人造血管体外顺应性测试仪的设计及应用的实验研究（可编辑）

人造血管体外顺应性测试仪的设计及应用的实验研究（可编辑） 人造血管体外顺应性测试仪的设计及应用的实验研究 东华大学 硕士学位论文 人造血管体外顺应性测试仪的设计及应用的实验研究 姓名:邹菲 申请学位级别:硕士 专业:纺织工程 指导教师:王璐 20050301中文摘要 摘 要 当人体内血管由于动脉硬化、血管瘤、血栓、血管老化或破损等 原因而不能正常工作时,需要进行血管移植。全世界每年需要大量各 种类型的人造血管产品,因此世界范围内对人造血管的结构、性能、 新型制造技术的研究方兴未艾。我国研究的各种产品尚不能达到满意 的临床效果,限制我国人造血管开发的因素是多方面的,其中严重缺 乏对人造血管的生物力学基本性能的研究可能是主要原因之一,因为 关于纺织基人造血管性能表征的深入研究,以及关于各表征指标的测 试方法和测试手段的研究,在我国几乎是空白的。 本课的研究内容是“人造血管生物力学性能表征”中的一个子 项目,研究人造血管顺应性的表征体系和相关表征指标的测试方法。 人造血管顺应性是人造血管的一项重要表征指标。由于国内尚没有仪 器可对人造血管的径向顺应性和纵向顺应性进行测试,在参考国际标 准及相关文献的基础上,自行设计并加工了测试仪器。并对 仪器的测试性能和测试方法进行了实验探讨和综合分析,通过大量的 重复实验和统计分析可知同一试样测试数据的重复性和再现性良好, 并确定了样品的测试予样数。最后给出测试时应遵循的操作规则和要 求,以及利用这一仪器进行径向顺应性测试时的具体操作步骤和需要 注意的事项。 由于置换型人造血管上存在波纹形态,在论文中重点讨论了有关 波纹化人造血管纵向顺应性的测试方法。本论文中利用自行设计的仪 器进行人造血管纵向顺应性的测试。实验结果证明该测试方法是合理 的。波纹化人造血管纵向顺应性的中测试即可用长度的测试,波纹在 压力条件下展开和回缩存在差异,因此在测试时应特别注意加压的顺 序避免由于波纹不能完全回复而引起的测试结果误差。 对纺织基人造血管径向顺应性的影响因素进行了理论分析、实 验验证及综合讨论。理论分析可知纺织基人造血管的径向顺应性主要 与血管的织物结构、密度、人造血管的直径有关。置换型人造咖管在中文摘 要 加工过程中,线圈的长度和密度都不断变化,径向顺应性也随之变化。 坯布在压力条件下径向的扩张能力最大,紧密化工序后测试样品的扩 张能力最小,经过波纹化工序后,径向顺应性略有上升。 总之,本课题建立了反映人造血管的径向顺应性和纵向顺应性的 相关表征指标,初步完成了测试仪器的搭建,通过实验研究获得了撮 佳的测试方法和测试步骤。并采用自行设计的测试仪器可对置换型人 造血管在加工过程中径向顺应性的变化进行测试,为人造血管的组织 设计和各加工工序的作用提供参考。对人造缸管的径向顺应性和 相关因素进行了理论分析和实验研究,所得到的一些结沦司为人造血 管设计理论的建立提供实验基础。 关键词:人造血管,径向顺应性,纵向顺应性,波纹化,仪器,性能 表征 】 ’ , ,, , , . .,.. . ’ , “ ”.. 。 ’ . ,, . , 不生里 ??一一一 , . ,. , .., . , ; , , ’,’ , .. ’. : ; ; ;;;东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:我恪守学术道德,崇尚严谨学风。所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确 注明和引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写 过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写,我对所写的内容负责,并 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名:御莎 日 日期: 万年月东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被 蠢阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 年解密后适用本版权书。 保密口,在 本学位论文属于 不保密口。 馘 指导教师 学位论文作者签名:御乖 芦 : 鹏日 日期 年 月 日 莎 日期:口歹年月致谢 致 谢 首先感谢我尊敬的导师王璐教授,本论文从选题到最终完成,始 终得到王璐老师的悉心指导和严格审阅,壬老师严谨的治学态度、求 实的科研作风、致力创新的学术思想和勇于开拓的创业精神令我钦佩, 是我学习的楷模,在王老师无私的关怀和帮助下,使我能够以坚定的 意志、乐观的态度面对研究过程中的困难,王老师的谆谆教诲将使我 受益终身。至此论文完成之际,谨向我的导师致以衷心的感谢和深深 的敬意。 在仪器设计进程中曾向纺织系倪诗达师傅多次请教,在此对老 师表示深深的谢意。在实验样品的准备阶段得到了针织系王文祖老师 和龙海如老师的大力支持,在此对两位老师表示深深的谢意。 在课题的实验进行、性能测试等工作中,同样得到了纺织学院 实验室的吴老师、李老师等人的热情支持和帮助,对各位老师表示衷 心的感谢。 