血管的力学性质--第二次课[稻谷书苑]

1、血管的力学性质 1知识书苑 软组织的力学特性 1.单向拉伸试验 血管的力学特性 1.血管壁的结构 2.血管的力学性质 3.动脉的顺应性 2知识书苑 软组织的力学特性 血管壁属于生物软组织，其最大的特点就血管壁属于生物软组织，其最大的特点就 是具有粘弹性是具有粘弹性 一般生物软组织的特点： 柔软易变形； 具有不同程度的抗拉强度； 而抗压及抗弯曲的能力很低； 生物组织都极具黏弹性； 其变形与时间有很强的依赖关系。 3知识书苑 生物组织材料还具有很高的非线性性质,以力 学的观点看问题,它们都是非线性黏弹性的, 各向异性的,非均质的材料 u粘弹性:Viscoelasticity 材料对应力的响应兼有弹

2、性固体和粘性流 体的双重特性称粘弹性。 u各向异性:anisotropy 材料在各方向的力学和物理性能呈现差异 的特性 4知识书苑 1.单向拉伸实验 从力学观点来看,如果已知道软组织的本构方程 (constitutive equations),即应力与变形,温度等的关系 ,就可求出软组织在各种载荷下的力学响应(mechanical response).而材料的本构方程只能通过实验来建立. 对软组织能做的最简单的实验就是单向拉伸实验.根据实 验可推出单向拉伸情况下材料的应力-应变关系. 5知识书苑 曲线分成三部分, O到A:”足趾区”,通常是组织正常工作的生理区间,随 着伸长的增大,载荷成指数增

3、加. A到B:呈较好的线性关系. B到C:呈非线性关系. 其中A到C称为储备强度 恒速拉伸下，兔腿腱的载荷伸长曲线 6知识书苑 软组织由于其材料的网状结构特点及其非均匀性,在 每次加载循环下的载荷-变形曲线都不相同。 如果软组织在有限的应变速度下加载，然后使其长度 保持不变，就会出现应力松弛现象。 应力松弛应力松弛：材料在高温和应力作用下，如维持总变形 量不变，则随着时间的延长，弹性变形逐渐转变为塑性变 形，从而逐渐使应力减小的现象。即：当物体突然发生应 变时，若应变保持一定，则相应的应力将随时间的增加而 下降，这种现象成为应力松弛。 塑性变形塑性变形（Plastic Deformation）

4、，是物质-包括流体 及固体在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施 加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现 象 7知识书苑 上图所示为前十字形韧带与处理时的载荷-伸长曲线和松弛曲线。 前十字韧带的预处理 8知识书苑 从图中可见在最初的三次连续实验中，应力-应变曲 线右移，“足趾”区增加。前三次的松弛曲线则上移。如 果实验一直进行下去，相邻曲线之间的差异将不断减小， 到消失。这就是式样的预处理。只有这样，才能得到重复 性好的数据。 应力松弛试验一般采用圆柱形试样，在一定的温度 下进行拉伸加载，以后随着时间的推移，由自动减载机构 卸掉部分载荷以保持总变形量不变，测定应力随时间的降

5、低值，即可绘出松弛曲线。 9知识书苑 血管的力学特性血管的力学特性 血管也是一种软组织，其应力-应变关系呈现非线性 性质。与其它生物软组织一样，对血管进行力学测试需首 先对其进行预处理。 近些年来，由于有关技术的发展及解决大量的实际问 题的需要，对于血管的力学特性的研究取得了很大进展。 例如，对人造血管和人造器官的优化设计，必须详细了解 血管的构造和其力学性质； 血管的力学性质研究的意义：不仅是血液流动理论的 基础，还与一些严重威胁人类健康的心血管病，如动脉粥 样硬化有直接的关系。 10知识书苑 血管组成的材料、结构和力学性质血管组成的材料、结构和力学性质 结构为多层复合、中空的管道结构为多层

6、复合、中空的管道 血管壁血管壁 内层内层内皮细胞、基质膜内皮细胞、基质膜 中层中层弹性纤维、胶原纤维、平滑肌弹性纤维、胶原纤维、平滑肌 外层外层松弛的结缔组织松弛的结缔组织 决定了血管的力学性质决定了血管的力学性质三种组分的比例三种组分的比例 11知识书苑 一、血管壁的组成和一般结构：一、血管壁的组成和一般结构： 血管壁从内向外分为内、中、外膜。血管壁从内向外分为内、中、外膜。 (一一)内膜：内膜： 1、内皮：单层扁平上皮。、内皮：单层扁平上皮。 光镜结构光镜结构：细胞核居中，有核的地方稍微隆起，无核的地方很：细胞核居中，有核的地方稍微隆起，无核的地方很 薄，呈梭形。薄，呈梭形。 12知识书苑

