人股动脉血管的径向拉伸性能☆

欧阳晨曦1，周飞2，王维慈1，徐卫林2，李文斌2，裘法祖3

课题背景：小口径人造血管是目前全世界研究的热点，为了真正了解人体小口径血管的性能与结构特点，研究人员对某些动物（如狗或者兔子等）的血管进行了分析，发现血管的内层和外层在结构、物理性能和生物性能方面有很大的不同；也有人进行过径向拉伸试验，但是很少有重复疲劳拉伸的试验报道。本文选择一男性大腿高位截肢患者，对其进行各种性能和结构特点的分析，报道径向拉伸疲劳性能的分析结果。

相关链接：目前小口径人造血管的研究，在材料学方面往往只集中在某一单一材料的改性和加工上，对于复合材料的加工工艺研究较少。实际上很难在某种单一材料上取得突破性进展，而复合材料可以任意组合和加工，完全达到仿生的效果，各项力学性能都可以做到和正常人体血管指标一致，因此是一个很有前途的研究方向。

应用要点：试验得出正常人体股动脉的生物力学表征对今后复合人造血管加工具有指导性意义，高分子复合人造血管的力学性能几乎和人体血管一致，从而将人造血管的生物相容性进一步提高，为其最终运用于临床奠定基础。

1华中科技大学同济医学院附属协和医院，湖北省武汉市 430022； 2武汉科技学院，湖北省纺织新材料及其应用重点实验室，湖北省武汉市 430073； 3华中科技大学同济医学院附属同济医院，湖北省武汉市 430030

欧阳晨曦☆，男，1972年生，广东省中山市人，汉族，1996年同济医科大学毕业，博士，主治医师，主要从事人造血管的研究。
ouyangchx@
yahoo.com

通讯作者：徐卫林，教授，博士生导师，武汉科技学院，湖北省纺织新材料及其应用重点实验室，湖北省武汉市 430073
weilin_xu@wuse.edu.cn

摘要
目的：为进一步改进人造血管的生物力学特性，需对正常人体动脉血管的生物力学特性进行表征，观察正常人股动脉内外膜间的微观特征，分析其径向方向重复疲劳拉伸和一次性断裂拉伸的相关特性。
方法：试验于2007-03/10在华中科技大学同济医学院附属协和医院完成。45岁男性患者由于突发下肢股动脉栓塞，导致肢体坏死而行大腿高位截肢，术毕截取一段正常人体的股动脉（患者对试验及治疗知情同意，治疗方案经医院医学伦理委员会批准），利用光学放大镜从微观上分析人股动脉内外膜间的结构特征，万能强力仪对这段血管进行径向重复疲劳拉伸和一次性断裂拉伸试验。
结果：人股动脉主要由内中外3层结构组成，内膜层的内表面呈绒状的凸凹不平，具有微孔结构，外表面则呈沟槽状的突起；中膜层由大量弹性纤维所组成；外膜层非常致密光滑。股动脉径向应力随着疲劳拉伸次数的增加而减小，经100次拉伸后，应力从0.80 N 减小到0.40 N，减小率大约50.00%；但衰减主要发生在拉伸初期，到60次以后衰减率明显下降。经过反复疲劳拉伸的血管与初始血管原样在拉伸断裂性能上基本相似。
结论：拉伸测试发现人体动脉血管的拉伸初始模量较低，随着变形的增大，模量和弹性恢复能力会逐渐减弱，但最后趋于稳定平衡，显示其具有较好的抗疲劳拉伸性能。
关键词：股动脉；疲劳；初始模量；弹性

欧阳晨曦，周飞，王维慈，徐卫林，李文斌，裘法祖.人股动脉血管的径向拉伸性能[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(1):89-93 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-1/1k-89(ps).pdf]

