腔內(nèi)隔絕術(shù)用人造血管體外疲勞耐久性能研究及仿生疲勞儀的設(shè)計.pdf

1、由動脈硬化、動脈內(nèi)壁脂肪沉積、肥胖、高血壓以及先天性缺陷、遺傳、血液動力學(xué)和生物機(jī)械力學(xué)因素而導(dǎo)致的動脈擴(kuò)張疾病嚴(yán)重影響著人類的健康。動脈擴(kuò)張雖然不是惡性腫瘤疾病，但隨著瘤體的不斷膨脹擴(kuò)大，逐漸變薄并退化的瘤壁最終破裂，導(dǎo)致急驟的大出血而致病人死亡。治療這種疾病的方法有兩種，即傳統(tǒng)的開刀手術(shù)和微創(chuàng)的治療方法。用于微創(chuàng)治療的腔內(nèi)隔絕術(shù)用人造血管在(Endovascularprosthesis，也叫Stent graft(SG))植入人體以

2、后，不斷因疲勞破壞而導(dǎo)致整個治療的失敗，因此對腔內(nèi)隔絕術(shù)用人造血管體外疲勞破壞性能的考察和預(yù)測非常重要。
　　 本論文研究腔內(nèi)隔絕術(shù)用人造血管(SG)的體外疲勞性能，也即耐久性能，耐久性描述移植物植入體內(nèi)后(在經(jīng)受環(huán)境應(yīng)力后)維持其物理結(jié)構(gòu)的能力。國內(nèi)外在研究腔內(nèi)隔絕術(shù)用人造血管疲勞性能方面存在很多空白，如用來進(jìn)行疲勞實驗的儀器原理上沒有完全仿生，與人體真實環(huán)境尚有一定距離；至今沒有系統(tǒng)的研究腔內(nèi)隔絕術(shù)用人造血管疲勞性能的報道；

3、對腔內(nèi)隔絕術(shù)用人造血管疲勞的機(jī)理尚不明確；系統(tǒng)的體外疲勞表征體系及研究方法尚未建立等等。
　　 因此本論文針對本領(lǐng)域的現(xiàn)狀和存在的問題，自行設(shè)計制作了人造血管體外仿生疲勞濺試裝置(Fatigue resistance testing system forvascular prostheses，簡稱FretsVP)。該裝置根據(jù)人體血管系統(tǒng)的原理設(shè)計完成，包括溫控加熱裝置、電子蠕動泵、試樣安裝架、導(dǎo)流硅膠管、限流器以及壓力測試裝置等

4、6個主要部分，其中電子蠕動泵的轉(zhuǎn)子相當(dāng)于人體心血管系統(tǒng)的心室，電子蠕動泵的輥子相當(dāng)于人體心血管系統(tǒng)的主動脈瓣和二尖瓣，溫控加熱裝置相當(dāng)于靜脈和心房，裝置中的試樣以及導(dǎo)流硅膠管相當(dāng)于主動脈和大動脈，毛細(xì)血管的作用由裝置的系統(tǒng)阻力來完成。該裝置較好的解決了現(xiàn)有紡織基人造血管的疲勞性能仿生測試裝置及其測試方法仿真性不強(qiáng)的技術(shù)問題，已申請國家發(fā)明專利，公開號是CN101105435。
　　 該研究初步確立了疲勞測試的宏觀表征指標(biāo)，用試樣

5、的管徑、經(jīng)緯密度、厚度、克重、孔隙率、水滲透性在疲勞實驗前后的變化率來表征試樣的宏觀疲勞。同時通過實驗對疲勞測試裝置進(jìn)行了初步檢驗，確立了該裝置的測試方法，并驗證了其測試效果，實驗發(fā)現(xiàn)試樣在該裝置上的疲勞表現(xiàn)與動物實驗結(jié)果有一定的相似性，用其來進(jìn)行疲勞實驗比較可靠。通過對裝置系統(tǒng)誤差及隨機(jī)誤差的分析，進(jìn)一步完善了該裝置的測試方法及測試步驟，并提出了實驗時的注意事項。
　　 根據(jù)表征指標(biāo)及疲勞破壞條件確定了樣品的尺寸及測試時間。同

6、時系統(tǒng)地考察了裝置不同的頻率、脈動壓力以及實驗時間對疲勞性能的影響，由統(tǒng)計方法得出該系統(tǒng)的最優(yōu)測試參數(shù)，即選擇的頻率為10Hz，壓力為450mmHg，實驗時間點分別是0，24，38小時。用以上實驗條件對12種不同紡織結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括組織結(jié)構(gòu)，紗線支數(shù)，紗線類型)的腔內(nèi)隔絕術(shù)用人造血管織物覆膜試樣進(jìn)行了加速疲勞測試，試樣的管徑、經(jīng)緯密度、孔隙率、水滲透性等在實驗后都有了不同程度的變化，也即試樣確實經(jīng)歷了疲勞過程。分析認(rèn)為，疲勞是在持續(xù)的脈動

