青年與老年頸總動脈力學(xué)特性對比分析

王秀玲　張繼波　李新穎

(長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院，吉林　長春　130025)

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青年與老年頸總動脈力學(xué)特性對比分析

王秀玲張繼波1李新穎2

(長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院，吉林長春130025)

〔摘要〕目的探討青年尸體頸總動脈和老年尸體頸總動脈的縱向拉伸力學(xué)特性及其與頸總動脈粥樣硬化的發(fā)病機制。方法隨機取青年頸總動脈組和老年頸總動脈組各15個試樣進行縱向拉伸實驗，隨機取青年頸總動脈組和老年頸總動脈組各1個試樣進行組織形態(tài)觀察。結(jié)果青年大腦中動脈組試樣縱向拉伸最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、彈性限度應(yīng)變大于老年頸總動脈組試樣(P<0.05),青年大腦中動脈組試樣的彈性模量值小于老年頸總動脈組試樣(P<0.05)。掃描電鏡觀察結(jié)果表明，青年大腦中動脈試樣肌細(xì)胞排列整齊、彈力膜完好，老年頸總動脈組試樣肌細(xì)胞增生活躍，部分彈力膜斷裂、排列紊亂。結(jié)論老年頸總動脈組試樣的組織形態(tài)和縱向拉伸力學(xué)特性發(fā)生了改變。

〔關(guān)鍵詞〕頸總動脈；縱向拉伸；力學(xué)特性

1吉林省東豐縣中醫(yī)院2吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院

第一作者：王秀玲(1976-)，女，副教授，主要從事機械工程與生物醫(yī)學(xué)工程研究。

頸動脈粥樣硬化(CAS)是引起缺血性腦卒中最重要的因素之一〔1〕。研究〔2～13〕，發(fā)現(xiàn)頸動脈內(nèi)膜中層厚度(IMT)約每10年增加0.04 mm,Bots等〔5〕研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)收縮壓增加10 mmHg時,IMT增加0.02 mm。學(xué)者們對人尸體和Sato等〔6〕對人頸總動脈進行了單向拉伸實驗與內(nèi)壓強實驗，得出了在低應(yīng)力區(qū)軸向力學(xué)性質(zhì)與應(yīng)變無關(guān)，在軸向壓力作用下，動脈壁軸向壓強越大，軸向變形越小的結(jié)論。Jackson 等〔7〕研究發(fā)現(xiàn)，縱向應(yīng)變對平滑肌細(xì)胞增殖可以起到刺激的作用，在手術(shù)后1 w后縱向應(yīng)變很快恢復(fù)到正常生理水平。Clerin等〔8〕復(fù)制血管體外器官模型，對小豬頸動脈進行縱向拉伸力學(xué)性能測試，當(dāng)施加50%的縱向拉伸應(yīng)變后發(fā)現(xiàn)，血管長度增加20%。Jackson 等〔9〕復(fù)制兔子頸動脈損傷模型，以異側(cè)移植的方法使頸動脈張力減小，研究發(fā)現(xiàn)，減少縱向拉應(yīng)力可導(dǎo)致動脈扭曲、血管組織重建?？v向張力的大小對動脈損傷移植具有重要影響。以往頸總動脈的力學(xué)特性研究，主要以正常人尸體和動物頸總動脈居多。中國人新鮮尸體頸總動脈和老齡新鮮尸體頸總動脈縱向拉伸研究罕見報道。近年來，有學(xué)者提出，血管拉伸是血管再生和制造人工血管的一種手段〔10～12〕。有研究認(rèn)為，瞬時快速拉伸實驗會導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞脫落，使血管內(nèi)彈力膜受到損傷〔8〕。有學(xué)者認(rèn)為血管拉伸是一種較好的拉伸方式〔13〕,在單向拉應(yīng)力力作用下血管的力學(xué)特性有著重要的臨床意義。本文對正常國人新鮮尸體頸總動脈和老齡尸體頸總動脈進行單向拉伸實驗，對比分析青年新鮮尸體頸總動脈和老齡尸體頸總動脈的拉伸力學(xué)性質(zhì)，為研究動脈粥樣硬化、腦梗死的發(fā)病機制提供生物力學(xué)基礎(chǔ)。