中图分类号:R318.08
文献标识码:B
文章编号:1673-8225
(2008)01-00089-05

AIM:In order to improve the biomechanical characteristics of the man-made blood vessel, we made a biomechanical research about the normal human arterial vessel and the morphology of the normal human femoral arterial intima and adventitia, and analyze the correlation between the radial repeated fatigable elongation and disposable broken elongation.
METHODS: The test was made in Union Hospital, Tongji Medical College of Huazhong University of Science & Technology, from March to October in 2007. One 45-year old man suffering from sudden femoral arterial embolism and necrosis of the lower limb, was adopted in this study. Informed consent was obtained from this male patient, and the treatment was approved by the hospital ethical committee. After high amputation, the removed femoral artery was cut into segments. The structures of femoral arterial intima and adventitia were observed on an optical magnifying lens. Universal strength tester was used to conduct radial repeated fatigable elongation test and disposable broken elongation test.
RESULTS: Human femoral artery was consisted of 3 layers: intima, midlayer and adventitia. The inside surface of intima was velvet, uneven and microporous while the outside surface of intima was furrow-like prominence; the midlayer comprised a large amount of elastic fibers; the surface of adventitia was smooth and compact. The radial stress force of femoral artery decreased with the increasing tensile times, after 100 cycles of elongation, the force declined from 0.80 N to 0.40 N, accounting for 50.00%; The decrease mainly occurred during the initial cycles, and then attenuated slowly after 60 cycles. The vessels undergoing repeated fatigable elongation were identical with the controlled vessels regarding tensile property.
CONCLUSION: Tensile tests reveal that, the initial modulus of human arterial vessels is relatively low. With the deformation heightens, the modulus and elasticity recovery taper and finally stabilize, showing good anti-fatigable elongation properties.

Ouyang CX, Zhou F, Wang WC, Xu WL, Li WB, Qiu FZ.Radial tensile properties of human femoral artery.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(1):89-93(China) [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-1/1k-89(ps).pdf]

小口径人造血管是目前全世界研究的热点，大口径的人造血管（内直径> 6 mm）主要以涤纶编织[1-5]或聚四氟乙烯[6-7]经过挤压膨化成型加工而成，目前有很好的商业化应用效果[8-11]。由于小口径人造血管（内径< 6 mm）要求更高的径向顺应性等[12]，常规的人造血管加工方法不能满足实际的要求，如聚四氟乙烯材料不能满足弹性的要求，而新型的聚氨酯材料虽然有很好的弹性并且能够加工微孔结构，但是试验证明，单纯的聚氨酯材料加工成的小口径人造血管在试验中还是产生许多生物相容性的问题[13-14]。为了真正了解人体小口径血管的性能与结构特点，研究人员对某些动物（如狗或兔子等）的血管进行了分析，发现血管内层和外层在结构、物理性能和生物性能方面有很大的不同[15-17]；也有人进行过径向拉伸试验[18-21]，但是很少有重复疲劳拉伸的试验报道，动脉血管由于受动脉压的波动，实际上时刻在进行重复性的伸缩工作，研究重复疲劳试验能够真正反应血管的力学性能，对于在后续人造血管研制过程中材料的选择、制作工艺的选择以及结构的控制等有非常重要的指导作用。
本文选择一男性患者，因突发下肢动脉栓塞而行大腿高位截肢，术毕截取1段股浅动脉远端（直径6 mm），对其进行各种性能和结构特点的分析，主要报道笔者对径向拉伸疲劳性能的分析结果。一般径向拉伸采用径向各向同时外向受力变形的测试方法，这样与真实收缩及膨胀变形的形态类似，但是要准确的测出重复疲劳性能，一般仪器的精度很难保证，所以采用径向拉伸代替上述试验，仪器的测试精度与控制系统能够准确保证。

设计：对比观察。
单位：华中科技大学同济医学院附属协和医院血管外科。
对象：试验于2007-03/10在华中科技大学同济医学院附属协和医院完成。45岁男性患者由于突发下肢股动脉栓塞，导致肢体坏死而行大腿高位截肢，术毕截取1段长约15 cm 的股浅动脉远端，直径为6 mm，内口径为5 mm，管壁厚度为0.5 mm。血管本身没有病变，无粥样斑块或坏死变性。经过乙醇消毒和生理盐水清洗后，在未用甲醛固定的情况下于4 h 内进行相关试验。患者对试验及治疗知情同意，治疗方案经医院医学伦理委员会批准。
仪器：科士达放大镜(型号：MX-2005C，日本)；数码相机(型号：Sony dsc-L1，日本)；INSTRON万能强力仪(型号：5566，美国)。
设计、实施、评估者：试验设计为第四作者，干预实施为第一作者，评估为第二作者。经过正规培训，未采用盲法评估。
方法：
血管形貌分析：用科士达放大镜和数码相机对动脉血管的横截面以及内、外表面进行微观和宏观的形态表征分析。
血管径向拉伸测试：将股动脉血管剪短成长度为5 mm，在标准温湿度条件下，采用INSTRON万能强力仪进行重复疲劳拉伸和一次性断裂拉伸试验。试验样品的测试方法如图1所示，其中拉伸速度为30 mm/min，初始夹距为30 mm。在反复抗疲劳拉伸试验中，拉伸次数为100次，径向血管的拉伸伸长率为30%，即5 mm×30%=1.5 mm，径向的最大伸长长度为6.5 mm。