7、 电镜结构电镜结构： 胞质内有丰富的胞质内有丰富的吞饮小泡吞饮小泡。小泡由细胞游离面或基底面的细胞。小泡由细胞游离面或基底面的细胞 膜内凹形成，有向血管内外输送物质的作用。膜内凹形成，有向血管内外输送物质的作用。 13知识书苑 内皮细胞表面有胞质突内皮细胞表面有胞质突 起和细胞衣。起和细胞衣。 细胞间有紧密连接和缝细胞间有紧密连接和缝 隙连接。隙连接。 胞质内有丰富的高尔基胞质内有丰富的高尔基 复合体，粗、滑面内质网。复合体，粗、滑面内质网。 有成束的微丝，具有收有成束的微丝，具有收 缩功能，调节血管通透性。缩功能，调节血管通透性。 14知识书苑 2 2、内皮下层：薄层结缔组织，、内皮下层：薄

8、层结缔组织， 3 3、内弹性膜：由弹性蛋白组成，并有、内弹性膜：由弹性蛋白组成，并有 许多小孔，是内、中膜的分界。许多小孔，是内、中膜的分界。 （二）中膜：（二）中膜： 因血管种类不同，它的厚度和成分也不因血管种类不同，它的厚度和成分也不 一样。大一样。大A A以弹性膜为主，中以弹性膜为主，中A A以平滑肌以平滑肌 为主，与内脏平滑肌相比，细且有分支为主，与内脏平滑肌相比，细且有分支 。 1 1、中、中A A的平滑肌类似于成纤维细胞，可的平滑肌类似于成纤维细胞，可 以产生胶原纤维、弹性纤维和基质。以产生胶原纤维、弹性纤维和基质。 2 2、当平滑肌向内膜迁移增生时，引起、当平滑肌向内膜迁移增生时

9、，引起 动脉硬化。动脉硬化。 15知识书苑 （三）外膜：（三）外膜： 为疏松结缔组织，其中为疏松结缔组织，其中 的弹性纤维和胶原纤维的弹性纤维和胶原纤维 呈螺旋状或纵向分布，呈螺旋状或纵向分布， 其中的成纤维细胞有修其中的成纤维细胞有修 复膜的能力，有的复膜的能力，有的A A在中在中 、外膜交界处可以看到、外膜交界处可以看到 由弹性纤维组成的外弹由弹性纤维组成的外弹 性膜。性膜。 16知识书苑 弹性纤维、胶原纤维、平滑肌的空间结构 弹性纤维-存在裂隙 胶原纤维-皱成波纹状网络 平滑肌-螺旋状结构 平滑肌弹性纤维胶原纤维 17知识书苑 血管壁内弹性纤维、胶原纤维和平滑肌构造示意图 （a）平滑肌；

10、（b）弹性蛋白纤维；（c）胶原纤维 18知识书苑 胶原纤维 皱成波纹状网络 血管一般扩张压 不伸展 血管扩张一定程度 伸展到原有长度 产生张力 继续扩张 产生极大张力 阻碍血管进一步扩张 19知识书苑 二、各组分含量对血管力学性质的影响 动脉血管壁中弹性纤维和胶原纤维含量的百分比 20知识书苑 图图 平滑肌含量：主动脉平滑肌含量：主动脉大动脉大动脉分置动脉分置动脉 主动脉主动脉 小动脉小动脉 毛细血毛细血 管管 小静脉小静脉 静脉静脉 内内 皮皮 弹性组弹性组 织织 平滑平滑 肌肌 纤维组纤维组 织织 主动脉的收缩主动脉的收缩 舒张控制小动舒张控制小动 脉直径变化，脉直径变化， 甚至血管闭锁甚

11、至血管闭锁 局部供血不足局部供血不足 21知识书苑 研究血管拉伸的力学性质有重要的临床意义。弹性纤维 、胶原纤维和平滑肌的拉伸应力、应变关系、应力松弛以 及拉伸弹性模量和抗张强度都不同。 22知识书苑 弹性纤维、胶原纤维和平滑肌的应力伸长比 23知识书苑 弹性纤维 胶原纤维 平滑肌 弹性纤维、胶原纤维和平滑肌的应力松弛曲线 24知识书苑 血管壁的张力血管壁的张力 两部分组成两部分组成 弹性张力弹性张力 TE 平滑肌产生的主动张力平滑肌产生的主动张力 TA 弹性张力弹性张力 周向张力周向张力 轴向张力轴向张力 25知识书苑 动脉血管的顺应性动脉血管的顺应性 C = dv/dp 表示主动脉血管的可