再一次向所有关怀、支持和帮助我完成学业的人们表示深深的 谢意第章前言 第章前 言 随着社会的发展和人民生活水平的提高,动脉瘤、动脉硬化、血 栓栓塞等血管疾患一直是健康的一大杀手。近四‘多年来,人造血管 在现代血管、肿瘤、创伤、器官再造等领域中已被广泛应用。对于人 造血管的材料学、组织学、细胞生物化学、血液流变学、免疫学等综 合研究已成为近代生物医学工程的重要研究课题之一。 近年来,由于我国人民生活水平的提高,以高血压、糖尿病、动 脉硬化为基础的一系列血管疾患所导致的动脉狭窄性疾病如下肢动 脉硬化闭塞症、冠状动脉闭塞等和扩张性病变如腹主动脉瘤,主 动脉夹层假性主动脉瘤等的发病率不断上升,但我国对人造血管的 研究相对落后,现在我国各大医院的临床手术中,所采用的多为进口 人造血管。尽管我国在二十世纪五十年代末就开始研制真丝及丝涤交 织的人造血管【”,然后仅有一些有关人造血管研制的零星的报道。 年代至今,由于人们生活改善,血管疾患增加,对人造血管的研究有 上升趋势,尤其是近几年来对微创手术用血管的国产化呼声很高,有 不少科技人员致力于本项研究,但各种产品尚不能达到满意的临床效 粟。 大量文献表明国内外对人造血管的研究存在差距,人造血管各种 性能的合理表征对于评价人造血管的性能和指导开发新产品是至关重 要的。我国在关于纺织基人造血管性能表征体系的研究,以及关于各 表征指标的测试方法和测试手段的研究,报道尚少,缺乏研究。本课 题拟在国际为参考的基础上【,主要研究人造血管顺应 性的测试方法和建立相应的测试手段。 .人造血管的发展及国内外研究现状 当人体中某部位的血管由于老化、动脉硬化、栓塞或破损等原因 不能保证人体的正常供血后,需要采用人造血管进行置换、搭桥或介 入等外科手术进行治疗。自从和使用自体静 脉替代动脉移植成功后,血管外科在血管代用品领域有了较大进展。 特别是年应用维纶?’人造血管在动物实第章前言 验中获得成功,并于第二年应用于临床话,人造血管的应用快速地发 展起来【】。 ..人造血管的材料及发展历程 至今所应用的血管代用品从材料上分为两类:生物血管和人造血 管。 ...生物血管【】 生物血管又可分为自体血管、同种异体血管和异种血管。自体血 管可采用自体静脉和自体动脉,其中自体大隐静脉容易获得,移植后 通畅率高,是目前外科手术中替代中、小血管最理想的生物血管。自 体动脉移植有很多优点,术后通畅率高。但自体非必要、可切除的动 脉很少,来源受到限制。当前可成功用于临床的小直径人造血管很少, 所以自体血管仍有其特殊的应用价值。 同种异体血管和异种生物血管移植物易形成血栓,导致血管阻 塞,通畅率低,且来源紧缺。近年来由于大直径入造血管的临床应用 已较成熟,这两种产品已经很少使用。 ...人造血管 人造血管的研制开始于世纪上毕世纪,各国学者首先采用金 属、玻璃、聚乙烯、硅橡胶等材料制成的管状物进行动物实验,但大 量的实验研究和临床应用结果表明这类人造血管因管壁无通透性,易 在近期内并发腔内血栓面未能在临床上得到广泛应用口【。 年首先研究将维纶制成人造血管,改变以往人造 血管管壁的无通透性,于年开始用于临床,带有网孔的人造血管 的研制是血管代用品发展史上的一个里程碑。随着纤维材料和医学生 物材料的不断发展,继之后,各国科研工作者研究出各种材 料,各种加工方法生产的有孔隙的人造血管并用于动物实验昶临床。 现在已经商品化的高分子材料人造血管有涤纶入造血管、真丝人造血 管和膨体聚四氟乙烯人造血管鲫。 传统的纺织型人造血管的加工方法可分为机织,针织、编织和非 织造。各国的研究者和制造商为了改善产品的各项性能进行了大量的第章前 言 研究,出现了大量专利技术和产品。如为了增进人造血管植入后的愈 合,二十世纪七十年代出现了桃织和针织丝绒型人造血管,其内外表 面都有伸出的纱圈,后由于渗透性大和抗张强度低而被淘汰‘?:为 了增加人造血管的纵向延伸性和侧向挠曲性,大部分大、中直径的机 织和针织型人造血管采用了圆周向的波纹【】。为了改善血管的弹性和 顺应性,日本学者采用弹性纱和非弹性纱通过针织和编织的方法制成 具有类似天然血管弹性的管状组织,改善了人造血管的顺应性【”。有 关采用合理的加工技术改善人造血管各项性能的报告较多阱【。 虽然大直径人造血管替代人体大动脉的研究己获成功,但直径小 于的用于替代小动脉和静脉的人造血管一直未获得满意的临床 效果【“】,其主要原因在于血栓的形成和新生内膜增厚,引起血管堵塞, 而导致移植失败。如何保证小赢径人造血管的远期通畅率,成为近几 年研究的重点。最近,日本学者使用了同轴双管技术来提高小直径人 造血管的顺应性【”】,在该技术中将高顺应性的薄膜管插入低顺应性的 薄膜管中形成同轴双管。并在瓶床试验中取得了良好的实验效果,在 该人造血管植入动物体内~年后仍保持高顺应性。 近十年来在血管外科领域,腔内隔绝技术得到了快速的发展。早 在年,科研工作者提出了腔内治疗的概念,年月, 首先应用可被球囊扩张的覆有涤纶的支架治疗人体腹主动脉瘤并获得 成功,揭开了血管外科领域新的一页【】。腔内隔绝术用人造血管是超 薄超强纤维织物与金属支架结合的复合体,其中织物部分一般采用机 织方法生产,也可采用含微孔的薄膜,如超薄聚四氟乙烯、聚氨酯薄 膜等。因为在手术时需要将人造血管经股动脉或肱动脉通过导管送入 病变位置,降低了手术的危险性,但要求人造血管织物必须控制在一 定的厚度以内,一般不超过.“。 ..我国人造血管的研究进程 我国从年开始研制真丝人造血管,并进行了大量的动物实 验研究。