人与猪升主动脉一维载荷下的生物力学特性

郧阳医学院学报(J　YMC)　2004年4月,23(2):68　　

[文章编号]　1006-9674(2004)02-0068-04

人与猪升主动脉一维载荷下的生物力学特性

张一飞,　黄铁柱,　张兴华,　余明华,　唐　杰

(郧阳医学院解剖教研室,湖北十堰　442000)

[摘　要]　目的:探讨正常成人与不同月龄猪升主动脉一维载荷下的力学特性,为猪※人异种心脏移植吻合血管提供必要的生物力学基础。方法:应用生物软组织力学试验机,对6例成年男性尸体和42例1～7月龄猪升主动脉进行一维载荷的力学试验,由实验数据来拟合材料常数α,弹性模量dT/dλ。结果:随着增龄,猪升主动脉的材料常数虽有增加,但无统计学上的差异(P>0.05);7月龄猪升主动脉的弹性模量较其它月龄组高(P<0.05);人与各月龄猪升主动脉一维载荷下力学材料常数和弹性模量(T=3.0×104Nm-2)均无显著性差异(P>0.05)。结论:从力学角度来讲,猪※人异种心脏移植过程中人与猪相应升主动脉的吻合是可行的。[关键词]　猪;升主动脉;生物力学;心脏移植

[中图法分类号]　R318　　　　　　　　　　　　　[文献标识码]　A

BiomechanicalPropertiesofAscendingAortainHumanandPigunderUniaxialLoading　　ZHANGYi-fei,HUANGTie-zhu,ZHANGXing-hua,etal　(DepartmentofAnatomy,YunyangMedicalCollege,Shiyan442000,China)Abstract:ObjectiveToinvestigatethemechanicalpropertiesofascendingaortainnormaladulthumansanddifferentagepigs,andthustoprovideessentialbiomechanicaldataforthevesselstobeanastomosedinpig-to-humancardiacxenografts.MethodsTheuniaxialloadingtestforascendingaortaspecimensfrom42pigs(agedfrom1to7months)and6normaladulthumanswithoutvasculardiseaseswereconductedonthemechanicalexperimentstand.Thematerialparam-etersandYoung'smoduli(T=3.0×104Nm-2)weredemonstratedfromthedataobtainedfromtheexperiment.ResultsThematerialparametersofthestudiedvesselsinpigsincreasedwithagebutdidnothavesignificantdifference;whiletheYoung'smodulishowedsignificantlyhigherin7monthsoldpigsascendingaorta(P<0.05);boththematerialparame-tersandYoung'smoduli(T=3.0×104Nm-2)ofascendingaortashowednosignificantdifferencebetweenhumanandpig(P>0.05).ConclusionAsfarasbiomechanicalpropertiesareconcerned,theascendingaortabetweenhumanandpigarematchedandcanbeanastomosedeachotherduringpig-to-humancardiacxenotransplantation.Keywords:pig;aortaascendens;biomechanics;hearttransplantation

　　近年来,由于分子生物学及免疫学技术的飞速发展,猪※人异种心脏移植的研究日趋活跃[1,2]。在形态学研究方面,国内外学者已经对猪心脏的结构

[3～5]

相关研究提供必要的生物力学基础。1　材料和方法1.1　标本

人升主动脉取自无心血管疾病,年龄在18～30岁意外死亡的6例成年男性尸体;另取来自养猪场和屠宰场[3,6,7]不同月龄同种猪共计42头,普食饲养,分别于1、2、3、4、5、6、7月龄时屠宰。解剖分离、原位测量各自在体长度后自主动脉瓣环基底平面至无名动脉起始处取下升主动脉(所有标本均未见到动脉粥样硬化表现),分5等份,取2、4管段用于一维载荷的力学试验。1.2　方法、自主神经的分布

[6]

及淋巴引流

[7]

等进行了

详细的研究。移植后的心脏能否发挥正常功能,与供、受体相应血管的力学特性是否相匹配也密切相关,而国内外尚未见到这方面的详细报道。我们对正常成人与不同月龄猪升主动脉一维载荷下的力学特性进行了研究,以期为猪※人异种心脏移植及其