12、扩张能力表示主动脉血管的可扩张能力 越远离心脏，顺应性越差越远离心脏，顺应性越差 26知识书苑 血管壁的粘弹性血管壁的粘弹性 应力松弛应力松弛 蠕变：蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下， 应变随时间延长而增加的现象。 滞后环：弹性滞后的封闭曲线滞后环：弹性滞后的封闭曲线 27知识书苑 三种组分应力松弛曲线三种组分应力松弛曲线 28知识书苑 三种组分应力应变曲线三种组分应力应变曲线 29知识书苑 不不 同同 动动 脉脉 应应 力力 松松 弛弛. 30知识书苑 人工血管人工血管 人工血管是以尼龙、人工血管是以尼龙、 涤纶、聚四氟乙稀涤纶、聚四氟乙稀 （PTFE）等合成材料）等合成材料 人工制造的

13、血管代用人工制造的血管代用 品，适用于全身各处品，适用于全身各处 的血管转流术。的血管转流术。 31知识书苑 目前用机器编织的人工血目前用机器编织的人工血 管有两种：管有两种： 一种是平织一种是平织，又称机织；，又称机织； 织物纤维紧密，具有丰富的织物纤维紧密，具有丰富的 伸展性，多孔性细致而小，伸展性，多孔性细致而小， 但其断端容易松散，呈毛刷但其断端容易松散，呈毛刷 状，质地坚硬、缝合困难。状，质地坚硬、缝合困难。 另一种是另一种是针织针织，又称线圈，又称线圈 编织。编织。 用纤维作线圈式编织，伸展用纤维作线圈式编织，伸展 性较差，多孔性大，质地柔性较差，多孔性大，质地柔 软，其断端不易松

14、散、缝合软，其断端不易松散、缝合 容易容易 最初用的材料为尼龙最初用的材料为尼龙(Nylon)，后因其稳定性差，在机体内被破坏，后因其稳定性差，在机体内被破坏， 缺点很多因而废弃。目前普遍应用的人工血管材料为聚酯及聚四氟缺点很多因而废弃。目前普遍应用的人工血管材料为聚酯及聚四氟 乙烯，大多数使用的是针织人工血管。乙烯，大多数使用的是针织人工血管。 32知识书苑 人工血管的应用人工血管的应用 （1） 动脉疾病：用替代动脉疾病：用替代 或者架桥（血管旁路手术）的或者架桥（血管旁路手术）的 方式来来恢复血液的通路从而方式来来恢复血液的通路从而 来治疗胸主动脉、腹主动脉、来治疗胸主动脉、腹主动脉、 骼

15、动脉等血管段。动脉疾病，骼动脉等血管段。动脉疾病， 如动脉栓塞或者动脉瘤。如动脉栓塞或者动脉瘤。 （2） 静脉疾病：可以替静脉疾病：可以替 代或者架桥（血管旁路手术）代或者架桥（血管旁路手术） 的方式来治疗静脉疾病，如布的方式来治疗静脉疾病，如布 加氏综合症。加氏综合症。 （3） 动静脉瘘：可以动静脉瘘：可以 运用在慢性肾病的血液透析过运用在慢性肾病的血液透析过 程中，在四肢部分连接自身动程中，在四肢部分连接自身动 脉和静脉，形成一条可反复穿脉和静脉，形成一条可反复穿 刺的血液透析通路刺的血液透析通路 33知识书苑 新型人工血管新型人工血管 （1）碳涂层血管）碳涂层血管 可以显著显著提高血可以

16、显著显著提高血 管开通率。均匀镶嵌于血管开通率。均匀镶嵌于血 管内壁的碳原子与血管壁管内壁的碳原子与血管壁 有机的结合成一体，具有有机的结合成一体，具有 良好的生物相容性，与组良好的生物相容性，与组 织无反应。碳涂层微弱的织无反应。碳涂层微弱的 负电荷排斥血小板在管壁负电荷排斥血小板在管壁 的沉积，有效减少血栓形的沉积，有效减少血栓形 成机会；碳涂层不利于平成机会；碳涂层不利于平 滑肌细胞生长和播散，减滑肌细胞生长和播散，减 少间质增生，可以显著显少间质增生，可以显著显 著提高血管开通率。著提高血管开通率。 34知识书苑 （2）蛋白或明胶涂层血管）蛋白或明胶涂层血管 由于一般合成人工血管的由于一般合成人工血管的 生物相容性尚未达到理想状态，生物相容性尚未达到理想状态， 所以可以在这些高分子材料表所以可以在这些高分子材料表 面接上一层生物材料，以进一面接上一层生物材料，以进一 步提高其生物相容性，这就是步提高其生物相容性，这就是 生物混合型人工血管。一般所生物混合型人工血管。一般所 接的人工涂层包括以下几种：接的人工涂层包括以下几种： 白蛋白白蛋白，可提高人工血管的抗，可提高人工血管的抗 凝性能；凝性能； 纤维连接蛋白纤维连接蛋白，可促进内膜形，可促进内膜形 成，进而抑制凝血的发生；成，进而抑制凝血的发生； 胶原蛋白胶原蛋白，能促进内膜形成，能促进内膜形成， 防止凝血发生，还