在动物实验的基础上,应用真丝人造血管进行了大、中动脉 的移植手术,移植血管直径从到,其长度最长为,第章前言 取得了较满意的效果。上海医科大学附属中山医院与上海丝绸试样 厂,丝绸工业公司协作,长期致力于这种人造血管的研制。到九十年 代,为了改善真丝人造血管保型性差,易吸瘪,强力较低等缺点,又 开发了丝涤交织的人造血管【”,并进行了大量动物实验和病理组织学 分析,但生物力学性能分析未见任何报道。 上海胸科医院从年开始与上海纺织科学院,苏州织带厂和 江苏纺织工业厅丝绸研究所等单位协作【”,先后采用尼龙,尼龙, 弹力尼龙和涤纶等多种高分子材料进行了研究,试制了多种不同直径 和类型的人造血管,进行了一系列动物实验和病理组织学观察。至 年,已研究和生产出不同直径涤纶人造血管,为临床外 科提供了很好的移植材料【】。 年,上海市胸科医院与上海塑料研究所共同协作,研制和改 进国产膨体聚四氟乙烯型血管‘】,有一些动物实验和临床实验研究的 记载。对于聚氨酯型小直径人造血管,在我国末见相关的研究报道。 九十年代后,腔内隔绝术用人造血管的应用在世界各地发展起 来,我国也开始了这方面的研究。上海长海医院与东华大学协作,己 进行多年研究,取得了很大进展四。据中新江苏网报道,南京市鼓楼 医院经过几年的实验研究,自行研制出国产的腔内隔绝术用人造血管, 并通过了国家药品监督局上海医疗器械质量监督检验中心的检测鉴 定,已成功用于临床。 我国自世纪年代初即开始了有关组织工程的研究【】。目 前尚处于实验研究阶段,要形成产品用于临床尚需时曰。由于我国人 造血管研究的基本水平较低,限制了血管组织工程的进一步发展,使 得我国这方面的研究水平远远低于国际水平。 .人造血管性能表征的研究进展 随着人造觑管的生产、贸易和使用的不断扩大,迫切需要制定相 应的标准对其进行,因此各人造血管的主要生产国都制定了一系 列标准对本国的人造血管产业进行规范。在此基础上,在年国际 标准化组织推出了国际标准,即 ? 第章前自 心血管系统移植物一管状人造血管。园际标准中 详细地规定了用于置换、搭桥和旁路的管状人造血管的测试、包装、 标签等各项内容,适用于各种材料和采用各种加工方法生产的各种类 型的人造血管。在人造血管的测试方法一章中,标准详细地论述了各 种表征指标的测试原理和测试方法,为进一步研究提供了依据。但 标准中仍有若干规定不够明确,该部分值得进一步研究。 根据中对人造血管的性能所提出的要求,在人造血管植入人 体前应对其各种性能进行测试。测试主要包括两个方面,一个是体外 测试,一个是体内测试。体内测试一般采用动物实验,将欲表征的样 品和对比样品植入猪、狗等动物体内,通过定期血管造影,对取出体 内的人造血管进行形态分析和组织学分析,对人造血管的生物相容性, 愈合性能,材料的体内稳定性,内膜生长情况,通畅度等进行研究‘“。 对人造血管的全面体外表征包括纺织品的性能、物理机械性能和 化学性能三大项内容。纺织品性能的测试,如纤维直径、纱线的线密 度、织物密度和厚度、织物的表面形态等,一般都可用传统的纺织品 测试方法完成,只有孔隙度指标,由于在很大程度上影响人造血管的 渗血和体内愈合,值得进一步探讨。化学性能的测试采用电子光谱学 化学分析,红外线光谱学,差动扫描热量测定法,萃取法等对人造血 管的材料性能进行测试。现在待解决问题最多的方面是人造血管物理 机械性能的测试,包括的项目很多,如径向顺应性、纵向顺应性、水 渗透率、顶破强力、抗拉强力、缝合线圈位强力等等】【”。本课题组 已在年完成水渗透测试仪器的设计和加工并申请国家专利一项 【”,对顶破强力等力学性能的测试亦作了一些研究【”。人造血管的顺 应性测试是本课题的研究重点。 人造血管是一种特殊的纺织品,其与传统的纺织品从用途和形态 尺寸上有很大不同,所以许多评价指标不可等同于传统纺织品。随着 人造血管研究的不断进展,如何对人造血管在人体内所表现出来的各 项性能进行表征,尤其是对人造血管在满足移植操作,承受体内各种 力学应力和化学应力的要求下应该具有的功能和作用进行归纳,得出第章前 言 其在生物力学性能方面的具体体现,进一步选择合适的指标对其进行 表征,并采用合适的测试手段对各种不同类型的产品进行评价,是一 项很大的研究内容五。 国内有关这方面研究的专门文献没有发现,国际上许多在人造血 管研究中比较超前的国家,对人造血管的生物力学性能测试的研究与 对人造血管的研究开发是同步进行的,在每一个研究机构中都具有纺 织工程,机械工程,放射学等不同学科背景的各种专门人才,从事对 人造血管的机械性能测试,测试模型建立,测试的数字模拟等各种方 面的研究。他们与外科医师,生物研究人员,人造血管制造者密切合 作,有力地促迸了人造血管的研究开发。为外科医师选择合适的人造 血管,提供有力的参考。 有文献报道四【刀,美国实验室在年代初期就有关于 测量人造血管径向顺应性的专利。目前,实验室对原有的设 用一种可校准的、高 备做了改进, 精度的机械设备,同时用线性电压代替传感器来测量液体容积和压力 以及测试样品的长度变化。实验室已经将这种测试仪器做成 了商业化的产品,这种仪器可以同时测量多个样品,而且可以测量不 同直径大小的样品,它的测量过程是由电脑控制的;同时测试费用也 是非常昂贵的。代测试一个样品亦需要上千元人民币。 随着近几年血管代用品领域的发展,如用于腔内隔绝术的纺织基 人造血管的出现,小直径人造血管的不断开发,及生物组织工程的发 展,为人造血管的性能表征和测试不断提出新的研究课题。