腔内隔绝术用人造血管体外疲劳耐久性能及仿生疲劳仪的设计

1、腔内隔绝术用人造血管体外疲劳耐久性能及仿生疲劳仪的设计    由动脉硬化、动脉内壁脂肪沉积、肥胖、高血压以及先天性缺陷、遗传、血液动力学和生物机械力学因素而导致的动脉扩张疾病严重影响着人类的健康。动脉扩张虽然不是恶性肿瘤疾病,但随着瘤体的不断膨胀扩大,逐渐变薄并退化的瘤壁最终破裂,导致急骤的大出血而致病人死亡。治疗这种疾病的方法有两种,即传统的开刀手术和微创的治疗方法。用于微创治疗的腔内隔绝术用人造血管在(Endovascularprosthesis,也叫Stent graft(SG)植入人体以后,不断因疲劳破坏而导致整个治疗的失败,因此对腔内隔绝术用人

2、造血管体外疲劳破坏性能的考察和预测非常重要。本论文研究腔内隔绝术用人造血管(SG)的体外疲劳性能,也即耐久性能,耐久性描述移植物植入体内后(在经受环境应力后)维持其物理结构的能力。国内外在研究腔内隔绝术用人造血管疲劳性能方面存在很多空白,如用来进行疲劳实验的仪器原理上没有完全仿生,与人体真实环境尚有一定距离;至今没有系统的研究腔内隔绝术用人造血管疲劳性能的报道;对腔内隔绝术用人造血管疲劳的机理尚不明确;系统的体外疲劳表征体系及研究方法尚未建立等等。因此本论文针对本领域的现状和存在的问题,自行设计制作了人造血管体外仿生疲劳测试装置(Fatigue resistance testing syste

3、m forvascular prostheses,简称FretsVP)。该装置根据人体血管系统的原理设计完成,包括温控加热装置、电子蠕动泵、试样安装架、导流硅胶管、限流器以及压力测试装置等6个主要部分,其中电子蠕动泵的转子相当于人体心血管系统的心室,电子蠕动泵的辊子相当于人体心血管系统的主动脉瓣和二尖瓣,温控加热装置相当于静脉和心房,装置中的试样以及导流硅胶管相当于主动脉和大动脉,毛细血管的作用由装置的系统阻力来完成。该装置较好的解决了现有纺织基人造血管的疲劳性能仿生测试装置及其测试方法仿真性不强的技术问题,已申请国家发明专利,公开号是CN101105435。该研究初步确立了疲劳测试的宏观表征

4、指标,用试样的管径、经纬密度、厚度、克重、孔隙率、水渗透性在疲劳实验前后的变化率来表征试样的宏观疲劳。同时通过实验对疲劳测试装置进行了初步检验,确立了该装置的测试方法,并验证了其测试效果,实验发现试样在该装置上的疲劳表现与动物实验结果有一定的相似性,用其来进行疲劳实验比较可靠。通过对装置系统误差及随机误差的分析,进一步完善了该装置的测试方法及测试步骤,并提出了实验时的注意事项。根据表征指标及疲劳破坏条件确定了样品的尺寸及测试时间。同时系统地考察了装置不同的频率、脉动压力以及实验时间对疲劳性能的影响,由统计方法得出该系统的最优测试参数,即选择的频率为10Hz,压力为450mmHg,实验时间点分别

5、是0,24,38小时。用以上实验条件对12种不同纺织结构参数(包括组织结构,纱线支数,纱线类型)的腔内隔绝术用人造血管织物覆膜试样进行了加速疲劳测试,试样的管径、经纬密度、孔隙率、水渗透性等在实验后都有了不同程度的变化,也即试样确实经历了疲劳过程。分析认为,疲劳是在持续的脉动压力影响下由于织物中能量的变化而引起的。为了达到能量新的平衡,织物中的纱线会不断移动,达到结构重组的目的,疲劳也因此而表现出来。通过实验结果及分析得出,影响试样疲劳性能的因素不仅包括测试频率、试样承受的压力以及测试时间,还包括试样本身的纺织结构参数。纺织结构参数不同,即使疲劳实验的外部条件相同,各试样的疲劳表现也是不同的。