[作者简介]　张一飞(1964-),男,湖北十堰人,副教授,主要从事心血管生物力学的研究。

[基金项目]　湖北省教育厅重大项目(2001Z39005)

　　张一飞等.人与猪升主动脉一维载荷下的生物力学特性

·69·

试样均以相同的应变率于室温(32℃左右)下进行预处理10次(载荷范围0～0.5N)。血管受到周期性的匀速的加载和卸载后滞后现象消失,得到可重

复性的力———变形数据,尔后,用相同的载荷范围和应变率对血管进行1次加载和卸载试验,记录力———变形数据后,供计算机分析。每次试验结束,均用标准砝码和百分表对力和位移量进行标定。

1.2.1　一维载荷试验:本文所用生物软组织力学试验机的主要组成部分如图1。

血管段试样的两端分别固定在实验台上下连接

器上,实验启动后,由可控硅无级调速系统控制的传动装置使连接器上下运动,血管段试样随之产生纵向拉伸。微型力传感器及位移传感器将感受到的力及位移量检测出来后由计算机输出。所有的血管段

图1　一维载荷实验装置框图

1.2.2　力学数据处理与分析:设在无载荷条件下,血管段的初始长度为L0,宽度为W0,厚度为H0,血管段的初始截面积为:A0=W0H0

试样受力后的瞬时长度为L,载荷为F,则:

伸长比:λ=L/L0张应力:T=F/A0

定的循环过程的每一分支都是单值对应的。如图2所示,对于偏离平衡状态(应力为T,应变为λ)的微小偏差,曲线可以近似地用该点的切线来表示。曲

线的Young's模量即为切线的斜率dT/dλ。可以在T的变化范围内,用直线拟合实验曲线。当张应力在0～6.0×10Nm范围内设定时,各组血管所有曲线上各T值所对应点的斜率dT/dλ即可确定。求得每组所有曲线上同一T值所对应点dT/dλ的平均值,然后以每组血管各T值对应点的平均dT/dλ与T作图。由于在相同应变率下卸载曲线拟合的dT/dλ-T直线的斜率大,故用两条直线分别去表示加载和卸载过程:

当dT/dt>0　　dT/dλ=αT+β1)1(

当dT/dt<0　　dT/dλ=αT+β2)2(1.2.3　统计学方法:所得数据均以x±s的形式表示,采用方差分析及t检验进行统计学处理,以P<

4

-2

图2　非线性应力———应变曲线的数据处理示意图

0.05为差别有显著性。2　结果

人与不同月龄猪升主动脉一维载荷下力学特性常数如表1。由表1可以看出,人与1～7月龄猪升主动脉一维载荷下力学材料常数无显著性差异(P>0.05)。随着增龄,猪血管的材料常数虽有增加,但无统计学上的差异(P>0.05)。

　　血管是粘弹性体,根据Fung提出的生物软组

织拟弹性理论,大多数生物软组织的应力———应变关系对应变率的变化不敏感。生物软组织可以看作在加载和卸载时,具有不同的应力———应变关系的两种弹性体,需将加载和卸载过程分别处理。因此,可以借用弹性理论的方法来处理血管的粘弹性力学性质。在足够次数的重复循环加载和卸载试验后,血管的应力———应变关系稳定,应力———应变在规[8]

·70·

表1　人与不同月龄猪升主动脉力学常数

郧阳医学院学报(J　YMC)　2004年4月,23(2):68　　

的应力(г)与组织在应力作用下应变(ε)的比值(即:E=г/ε),它代表材料的硬度,即抵抗负载变形作用的能力,适合于应力———应变曲线是非线性时组织弹性的描述,故可通过计算弹性模量来反映血管的弹性特性。