2.1 人体股动脉血管形态的分析人体股动脉血管的微观和宏观形貌如图2所示。
从图2a、图2b中可以看出，股动脉血管内层的内外表面并不是非常光滑的，其内表面具有绒状的凸出部分，排列紧密，并且具有一定的微孔结构，而外表面是凹凸不平的，具有一定的沟槽；图2c表明股动脉血管外层是非常光
滑的，并且非常致密。图2f中可以看出，此股动脉人体血管的内口径约5 mm，外口径约6 mm；图2d、图2e显示股动脉血管分为3层即内膜、中膜和外膜，与外膜相比，内膜的厚度较薄，而且在内膜和膜层之间有一定的组织间隙，其孔隙由大量的弹性纤维所组成，即为中膜。

2.2 人体股动脉血管径向抗疲劳拉伸性能长度为5 mm 的股动脉血管疲劳拉伸100次，疲劳拉伸时间与强力的关系曲线如图3所示。疲劳拉伸试验前10次时间与强力的关系曲线见图4。

www.zglckf.com

从图3中可以看出，随着疲劳拉伸次数增加，血管达到指定的拉伸长度所需要的强力越来越小。由于拉伸长度和拉伸速度均相同，血管每次疲劳拉伸的时间是相同的，而其所需的强力越来越来小，说明血管径向内部的应力减小，这导致血管的拉伸回复性能减小，因此随着疲劳拉伸次数增加，血管径向弹性减小，拉伸到一定长度所需的强力也减小。从图4中可以更加清楚的看到股动脉血管随着疲劳拉伸次数的增加，所需强力减小的趋势。
图5表明了股动脉血管疲劳拉伸次数与所需强力的具体关系。从图中可以看出，股动脉血管径向内部的应力随着疲劳拉伸次数的增加而减小，应力从0.80 N 减小到0.40 N，减小率大约50.00%。前10次疲劳拉伸对血管径向内部应力的影响尤其明显，几乎呈线性关系，其应力从0.80 N 减小到0.63 N，减小率约为21.25%；从第10次到第60次疲劳拉伸对血管径向内部应力的影响较为明显，其应力减小率约为13.75%；60次反复疲劳拉伸后对血管径向内部应力的影响不是很大。

图6显示了股动脉血管疲劳拉伸长度与拉伸强力的关系。从图中仍然可以看出，随着疲劳拉伸次数的增加，血管拉伸到指定的伸长率所需要的强力越来越小。图7为股动脉血管第1次和第90次疲劳拉伸长度与拉伸强度的关系曲线，从中可以更清楚的看到图6中所描述的规律。以图7为例，当血管的径向拉伸强力很小为0.1 N时，第1次疲劳拉伸中血管的伸长率约为11.0%，而第90次疲劳拉伸中血管的伸长率约为20.5%，说明血管经过90次疲劳拉伸后比经过1次疲劳拉伸具有更小的初始模量，而血管第1次疲劳拉伸所做的功大于第90次疲劳拉伸所做的功，依次类推随着血管疲劳拉伸次数的增加，血管径向的初始模量越来越小，拉伸功也越来越小。

2.3 经过疲劳拉伸的血管和人体血管原样的拉伸断裂性能经过反复疲劳拉伸的血管和人体血管原样的拉伸断裂性能如表1所示。图8显示了它们的拉伸断裂曲线。
从图8中可以看出它们的拉伸断裂曲线均不是光滑的。主要由于股动脉血管的内层和外层在径向方向上具有不同的弹性，内层的弹性较外层好，因此它们在拉伸过程中不会同时断裂，在曲线图中表现出波浪形。实验测试结果显示人体血管具有很低的初始模量，而且经过反复疲劳拉伸的血管比人体血管原样具有更低的初始模量(如图7中所描述)，它们的拉伸断裂性能基本上是相当的，表明人体血管在径向方向上具有较好的抗疲劳拉伸性能。

