展相对较晚，有关主动脉、人工血管和支架的力学研究也相对不完善。临床实践中出现的各种问题常需从生物力学方面解释。这就要求我们从主动脉和人工血管支架两方面因素权衡把握，使其更好地匹配，适应机体的生理状态。目前，主动脉、人工血管及支架的力学研究需进一步完善，诸如扩大样本量、建立合适的动物模型、各力学指标的细化量化、血管和支架的力学耦合、从组织结构及基因组学等方面展开更加深入细致的探讨。考虑患者病变的类型、部位、力学性质的改变，改进支架的设计工艺，提供支架的相关力学参数，如径向支撑力、在某一角度弯曲下的弹性回直力，有利于医生针对患者个体化特点进行个性化治疗。
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