3.2　人与猪升主动脉的力学特性比较

本文加载和卸载过程中dT/dλ-T的直线方程中αT)的变化率。由表1、1和α2是弹性模量随张力(

2可以看出,1～7月龄猪受试血管的α1和α2随增龄呈增加趋势,但各月龄间尚无显著性差异,且与人相应受试血管的材料常数间亦无显著性差异。当T=3.0×104Nm-2时,3月龄猪升主动脉的弹性模量dT/dλ较小,表明此时血管的弹性最好。随着增龄,7月龄猪升主动脉的弹性模量明显增大,但与正常成人升主动脉相比,尚无显著性差异。动脉的弹性模量随动脉的胶原纤维(C)与弹性纤维(E)含量比值的大小而变化,C/E值大者,弹性模量大。7月龄猪升主动脉C/E值较高,说明它的胶原纤维含量相对较多,弹性模量较大,随应力增加的弹性模量增长率α也较大,动脉的弹性相对较差。3.3　升主动脉生物力学特性研究在异种心脏移植

中的意义

动脉重建后的血管栓塞、破裂以及动脉瘤的形成是较为常见和棘手的问题。临床心脏移植过程中,供体心植入受者时,升主动脉是需要吻合的重要部位之一。异种移植后的心脏能否发挥正常功能,与吻合后主动脉的重建及通畅率密切相关。研究表明,动脉的吻接和修复都涉及到血管壁力学特性的改变,进而直接或间接地影响着术后重建血管的通畅率,宿主动脉与移植材料间力学特性的差异是导致局部血液动力学改变,内膜增生,甚至移植失败的重要原因之一。本文结果表明,人与1～7月龄猪升主动脉力学特性常数和弹性模量并无显著性差异,至少在某些区段二者相应血管的力学特性是相近的,即从力学角度来讲,猪※人异种心脏移植过程中人与猪相应升主动脉的吻合是可行的。

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[3]　CrickSJ,SheppardMN,HoSY,etal.Anatomyofthe[10,11]

　　　　　　(x±s,T=0～6.0×104Nm-2)

Agegroupspig1(month)

pig2(months)pig3(months)pig4(months)pig5(months)pig6(months)pig7(months)human(18～30years)

α1

9.26±3.21

8.69±3.647.79±5.328.25±3.688.96±4.689.67±2.6610.24±2.1610.82±3.57

α2

11.59±4.26

10.87±5.3410.22±3.8811.23±5.4212.51±6.3413.68±6.6415.37±3.8613.57±4.21

　　人升主动脉的力学常数与各组猪升主动脉的力学常数相比P>0.05。

表2　人与不同月龄猪升主动脉一维载荷

　　　　　下的弹性模量(x±s,105Nm-2)

Agegroupspig1(month)

pig2(months)pig3(months)pig4(months)pig5(months)pig6(months)

Loading2.57±1.21

2.17±1.681.87±1.321.98±1.662.05±1.972.68±2.16

Unloading4.59±2.26

4.27±2.343.64±1.884.09±2.125.07±3.055.85±3.296.89±2.86＊5.42±2.21

(T=3.0×104Nm-2)(T=3.0×104Nm-2)

pig7(months)3.57±1.18＊

human(18～30years)2.85±1.64　　与第3月龄组相比＊P<0.05

　　表2列出了T=3.0×104Nm-2时人与不同月龄猪升主动脉一维载荷下的弹性模量,由表2可以看出,随着增龄,7月龄猪升主动脉的弹性模量较其它月龄组高(P<0.05);人与各月龄组猪的相应血管相比,弹性模量无显著性差异(P>0.05)。3　讨论

3.1　动脉的一般力学特性

动脉天然地处于径向膨胀和纵向拉伸状态。其力学性质的研究为分析动脉的正常生理功能提供了理论基础,在动脉病理状态的分析和诊断治疗上也具有重要意义。动脉是由均匀的、不可压缩的材料构成,它们具有蠕变(greep)、应力松弛(relaxation)、滞后(hyteresis)等粘弹性材料特性,但在充分预调(precondition)后可视为弹性材料来处理并具有各向异性的非线性应力———应变关系

[8,9]

。我们通过对

离体血管的拉伸,用指数型函数进行力学分析,由实验数据来拟合未知参数(材料常数α,弹性模量dT/dλ)。弹性模量(elasticmodulus)是反映材料应力与应变关系的力学参数,是组织在单位面积内所承受　　张一飞等.人与猪升主动脉一维载荷下的生物力学特性

·71·

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