在国际上 各研究机构中,这方面的研究仍不断开展和深化,在对已有的表征指 标和测试方法不断进行完善的基础上,探索新的表征方法和测试手段, 研制新的数字化的测试仪器。 在我国,人造血管的研究起步并不晚,如前所述早在二十世纪 年代末,我国就开始研究开发第一代真丝人造血管,随后对丝涤交织 人造血管,涤纶人造血管都进行了一定的研究。但是查阅有关文献, 可以看到我国对人造血管的顺应性表征和测试的研究几乎是空白。文 第章前言 献往往只涉及动物实验等体内测试,而很少涉及体外测试,只对渗透 性和孔隙度有一些一般化的叙述【【】。在九十年代初,上海胸科医院 研究机织绒毛型人造血管,曾与加拿大学者联合,利用国外测试手段 对所开发的人造血管进行了一系列的性能测试。体外测试部分包括人 造血管的表面形态,织物密度,纤维直径,纱线线密度和水渗透率, 顶破强力“。目前我国各大医院中进行血管疾病治疗时大都采用进口 人造血管。除了新近的支架型人造血管外,国内对纺织型人造血管的 研究记载很少,几乎处于停滞。虽然影响产品开发的因素是多方面的, 如高分子材料的发展水平限制,跨学科技术合作薄弱等,但主要原因 之一是严重缺乏对人造血管的生物力学基本性能的研究,使得我们围 内不能对所开发的人造血管进行全面的测试。另外在我国也没有关于 人造血管性能评定方法的国家标准。 .人造血管顺应性的表征指标概述 在国外,经过数年研究,对人造血管的物理机械性能的表征指标 和测试方法在不断完善。在国际标准中,介绍了有关的测试 指标、测试原理和测试方法,其中包括项内容,对物理机械性能的 检测可归结为四大部分。若想以标准为依托,在我国建立一套完整的 人造血管的性能表征和测试系统,是一项庞大的系统工程,需要多人 合作,经过较长的时间才能完成。本课题仅侧重于人造血管对管道内 部应力的形交响应性,即人造血管的顺应性进行研究。 ..人造血管的顺应性 人们对于管状织物的弹性研究已经有很多年的历史了【 ,特别是 在心血管研究领域。医学研究指出,当血管开始失去弹性或逐渐变 硬时,就非常容易形成动脉硬化。因此,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。 动脉顺应性是动脉生物力学特性的一个指标,它是反映血管可扩 张程度的量,对稳定血流起着重要的作用。在人造血管的发展过程中, 如何有效地提高其纵向和径向顺应性,一直是一个主要的研究方向, 虽然人们从各种方面,如材料选择,织物结构,后处理方法等,进行第章前言 了探索和改进,但迄今为止各种人造血管的顺应性仍不能和人体真动 脉相比拟。 人造血管和宿主动脉不匹配的现象, 对大直径人造血管 的影响尚不明显, 但对小直径人造血管的长期通畅率影响很大 【【】 。 ..纵向顺应性【】【】 纵向顺应性表征在外力作用下人造血管沿轴向的变形情况。纺织 型大、中直径人造血管大都采用波纹形态,大大改善了纵向顺应性, 已基本接近了与之相连接的宿主动脉的水平。在中,与纵向顺应 性相关联,提出了可用长度这一表征人造血管纵向变形能力的指标。 所谓可用长度是指人造血管在移植时可以达到的长度。可用长度这一 指标是外辩医师手术前选取人造血管长度的依据。 ...径向顺应性 径向顺应性是指样品在承受周期性负荷下样本内径的变化情况, 即是表示直径与血管内部压力之间的关系。其测定的过程应该是一个 动态变化的过程更接近人体舒张压和收缩压循环的过程,所用的测试 仪器应能够模拟心脏的生理脉动,产生动态负荷施于样品内壁,测量 管壁压力变化时的直径交化,径向顺应性单位:%/可表 达为: 一蜀/ × 且石一只 其中,尺,、置分别代表高压只和低压只时的承压内半径值。 径向顺应性的描述和定义很易理解,其测试方法在中的描述 非常简略没有指定仪器和具体实验方法。为了实现其测试,本课题将 对其测试方法进行比较深入的探讨,人造血管径向顺应性的体外测量 将是本课题研究的重点内容。 ..径向顺应性的测量 为了确定活体血管或者人造血管的顺应性,需要测量压力条件 下的血管直径。纵观查阅的文献,有多种方法可以用于人造血管直径 第章前言 的测量。一射线‘】 、悬臂梁的方法】、反射踪迹法或回声踪迹法 【】”和环型探针法的方法光束宽分析法】【”、影像的方法 【。其中反射踪迹法和环形探针法需要测量血管的内径:悬臂梁 法和光束宽法可以测量血管外径。 . “外部”顺应性 通过测量外部直径来表示顺应性,多用于活体测量中,因为在 预临床试验中血管的内直径很难测量。外部直径测量的问题主要来自 于两个不同的方面】。第一,当一个弹性的人造血管在压力作用下直 径增加时,它的管壁就会变薄。管壁变薄意味着内部赢径的变化与外 部直径的变化是不同的。如果血管有孔隙的话,这种情况就会更加显 著,因为可能会发生管壁压缩,从而引起更大的内外直径变化差异。 第二,关于外部直径的测量方法,悬臂、超声波和激光的测量方法都 只能看到变化管壁的部分。此外,当考虑到在大多数情况下,管 壁的变化通常只有几个微米,那么外径的测量特别是在压力情况下的 管状织物弯曲对于设备的精度要求和通过内部或外部设备的感应特别 敏感。人造赢管不仅仅有径向顺应性,同时还存在纵向顺应性,这就 意味着随着血管内部压力的增加,不但直径有所增加,血管还会变长。 这种长度方向的增加会带来样品暂时的“弯曲”。在计算顺应性时,直 径的这种误差将会被放大,并且这种放大是十分惊人的九。 ..“内部”顺应性 总的来说,人造血管植入宿主体内的顺应性延配概念是特别对 于血管的内壁的匹配。因此,对于血管内部颞应性的了解和测量是非 常重要的。由于人造血管与宿主血管顺应性的差异,导致了红细胞或 血小板在宿主血管和人造血管中运动状态的改变,因此造成在缝合处 形成涡流,血小板活动异常并沉淀,这种情况将会导致在缝合处形成 血栓【】。 .研究内容及方法 ..研究内容 本课题的研究内容是“人造血管的生物力学性能表征”中的~个第章前言 子项目。由于建立一个完整的表征体系是一项需多人合作的较大课题, 本课题选取个别方面进行研究,研究的着重点之一是探讨人造血管顺 应性的最合理表征方法,包括基本测试仪器的设计和加工,利用所搭 建的仪器对选取的合适样品进行测试,探索最佳测试工艺,并迸一步 从理论上分析顺应性各个参数之间的关系压力、样品直径、样品的 密度,及其与织物材料、织物结构的关系。 ..研究方法 首先通过研究人造血管作为人体长期植入体所应具有的性能和 植入后所遇到的问题,所受到的应力,选择合适的表征指标和表征方 法。参考的要求,设计加工测量人造血管顺应性的专用仪器,对 不同加工条件下的人造血管样品进行顺应性的测囊,并对测量值进行 分析。根据实验结果对搭建的仪器进行调试并使其逐步完善。利用统 计学等基础理论知识,对所测数据进行理论分析,寻求最佳的测试方 法。 本章小结 一国外经过数年的研究,对人造血管的物理机械性能的表征指标和 测试方法在不断完善。我国对于人造血管性能表征体系的研究,以及 关于各表征指标的测试方法和测试手段的研究几乎是空白。本谋题将 参考及相关资料初步搭建人造血管顺应性的测试仪器,为进 一步对人造血管的研究提供基础,为设计和制造更理想的人造血管提 供依据。 第章人造血管顺应性的表征及纺织型人造血管顺应性测试仪的设计 第章人造血管顺应性的表征及纺织型人造血管 顺应性测试仪的设计 ,血管顺应性的表征指标 人体真动脉具有粘弹特性,这在心血管的功能中起着重要的作 用,心脏收缩时,血管充盈,管壁将膨胀,这种膨胀性起到重要的稳 定血流的作用。所谓顺应性是指人造血管对管道内部应力的形变响 应性‘。顺应性较差的人造血管植入具有正常顺应性的血管时将引起 血液动力的变化。第一,在连接处由于不同的管壁弹性造成不同的压 力波传播率,引起波的反射并形成涡流,容易导致血液凝结和细胞内 壁增殖 】【。第二,由于人造血管和宿主血管的直径膨胀率不同,在 吻合处将会有过多的应力产生,导致吻合处产生缝合线的疲劳、宿主 大动脉产生剪切力、并产生纤维组织。为了得到良好的压力传输而没 有反射效应产生,移植后的人造血管必须与宿主血管有相同的通道。 因此,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。 在人造血管的研发过程中,如何有效地提高其纵向和径向顺应性,一 直是一个主要的研究方向。 ,.表征指标的建立 在脉动压力条件下,血管壁随着压力变化不断扩张和收缩的这种 能力是血管的一项重要性能‘】。血管在脉动压力下扩张的这种能力被 称为血管的顺应性‘。 一 】?‰ 其中代表容量的变化,代表压力的变化。 血管的容量与压力的关系如图所示,图中可以看出两个重要 的特征。斜率不是线性的,即顺应性为非线性的。其原因是血管 壁是一种多相组织,因此在高压和高容量时,顺应性降低;在低 压条件下,静脉血管的顺应性约是动脉血管顺应性的倍。在低压力 变化的条件下,静脉可以容纳较大的血液流量变化。但是在高压力和 高容量条件时,静脉顺应性与动脉顺应性相似。因此,静脉可以用于 动脉搭桥的接枝。第章人造血管顺应性的表征及纺织型人造血管顺应性测试 仪的设计 图一中描述的是静态顺 应性。所谓静态顺应性就是在 静态条件下测量液体容积变化 前后压力的变化情况,并计算容量 顺应性值。但是,在获得静态 压力之前,血液流量初次加入 时,实际上压力的初始值要高 于测量的静态压力值。当容量 图动、静脉顺应性曲线】。 为定值时压力值会产生暂时降 低的情况,称为应力松弛现象, 这种现象与生物体组织的粘性有关。当容量发生变化时,用增加的压 力值代替初始的压力值,顺应性将会降低也就是说血管会变得更硬。 因此,血管的顺应性也与容量变化的比率有关系。 对于给定的血管,顺应性曲线可以发生变化。例如,血管平滑肌 收缩,静脉血液容量降低,压力增加,即顺应性降低如图,箭 头方向为平滑肌收缩加剧的 方向:相反,如果血管平滑 肌松弛将会增加顺应性。也 就是说在静脉压力和心脏初 饔量 始压力下,静脉血管的适应 能力特别重要。动脉平滑肌 收缩也会降低其顺应性,从 而降低了动脉血液容量,增 图随着平滑肌收缩,静脉顺应性变化曲 加了动脉的压力。影响血管 线。 顺应性的另外一种情况是, 由于年龄或疾病的原因例如:动脉硬化使得动脉血管的顺应性降 低。这种动脉顺应性的变化很大程度上是由于年龄的增加和疾病的发 展使得动脉压力增加而引起的。发生这种情况时,动脉顺应性与图 中静脉顺应性曲线有相似的顺应性降低的趋势。第章人造血管顺应性的表征 及纺织型人造血管顺应性测试仪的设计 ..径向顺应性 。 径向顺应性的定义较复杂,有多种方法可用于表征‘ 许多学者对部分被切除的血管进行体外测试或者采用非介入的 方法如超声波技术测量血管的顺应性。等用顺应性系数 表示血管的弹性【。 , ‘, ,:塑竺 ‘?