动脉是由心室发出的血管，在行径中不断分支，愈分愈细，小动脉最后移行为毛细血管。动脉管壁较厚，平滑肌较发达，弹力纤维较多，管腔断面呈圆形，具有舒缩性和一定的弹性，可随心脏的收缩、血压的高低而明显的搏动。动脉管壁的功能是心室射血时，管壁扩张；心室舒张时，管壁回缩，促使血液继续向前流动。中小动脉，在神经支配下收缩舒张，以改变管腔的大小，从而影响局部血流量和血液阻力，维持和调节血压。
大动脉（large artery）包括主动脉、无名动脉、颈总动脉、锁骨下动脉、椎动脉和髂总动脉等。大动脉的管壁中有多层弹性膜和大量弹性纤维，平滑肌则较少，故又称弹性动脉（elastic artery）。大动脉管壁结构特点如下：①内膜有较厚的内皮下层，内皮下层之外为多层弹性膜组成的内弹性膜，由于内弹性膜
与中膜的弹性膜相连，故内膜与中膜的分界不清楚。②中膜有40~70层弹性膜，各层弹性膜由弹性纤维相连，弹性膜之间有环形平滑肌、少量胶原纤维和弹性纤维。中膜基质的主要成分为硫酸软骨素。③外膜较薄，由结缔组织构成，没有明显的外弹性膜。外膜逐渐移行为周围的疏松结缔组织。
中动脉：除大动脉外，其余凡在解剖学中有名称的动脉大多属中动脉（medium-sizde artery）。中动脉管壁的平滑肌相当丰富，故又名肌性动脉（muscular artery）。中动脉管壁结构特点如下：①内膜内皮下层较薄，内弹性膜明显。②中膜较厚，由10～40层环形排列的平滑肌组成，肌间有一些弹性纤维和胶原纤维。③外膜厚度与中膜相等，多数中动脉的中膜和外膜交界处有明显的外弹性膜。
小动脉：管径1.0 mm 以下至0.3 mm 以上的动脉称为小动脉（small artery）。小动脉包括粗细不等的几级分支，也属肌性动脉。较大的小动脉，内膜有明显的内弹性膜，中膜有几层平滑肌，外膜厚度与中膜相近，一般没有外弹性膜。
动脉管壁结构的发育到成年时才趋完善。可能由于心脏和动脉始终不停地进行着舒缩活动，似较其他器官易发生损伤和衰老变化，其中尤以主动脉、冠状动脉和基底动脉等的变化明显。中年时，血管壁中结缔组织成分增多，平滑肌减少，使血管壁硬度渐大。老年时，血管管壁增厚，内膜出现钙化和脂类物质等沉积，血管壁硬度增大。因此，只有在血壁结构变化已超越该年龄组血管变化标准时，方能认为是病理现象。
本文主要的观察对象是中动脉，即直径在2～8 mm 的肌性动脉，这些动脉在人体内更容易随着年龄的增长发生硬化，目前也缺少合适的小口径人造血管进行替换和搭桥，如冠状动脉、下肢远端的胫后动脉等。研究这类血管的力学特性，能够为开发小口径人造血管提供相应的科学参数和对照。　
从本试验中可以看出，中动脉的微观和宏观形貌主要由内中外3层膜所组成，内皮细胞是沿着血管内膜蔓延生长的，因为外膜非常光滑而且致密，没有足够的空洞允许细胞从血管外壁向内壁生长，因此对于人造血管的研究来说，要求管壁内表面具有一定的微孔结构供应细胞在内壁生长，形成皮化。
为了防止小口径人造血管的血栓形成，血管具有很好的径向弹性性能是必要的。因此可以模仿人体血管的结构，采用弹性较好的材料作为血管的内膜层，弹性一般的材料作为血管的外膜层来研制人造血管。
本试验较全面的分析了股动脉人体血管的性能，对人体血管进行了基础性的研究，为将来小口径人造血管的开发打下了良好的基础。