7、壓力影響下由于織物中能量的變化而引起的。為了達(dá)到能量新的平衡，織物中的紗線會不斷移動，達(dá)到結(jié)構(gòu)重組的目的，疲勞也因此而表現(xiàn)出來。通過實驗結(jié)果及分析得出，影響試樣疲勞性能的因素不僅包括測試頻率、試樣承受的壓力以及測試時間，還包括試樣本身的紡織結(jié)構(gòu)參數(shù)。紡織結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，即使疲勞實驗的外部條件相同，各試樣的疲勞表現(xiàn)也是不同的。利用數(shù)量化理論Ⅰ定量的分析紡織結(jié)構(gòu)參數(shù)與疲勞性能的關(guān)系，得出各參數(shù)對不同的疲勞性能表征指標(biāo)其貢獻(xiàn)率是不同的，組織結(jié)構(gòu)

8、、紗線支數(shù)以及紗線類型對SG管狀織物覆膜的疲勞性能影響有交互作用，因此在設(shè)計制作SG管狀織物覆膜時，應(yīng)針對不同的表征指標(biāo)來確定優(yōu)先考慮的因素。
　　 利用美國北卡州立大學(xué)的EnduraTec疲勞測試儀器分別對12種不同紡織結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括組織結(jié)構(gòu)，紗線支數(shù)，紗線類型)的腔內(nèi)隔絕術(shù)用人造血管織物覆膜試樣進(jìn)行了加速疲勞測試，通過文獻(xiàn)資料以及實驗確立了該儀器的測試條件，其測試壓力范圍為140mmHg～200mmHg，頻率為100Hz，測

9、試時間點分別為0，10月以及38.5月。同樣對其實驗結(jié)果進(jìn)行了分析討論并運用了數(shù)量化理論Ⅰ。針對得出的結(jié)果與自行設(shè)計制作的體外疲勞測試裝置FretsVP的實驗結(jié)果進(jìn)行了對比研究，管徑、經(jīng)緯密等參數(shù)在疲勞實驗前后都有不同程度的變化，兩組實驗結(jié)果的總體趨勢一致，即自制的疲勞測試裝置FrestVP與EnduraTec加速疲勞測試儀有相同的疲勞測試效果，且二者均可從某種意義上模擬或預(yù)測體內(nèi)人造血管或SG的疲勞變化過程。
　　 需要指出的

10、是，兩臺儀器之間性能不同以及所選擇的測試條件的不同，都會對試樣的疲勞表現(xiàn)有一定的影響，F(xiàn)retsVP為試樣提供脈動流動的流體，與人體真實環(huán)境相類似，且其頻率比較小，也即試樣在承受每一次脈動壓力之后，其回復(fù)時間相對比較長。而EnduraTec加速疲勞儀是通過試樣兩端的脈動疊加為試樣提供脈動壓力，液體并未形成連續(xù)的脈動流動，且其頻率為100Hz，每次脈動之后，試樣在未回復(fù)之前繼續(xù)承受下一次的脈動壓力。另外，疲勞測試時間對試樣的疲勞表現(xiàn)的影響

11、也很顯著，測試時間越長，則其疲勞表現(xiàn)越明顯。
　　 本文還利用FretsVP對腔內(nèi)隔絕術(shù)用人造血管移植物(支架和織物覆膜的結(jié)合體SG)進(jìn)行了疲勞測試，選擇的織物覆膜為經(jīng)緯紗規(guī)格為30d×20d/12f的3/1斜紋管狀織物，其管徑為8毫米，金屬支架材料選擇彈性超大的鎳鈦金屬絲，縫合線規(guī)格分別為3-0和5-0。測試時選擇的頻率為10Hz，壓力為100-120千帕(約為849-1019mmHg)。經(jīng)過一定時間的測試，試樣產(chǎn)生了破裂、散

12、邊等現(xiàn)象?？p合線規(guī)格不同，則試樣產(chǎn)生破壞的時間也不一樣，縫合線越粗的試樣越容易破壞。通過對試樣破壞形態(tài)的觀察推斷出試樣破壞可能的兩方面的原因，其一為脈動流在流過試樣時，管狀試樣承受的壓力降有所差異，流體入口處的壓力要大于出口處的壓力；其二為縫合線處的應(yīng)力集中。
　　 初步建立了紡織型人造血管體外評價體系，包括宏觀、介觀、微觀三個方面。分析了試樣在脈動壓的影響下其宏觀、介觀、微觀三個方面的疲勞過程及破壞情況，并分別建立了各自的表征

13、指標(biāo)。宏觀表征指標(biāo)可選擇試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度、頂破強(qiáng)度、管徑、厚度、織物經(jīng)緯密度、克重、孔隙率、水滲透性等參數(shù)在疲勞實驗前后的變化率。進(jìn)一步可對構(gòu)成管壁的介觀結(jié)構(gòu)的紗線和纖維單元以及微觀結(jié)構(gòu)的高聚物大分子構(gòu)象的變化進(jìn)行表征，選擇的主要特征指標(biāo)為纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度、斷裂功，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、溶解速率等參數(shù)在疲勞實驗前后的變化。為腔內(nèi)隔絕術(shù)用人造血管的疲勞破壞的深入研究奠定了一定的基礎(chǔ)。
　　 綜上所述，本文建立了紡織型人造血管體外仿生