6、利用数量化理论定量的分析纺织结构参数与疲劳性能的关系,得出各参数对不同的疲劳性能表征指标其贡献率是不同的,组织结构、纱线支数以及纱线类型对SG管状织物覆膜的疲劳性能影响有交互作用,因此在设计制作SG管状织物覆膜时,应针对不同的表征指标来确定优先考虑的因素。利用美国北卡州立大学的EnduraTec疲劳测试仪器分别对12种不同纺织结构参数(包括组织结构,纱线支数,纱线类型)的腔内隔绝术用人造血管织物覆膜试样进行了加速疲劳测试,通过文献资料以及实验确立了该仪器的测试条件,其测试压力范围为140mmHg200mmHg,频率为100Hz,测试时间点分别为0,10月以及38.5月。同样对其实验结果进行了分

7、析讨论并运用了数量化理论。针对得出的结果与自行设计制作的体外疲劳测试装置FretsVP的实验结果进行了对比研究,管径、经纬密等参数在疲劳实验前后都有不同程度的变化,两组实验结果的总体趋势一致,即自制的疲劳测试装置FrestVP与EnduraTec加速疲劳测试仪有相同的疲劳测试效果,且二者均可从某种意义上模拟或预测体内人造血管或SG的疲劳变化过程。需要指出的是,两台仪器之间性能不同以及所选择的测试条件的不同,都会对试样的疲劳表现有一定的影响,FretsVP为试样提供脉动流动的流体,与人体真实环境相类似,且其频率比较小,也即试样在承受每一次脉动压力之后,其回复时间相对比较长。而EnduraTec加

8、速疲劳仪是通过试样两端的脉动叠加为试样提供脉动压力,液体并未形成连续的脉动流动,且其频率为100Hz,每次脉动之后,试样在未回复之前继续承受下一次的脉动压力。另外,疲劳测试时间对试样的疲劳表现的影响也很显著,测试时间越长,则其疲劳表现越明显。本文还利用FretsVP对腔内隔绝术用人造血管移植物(支架和织物覆膜的结合体SG)进行了疲劳测试,选择的织物覆膜为经纬纱规格为30d×20d/12f的3/1斜纹管状织物,其管径为8毫米,金属支架材料选择弹性超大的镍钛金属丝,缝合线规格分别为3-0和5-0。测试时选择的频率为10Hz,压力为100-120千帕(约为849-1019mmHg)。经过一

9、定时间的测试,试样产生了破裂、散边等现象。缝合线规格不同,则试样产生破坏的时间也不一样,缝合线越粗的试样越容易破坏。通过对试样破坏形态的观察推断出试样破坏可能的两方面的原因,其一为脉动流在流过试样时,管状试样承受的压力降有所差异,流体入口处的压力要大于出口处的压力;其二为缝合线处的应力集中。初步建立了纺织型人造血管体外评价体系,包括宏观、介观、微观三个方面。分析了试样在脉动压的影响下其宏观、介观、微观三个方面的疲劳过程及破坏情况,并分别建立了各自的表征指标。宏观表征指标可选择试样的拉伸断裂强度、顶破强度、管径、厚度、织物经纬密度、克重、孔隙率、水渗透性等参数在疲劳实验前后的变化率。进一步可对构

10、成管壁的介观结构的纱线和纤维单元以及微观结构的高聚物大分子构象的变化进行表征,选择的主要特征指标为纤维的拉伸断裂强度、断裂功,玻璃化转变温度、溶解速率等参数在疲劳实验前后的变化。为腔内隔绝术用人造血管的疲劳破坏的深入研究奠定了一定的基础。综上所述,本文建立了纺织型人造血管体外仿生疲劳测试装置,确立了该装置的测试方法,并初步建立了疲劳表征指标和纺织型人造血管体外疲劳评价体系,同时得出纺织结构参数与试样疲劳性能的关系。对腔内隔绝术用人造血管纺织结构的优化设计具有指导意义,也为纺织型人造血管疲劳研究领域填补了空白,为今后此领域的相关研究奠定了一定的基础。同主题文章1.  

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