尸 ,一 其中为收缩内径;为心脏周期作用下的真径变化:?尸为舒 张压与收缩压的差值。血管顺应性也可以表示为血管壁压力一应变弹性 模量励的倒数。 ~ . 、’ :?? 顺应性系数,和压力.应变弹性模量印用两种不同的方式描述血管 的弹性情况。选用哪种指标对血管弹性进行表征取决于实际情况。 在人体正常的生理环境中,人体的正常血压为到, 血液在一定的压力作用下在血管中流动,对人造血管的径向顺应性进 行表征,应考虑到在一定的压力变化条件下,血管内血液容积的变化 或血管直径的变化。 ..,纵向顺应性 纵向顺应性是表征在外力作用下人造血管的轴向形变情况。纺织 品人造血管的波纹形态,大大改善了纵向顺应性,使其接近与之相连 的真血管的水平。尽管在人造血管愈合过程中,这种被加强的纵向顺 应性由于人体组织的生成而减弱,但在手术移植时可减少缝合线的应 力。 在中【,提出了可用长度的指标,表示在一定负荷下人造血 管的可用长度,即其轴向的形变结果。这里的负荷值应不大于手术时 施于人造血管上的力。手术时施于人造血管上的力的大小短期内影响 到吻合性能,手术时施于人造血管上的力过大,将使其弹性下降,加 速了高聚物的疲劳和降解速度。所以可用长度的测定是很有意义的。第章人 造血管顺应性的表征及纺织型人造血管顺应性测试仪的设计 ..人造血管的顺应性表征指标与测试要求 ...径向顺应性和纵向顺应性的表征 径向顺应性是指样品在承受周期性负荷下样本内径的变化情况, 即是表示直径与血管内部压力之间的关系引。其测定的过程应该是一 个动态变化的过程更接近人体压力循环的过程,所用的测试仪器应能 够模拟心脏的生理脉动,产生动态负荷施于样品内壁,测量管壁压力 变化时的直径变化,中径向顺应性可表达为【】: 二墨 × 其中,月:、置分别代表高压户和低压以时的承压内半径值。 中径向顺应性的描述和定义很容易理解,但具体的测试方法 在中的描述非常简略,其中测试压力段、测试样品长度等测试中 重要参数的要求没有明确的说明。其他文献中记载,也可以用血管 内液体容积的变化来表征人造血管的顺应性。即径向顺应性也可表达 为: ?? ? 型 其中代表容量的变化,矿代表初始容量,代表压力的变化。 根据中径向顺应性的定义表达式需要测量压力条件下的直 径,这无论对活体测量或体外测量来说,都是~件比较困难的事情, 其测量精度要求也比较高,对直径的测量精度要求达到.】:相 比较之下,公式?中容积的测量更为容易实现,因此本课题中选用 容积表达的形式公式?来表征人造血管的径向顺应性。 容积顺应性跟直径顺应性之间存在~定的关系。假设人造 血管的松弛内径为‘,在压力条件下内径变化为觚,则在静态条件下 也就是当测试样品长度工不变的条件下容积顺应性可表达为: ? .?‘越 。 疗越.工一.三 。:』:坐二掣』型:堡坐 ? 醋 口?..心 ?.娃 ?.第章人造血管顺应性的表征及纺织型人造血管顺应性测试仪的设计 当缸项可以忽略时 。三生:, 。 .。世 中纵向顺应性的测试可以参考可用长度的测定方法。但本文 将参考其他文献中【提到的纵向顺应性测试方法进行测量。该文献中 应用的方法比可用长度的测试方法更加接近人造血管在体内的受力情 况,测试条件更加合理。在本论文的第四章将对人造血管纵向顺应性 的测试进行详细介绍。 ..,顺应性的测试要求 依据以上给出的人造血管径向顺应性和纵向顺应性的表征指标, 对于给定的人造血管产品,我们需要在一定的压力段下对其进行测试, 以评价其植入人体后对管道内部应力的形变响应性,这就需要有特定 的装置来完成测试任务,这一装置的基本测试原理就是在给定的压力 段内,测定人造血管内部液体容积的变化量。该装置所应达到的具体 测试要求如下所述: 压力的产生和测试 首先要完成测试,并保证体外测试能够模拟人体环境,必须在测 试过程中保证试样受到的最大压力可以达到.】; 在测试仪器中应装有压力测量装置,用于测定人造血管内部的压力值, ,压力的测量精度要求达到 量程应达到,即. 【】,即.。 试样夹持装置的要求 试样夹持装置的作用是稳定夹持试样,保证测试时在一定的压力 状态下液体不会从测试样品中渗漏。首先要求夹持装嚣能够支撑试样, 并可以用微弹性的线固定试样,使得在钡试过程中,最大压力达到 的情况下测试样品中的液体在试样夹持的位置不会发生漏 水和渗流,这是保证测试结果准确性的最关键点之一。 其次要求试样夹持装置的支撑柱直径与被测样品的直径匹配。支 撑柱直径选择不当会直接影响测量的精确性。试样夹持装置的支撑柱第章人 造血管顺应性的表征及纺织型人造血管顺应性测试仪的设计 直径选择过小测试样品的端部组织会产生皱折重叠,容易造成测试样 品中的液体在试样夹持的位置发生漏水和渗流的现象;反之,则不能 将测试样品安装到试样台上或测试样品的端部受到意外牵伸,无法进 行操作。 液体容积测量装置的要求 由于本课题选择采用容积顺应性公式?来表征人造血管的 管道内部响应性,测试样品中液体容积变化的测量直接影响到测试结 果的精度。假设直径为的经编涤纶人造血管,铡试样品的长度为 ,由公式? .时计算得到的顺应性值 ?斋, 为.%/,当.计算得到的顺应性值为 .%/。根据计算结果,在压力变化条件下液体容积的测量 精度为.基本可以满足测试的要求。 测试液体环境的要求 为了更好地模拟人造血管在人体中的情况。在顺应性测试仪器的 样品测量区要求具有液体环境,即在测量样品时,要求将测量样品浸 渍在溶液环境中。中要求该测试溶液为水溶液,溶液温度保持在 ?。 “气囊”的使用 在体外测试中,为了防止部分人造血管内部充满液体后的渗漏 现象的发生,一些试样在测试过程中需要内衬“气囊”。所谓“气囊” 是一种具有良好弹性的薄膜管道。其在压力作用下的扩张能力远远大 于被测样品的扩张能力,以保证压力下薄膜与人造血管的管壁紧密贴 合有效地传递压力于纺织结构管壁上。并且在压力作用下不会发生渗 漏现象。根据中的说明,内村的“气囊”的直径不能超过测试样 品松弛内径的.倍甜。 .国内外人造血管顺应性实验仪器的考察 依据国际标准的基本要求,我们首先考察了现有的人造血管顺应 性测试方法和测试仪器,寻求可以使用或通过改造可以使用的测试仪第章人 造血管顺应性的表征及纺织型人造血管顺应性测试仪的设计 器。 从前面介绍的径向顺应性的表征指标来看,人造血管的径向顺应 性的定义比较复杂。总体来说,一种是直接测量法,一种是间接测量 法。所谓直接测量,就是在人造血管受到压力作用时,测量其直径, 采用直径与压力变化的比值来表示人造血管的径向顺应性;而间接测 量法就是,在压力作用下,测量其他指标例如,测量样品内部液体 容积的变化或将该指标换算成直径变化,来表示人造血管的径向顺 应性。 国内对于人造血管体外测试方面的研究,基本上处在空白阶段。 通过查阅中国专利和文献资料得知,仅搜索到一种活体检测人体或动 物体动脉顺应性的发明专利【】。该发明主要属于人体和生物体血液循 环系统的生物力学检测技术,主要是在现今活体测量的基础上,进行 计算方法上的改进,将动脉血管床的血液流出外周阻力,处理成特定 的复数型阻力的技术,来进行活体动脉顺应性检测的设备和方法。 该方案纠正了传统的理论和方法,都与总和毛细血流是非常近似定长 流的公知的实验事实相矛盾的错误,使活体顺应性检测的准确度得到 显著改进。但是目前国内并未有人造血管顺应性体外测试方法的相关 报道。第章人造血管顺应性的表征及纺织型人造血管顺应性测试仪的设计 同时经国外专利查阅,检索到一篇有关人造血管径向顺应性体外 测试的资料,其仪器如图所示。该专利】中介绍了~种通过测量 样品内部容积来计算样品直径的间接测量方法。将已知容积的液体压 入测试样品中,由于测试样品内部的初始液体容积和由于压力变化引 起的测试样品中液体容积的改变已知,根据公式就可以计算出测试样 图?径向顺应件动森测试仪 品中的液体容积总量。同时,测量出样品在不同压力条件下的长度。 样品的总体容量以及在一定压力下的长度己知,可以得到在一定压力 下的直径或者半径。测量时随着压力的变化,动态的检测样品内部的 液体容积、测试样品的长度,从而可以确定这些参数之间的动力学关 系。其换算公式可表示为: 碱.,, 其中。为松弛内径;为初始长度 如果测试样品有顺应性,试样会在一定的压力下扩张,扩张后 测试样品的内径和长度等参数会发生改变。在压力条件下的液体容积第章人 造血管顺应性的表征段纺织型人造血管顺应性测试仪的设计 可表示为: ?%?, 因此,在两种不同压力下的液体容积变化可表示为: %巩一矾?,, 或者 . 、‘’, 一 :。.,一., / 测试样品的初始尺寸和液体容积的变化可以测量时由公式 得到 ? ’, 小. 。 譬 一,,,.? 万 如果测试样品在压力变化后的试样长度或长度的变化可以测 量,则公式可以表示为: 些卫 ? . ? 其中,.为一定压力条件下的半径 计算出后,可以应用公式来计算测试样品的径向顺应性。 该仪器为动态条件下测量人造血管径向顺应性的仪器,其结构 复杂、精度要求高,考虑到目前的实验经费和条件以及国内人造血管 体外测试的空白和迫切性,本课题参照国际标准的要求,自行设计了 切实可行的静态条件下测量人造血管径向顺应性的仪器。 .纺织型人造血管顺应性测试仪器的设计 根据中对人造血管径向顺应性的测试要求,我们主要 进行了三方面的设计: ~压力的产生和测量; 试样夹持装置的设计; 测试样品内部液体容积的测量。 ..压力的产生和测量第章人造血管顺应性的表征及纺织型人造斑管顺应性 测试仪的设计.压力发生装置 首先是压力的发生装置。通过压缩空气将~定的压力传递到液面 上,使液体在压力状态下压入测试样品中。因此压力发生装置是非常 重要的。这种压力发生装置,可以靠空气压缩设备产生。目前,市场 上使用的小型空气压缩机量程在’,即.“., 而本实验中测量的最大压力值为,由此可见常用的小型空压 机的量程远远大于实验中的压力量程,显然不满足我们实验的需要。 本实验中选用的压力发生装置,根据打气简的原理将压力传递到 液面上,将液体压入试验样品中,同时由压力测量装置测量此时的压 力值,能满足实验的要求。 ...压力测试仪表的选用 设计时参考压力仪表的量程和精度等级,根据测试所需要的量程 和误差要求选用合适的压力表,接在稳压装置的形接头上具体装置 见稳压装置的设计,即可对压力进行测试。 量程给出仪表可测量指示的压力范围,精度等级是按精确度高低 分成的等级引。精确度是压力仪表常用的质量指标,表征仪表的测量 结果与真值的一致程度,是衡量综合误差即系统误差和随机误差同 时出现的一个尺度。精确度高意味着系统误差和随机误差都很小。 某仪表的精度等级是指在标准条件下,最大允许绝对误差相对于仪器 测量范围百分数的分子部分。 压力仪表的分类和性能简介 由于实际应用过程中需要测量的压力范围很广,从几个毫米水柱 到几千甚至几万个工程大气压。同时由于使用环境、条件及要求的多 样性,压力仪表的种类很多。