1 Phaneuf MD，Dempsey DJ，Bide MJ，et al. Coating of Dacron vascular grafts with an ionic polyurethane：a novel sealant with protein binding properties. Biomaterials 2001；22（5）：463-469
2 Leake DL，Cenni E，Cavedagna D，et al. Comparative study of the thromboresistance of Dacron combined with various polyurethanes. Biomaterials 1989；10（7）：441-444
3 Qulnones-Baldrich WJ，Moore WS，Ziomek S，et al. Development of a “leak-proof，”knitted Dacron vascular prosthesis. J Vasc Surg 1986；3（6）：895-903
4 Kottke-Marchant K，Anderson JM，Umemura Y，et al. Effect of albumin coating on the in vitro blood compatibility of Dacron arterial prostheses. Biomaterials 1989；10（3）：147-155
5 MacGregor DC，Wilson GJ，Clement P，et al. A new compliant composite Elastomer/Dacron small caliber vascular prosthesis. Trans Soc Biomat 1991；14：145
6 Giudiceandrea A，Seifalian AM，Krijgsman B，et al. Effect of prolonged pulsatile shear stress in vitro on endothelial cell seeded PTFE and compliant polyurethane vascular grafts. Eur J Vasc Endovasc Surg 1998；15（2）：147-154
7 Lanzetta M，Owen ER. Neo-endothelialisation of PTFE microvascular grafts：a five-year experience. Microsurgery 1995；16（6）：404-411
8 Becquemin JP，Haiduc F，Cavillon A. Thrombogenicity of an elastomer-coated aortofemoral Dacron prosthetic graft in humans. Ann Vasc Surg 1994；8（5）：443-451
9 Drury JK，Ashton TR，Cunningham JD，et al. Experimental and clinical experience with a gelatin impregnated Dacron prosthesis. Ann Vasc Surg 1987；1（5）：542-547
10 Lanzetta M. Clinical use of microvascular PTFE grafts. Microsurgery 1995；16（6）：412-415
11 Murray-Wijelath J，Lyman DJ，Wijelath ES. Vascular graft healing. III. FTIR analysis of ePTFE graft samples from implanted bigrafts. J Biomed Mater Res Appl Biomater 2004；70（2）：223-232
12 Abbott WM，Megerman J，Hasson JE，et al. Effect of compliance mismatch on vascular graft patency. J Vasc Surg 1987；5（2）：376-382
13 Hayashi K，Takamizawa K，Saito T，et al. Elastic properties and strength of a novel small-diameter，compliant polyurethane vascular graft. J Biomed Mater Res 1989；23 (A2 Suppl)：229-244
14 Ackroyd JS，Pattison M，Browse NL. A study of the mechanical properties of fresh and preserved human femoral vein wall and valve cusps. Br J Surg 2005；72(2)：117-119
15 Gusic RJ，Petko M，Myung R，et al. Mechanical properties of native and ex vivo remodeled porcine saphenous veins. J Biomech 2005；38（9）：1770-1779
16 Baumbach GL，Dobrin PB，Hart MN，et al. Mechanics of cerebral arterioles in hypertensive rats. Circ Res 1988；62（1）：56-64
17 Wang SM，Li N，Xu M. Beijing Hangkong Hangtian Daxue Xuebao 2001；27(3)：325-327
王寿梅，李宁，徐明.血管的新应变能函数[J].北京航空航天大学学报，2001，27(3)：325-327
18 Dobrin PB，Littooy FN，Golan J，et al. Mechanical and histologic changes in canine vein grafts. J Surg Res 1988；44（3）：259-265
19 Zhou AG，Zuo DH，Ma HS. Shiyan Jishu Yu Shiyanji 2005；45(4)：41-42
周安国，左东辉，马洪顺.自体动、静脉移植动物血管拉伸实验研究[J].试验技术与试验机，2005，45(4)：41-42
20 Zanchi A，Stergiopulos N，Brunner HR，et al. Differences in the mechanical properties of the rat carotid artery in vivo，in situ，and in vitro. Hypertension 1998；32（1）：180-185
21 Ma HS，Lu Y，Yang QJ，et al. Zhongguo Shengwu Yixue Gongcheng Xuebao 1996；15(1)：93-95
马洪顺，陆有，杨清江，等.静脉血管应力松弛实验研究[J].中国生物医学工程学报，1996，15(1)：94-96