血管的力学性质--第二次课

1、.,血管的力学性质,.,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,.,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。,.,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,粘弹性:Viscoelasticity 材料对应力的响应兼有弹性固体和粘性流体的双重特性称粘弹性。,各向异性:anisotropy 材料在

2、各方向的力学和物理性能呈现差异 的特性,.,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.,.,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

3、载荷伸长曲线,.,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：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（Plastic Deformation），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,.,上图所示为前

4、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,.,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低值，即可绘出松弛曲线。,.,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

5、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。,.,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 血管壁 内层内皮细胞、基质膜 中层弹性纤维、胶原纤维、平滑肌 外层松弛的结缔组织,决定了血管的力学性质,三种组分的比例,.,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。 (一)内膜： 1、内皮：单层扁平上皮。光镜结构：细胞核居中，有核的地方

6、稍微隆起，无核的地方很薄，呈梭形。,.,电镜结构：胞质内有丰富的吞饮小泡。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。,.,内皮细胞表面有胞质突起和细胞衣。 细胞间有紧密连接和缝隙连接。 胞质内有丰富的高尔基复合体，粗、滑面内质网。 有成束的微丝，具有收缩功能，调节血管通透性。,.,2、内皮下层：薄层结缔组织， 3、内弹性膜：由弹性蛋白组成，并有许多小孔，是内、中膜的分界。 （二）中膜： 因血管种类不同，它的厚度和成分也不一样。大A以弹性膜为主，中A以平滑肌为主，与内脏平滑肌相比，细且有分支。1、中A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。2、当平

7、滑肌向内膜迁移增生时，引起动脉硬化。,.,（三）外膜： 为疏松结缔组织，其中的弹性纤维和胶原纤维呈螺旋状或纵向分布，其中的成纤维细胞有修复膜的能力，有的A在中、外膜交界处可以看到由弹性纤维组成的外弹性膜。,.,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,.,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；（b）弹性蛋白纤维；（c）胶原纤维,.,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,.,二、各组分含量对

8、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,.,图,平滑肌含量：主动脉大动脉分置动脉,主动脉,小动脉,毛细血管,小静脉,静脉,内皮,弹性组织,平滑肌,纤维组织,主动脉的收缩舒张控制小动脉直径变化，甚至血管闭锁,局部供血不足,.,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。,.,弹性纤维、胶原纤维和平滑肌的应力伸长比,.,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,.,血管壁的张力,两部分组成 弹性张力 TE 平滑肌产生的主动张力 TA 弹性张力 周向张力 轴向张力

9、,.,动脉血管的顺应性,C = dv/dp 表示主动脉血管的可扩张能力 越远离心脏，顺应性越差,.,血管壁的粘弹性,应力松弛 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,.,三种组分应力松弛曲线,.,三种组分应力应变曲线,.,不 同 动 脉 应 力 松 弛.,.,人工血管,人工血管是以尼龙、涤纶、聚四氟乙稀（PTFE）等合成材料人工制造的血管代用品，适用于全身各处的血管转流术。,.,目前用机器编织的人工血管有两种： 一种是平织，又称机织； 织物纤维紧密，具有丰富的伸展性，多孔性细致而小，但其断端容易松散，呈毛刷状，质地坚硬、缝合困难。 另一种

10、是针织，又称线圈编织。 用纤维作线圈式编织，伸展性较差，多孔性大，质地柔软，其断端不易松散、缝合容易,最初用的材料为尼龙(Nylon)，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 乙烯，大多数使用的是针织人工血管。,.,人工血管的应用,（1） 动脉疾病：用替代或者架桥（血管旁路手术）的方式来来恢复血液的通路从而来治疗胸主动脉、腹主动脉、骼动脉等血管段。动脉疾病，如动脉栓塞或者动脉瘤。 （2） 静脉疾病：可以替代或者架桥（血管旁路手术）的方式来治疗静脉疾病，如布加氏综合症。 （3） 动静脉瘘：可以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脉和静脉，形成一条可反复穿刺的血液透析通路,.,新型人工血管,（1）碳涂层血管 可以显著显著提高血管开通率。均匀镶嵌于血管内壁的碳原子与血管壁有机的结合成一体，具有良好的生物相容性，与组织无反应。碳涂层微弱的负电荷排斥血小板在管壁的沉积，有效减少血栓形成机会；碳涂层不利于平滑肌细胞生长和播散，减少间质增生，可以显著显著提高血管开通率。,.,（2）蛋白或明胶涂层血管 由于一般合成人工血管的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面接上一层生物材料，以进一步提高其生物相容性，这就是生物混合型人工血管。一般所接的人工涂层包括以下几种： 白蛋白，可提高人工血管的抗凝性能