按工作原理分类,压力测量仪表可分为 液柱式、弹性式、负荷式和电卿式等类型。 液柱式压力计是一种液压式压力测量仪表,它是以一定高度的液 。大多是一 柱所产生的压力,与被测压力相平衡的原理测量压力的【 根直的或弯成形的玻璃管,其中充以工作液体。常用的工作液体为 蒸馏水、水银和酒精。液柱式压力计主要包括形管压力计测量范第章人造血 管顺应性的表征及纺织型人造血管顺应性测试仪的设计 围一般为~?毫米水柱或毫米汞柱,精度等级为级,单管压 力计测压范围一般为~毫米水柱或汞柱,精度为.~级 和斜管微压计测压范围一般为~?毫米水柱,精度为.~ 级。液柱式压力计的特点是灵敏度高,因此主要用作实验室中的低 压基准仪表,以校验工作用压力测量仪表。 弹性式压力测量仪表是利用各种不同形状的弹性元件,在压力下 产生变形的原理制成的压力测量仪表。弹性式压力测量仪表按采用的 弹性元件不同,可分为弹簧管压力表和膜盒压力表等。这类仪表的特 点是结构简单,结实耐用,测量范围宽,是压力测量仪表中应用最多 的一种。最小量程可达~,最大量程可达到~,一般精度 等级为~,量程越大的表精度等级越高,有的可达到.。 负荷式压力测量仪表常称为负荷式压力计,它是直接按压力的定 义制作的,常见的有活塞式压力计、浮球式压力计和钟罩式压力计。 由于活塞和砝码均可精确加工和测量,因此这类压力计的误差很小, 主要作为压力基准仪表使用,测量范围从到,精度等级 可达到.。 电测式压力测量仪表是利用金属或半导体的物理特性,直接将压 力转换为电压、电流信号或频率信号输出,或是通过电阻应变片等将 弹性体的形变转换为电压、电流信号输出。代表性产品有压电式、压 阻式、振频式、电容式和应变式等压力传感器所构成的电测式压力测 量仪表。精确度可达.级,测量范围从到不等。 设计中压力表的选用 在本设计中我们需要根据测量量程和测量的精度要求合理选择 压力表。压力表的种类繁多,且在物理学和工程上应用各种不同的单 位制,因此首先依据压力单位的换算关系各单位压力换算关系参见 附录中附表.,对量程和测量误差迸行了换算,结果见表?。 表测试压力测量要求的单位换算关系 第章人造血管顺应性的表征及纺织型人造血管顺应性测试仪的设计 、\单位 水银柱高度 水柱高度 磅/英寸 帕斯卡 项目\\ . . 换算关系. 测试压力 .. 测量误差 依据表中的换算关系,标准要求的最大量程相当于 约.,要求的测量误差相当于.。据标准要求的最大量程 和精度等级的定义计算可知”,所选用的压力仪表的精度等级至少应 达到。 考虑到压力传感器的尺寸,价格的限制和测试对压力仪表精度等 级的要求,我们采用了液柱式和弹性式压力测量仪表。在液柱式压力 计中最常用的是形管压力计,可选用量程为的形管压力 计,精度等级为级,最大允许绝对误差满足标准要求的测试误差的 要求。 弹性式测量仪表包括弹簧管压力表和膜盒压力表,是工程上最常 用的压力测量仪表。在选择这类压力表时需要注意的是由于弹性元件 的限制,压力表量程的两端存在盲区,~般测试区域为满量程的%~ %,依据要求的测试压力应选用量程为的压力表,压力表的 精度应能达到级。将所选择的压力测试仪表通过接头与压力发生装 置相连,即可测量测试过程中的静压力。 . .稳压装置 在压力发生装置和压力测量装置之间连接稳压装置,可以使得加 压装置在所需的压力值停下来,将压力固定在某一测量值上,方便读 取数值。稳压装置的结构如图所示。与压力测量装置相连接, 与加压装置相连接。测试时,当压力达到需要测量的值时,将旋紧 测试压力即停留在需要测试的位置。第章人造血管顺应性的表征及纺织型人 造血管顺应性测试仪的设计 、刮 图.稳压装置结构示意图 实验过程中,当液面高度在压力作用下下降时,液体与玻璃管壁 之间存在粘滞现象。粘滞 现象产生的原因:一平行 于轴的水平流动,当各 层流体的速度不同时,任 王 意两层流体之间将互施 作用力以阻碍各层流体 之间的相对运动,这种现 图粘滞现象 象称为粘滞现象。 /一或‖等由图可以看出,作用于上平板使之产生等 速度的外力为,则该力与速度及平板面积成正比,与平板间 距成反比。 测试时,当压力达到实验所需的数值时,加压装置停止加压,此 时读取液面高度值,由于存在这种牯滞现象,管壁粘着的水未能及时 回复到液面上,导致读数的差异。为了提高液体容积读数的精度,我 们采用的玻璃管内径比较小,因此这种粘滞现象更加严重,放大了读 数的差异。而稳压装置的存在可以减小这种差异,提高读数的精度。 ..试样夹持装置的设计 依据上述对试样夹持装置的固定夹持试样要求,设计了不同直径 人造血管的试样夹持装置如图所示,来满足测量的需要。第章人造血管顺应 性的表征及纺织型人造血管顺应性测试仪的设计 图?试样夹持装置 部件与箱体内壁相连,中间开孔并加工成内螺纹与部件相连。 部件为试样夹持装置,左端外螺纹与部件相连,安装到整个测试 装置上,中间开孔,右端根据不同直径的人造血管设计成不同直径的 支撑柱。部件跟部件的构造基本相同,部件的右端加工成外螺 纹与部件相连,安装到整个测试装置上,左端根据不同直径的人造 血管设计成不同直径的支撑柱。部件的右端支撑柱和部件的左端 支撑柱上开有浅槽,人造血管两端套在支撑柱上,用微弹性的线固位, 即可进行人造血管的顺应性测试。部件、、的中轴线与“”型玻 璃管的中轴线吻合,满足测量的压力为测试样品的内压力的测试要求。 测试区如图?所示,图中部件、、为上述的试样夹持装