1材料和方法

1.1材料青年尸體頸總動脈取自正常國人新鮮成年男性尸體10具，年齡22～25歲，老年尸體頸總動脈取自男性尸體10具，年齡65～70歲，老年尸體生前均具有高血壓和動脈粥樣硬化病史。由吉林大學(xué)醫(yī)學(xué)部提供。人死亡后24 h內(nèi)解剖尸體取出頸動脈標(biāo)本，將標(biāo)本置于生理鹽水中備用。標(biāo)本的使用到吉林大學(xué)醫(yī)學(xué)部用倫理道德委員會批準(zhǔn)。

1.2頸動脈試樣的制備青年組和老年組頸總動脈標(biāo)本各20個存放1 d后進行拉伸實驗。以無菌塑柄手術(shù)刀切取長15 mm的頸總動脈近段同一部位各20個試樣用做拉伸試驗。在老齡組和青年組頸總動脈分叉部位各取長5 mm試樣一條用做組織形態(tài)觀察。

1.3方法

1.3.1青年與老年頸總動脈拉伸實驗方法以長春試驗機研究所生產(chǎn)的Css4410型自動控制電子萬能試驗,對青年與老年頸總動脈進行拉伸實驗。以長春市第三光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的讀數(shù)顯微鏡測量各組試樣的長度和直徑，頸總動脈試樣長15 mm、壁厚1.19～1.21 mm、內(nèi)徑為6.5～6.8 mm、外徑為8.89～9.12 mm。首先按參考文獻〔14〕的方法分別對每個試樣進行預(yù)調(diào)處理。分別將青年組和老年組頸總動脈試樣裝夾在電子萬能試驗機的拉伸夾具內(nèi)，以0.5 mm/min的實驗速度分別對青年與老年頸總動脈試樣進行拉伸實驗，為使試樣保持一定的濕度，在實拉伸驗中不斷地向試樣淋生理鹽水。試樣破壞后，打印機自動打印出頸總動脈試樣的實驗數(shù)據(jù)。

1.3.2掃描電鏡觀察頸總動脈組織橫斷面的超微結(jié)構(gòu)方法隨機選取青年組和老年組頸總動脈各1 條坐，均修剪為5 mm的小段，4%戊二醛前固定，1%鋨酸后固定，丙酮梯度脫水，臨界點干燥，真空噴金鍍膜，場發(fā)射掃描電鏡(LEO，Schwerte Germany)下觀察管壁組織形態(tài)。

2結(jié)果

2.1兩組頸總動脈試樣縱向拉伸實驗結(jié)果青年頸總動脈組試樣縱向拉伸最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、彈性限度應(yīng)變大于老年頸總動脈組試樣(P<0.05),青年頸總動脈組試樣應(yīng)力為13.3 kPa、16.0 kPa、22.5 kPa時的彈性模量值小于老年頸總動脈組試樣差異顯著(P<0.05)。當(dāng)應(yīng)力為16.0 kPa時，兩組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈指數(shù)關(guān)系,青年頸總動脈組試樣的應(yīng)力、應(yīng)變大于老年頸總動脈組。當(dāng)應(yīng)力超過16.0 kPa后，青年頸總動脈脈組、老年頸總動脈組試樣試樣應(yīng)變上升較快，隨著應(yīng)力的不斷增加應(yīng)變曲線斜率增加,應(yīng)力應(yīng)變不成比例關(guān)系變化,持續(xù)的加載使管壁的變形增加，直到試樣破壞。

圖1　青老年頸總動脈組試樣縱向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2青、老年頸總動脈組試樣應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)關(guān)系表達式的建立青年頸總動脈組、老年頸總動脈組試樣應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)關(guān)系表達式如下：青年頸總動脈組：σε=0.000 0e5-0.005 1 e4+0.880 3e3+ 2.636 1e2；老年頸總動脈組：σε=-0.000 0e5+0.005 4e4+0.793 0e3+5.109 3e2

2.3青、老年頸總動脈組試樣縱斷面組織學(xué)分析結(jié)果老年頸總動脈組內(nèi)膜下有大量平滑肌細(xì)胞(SMC)增生,可見到脂質(zhì)斑塊，內(nèi)膜明顯增厚,管壁內(nèi)彈力層和中彈力板變性、管壁內(nèi)彈力層和中彈力板有斷裂和崩解現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)管壁內(nèi)膜和中膜大量的斑快和炎細(xì)胞浸潤,組織形態(tài)具有動脈粥樣硬化的特征。青年組頸總動脈管壁內(nèi)膜光滑,管壁各層結(jié)構(gòu)無異常,未見動脈粥樣硬化斑塊。

青年組

老年組

3討論

本實驗說明頸總動脈內(nèi)原來存在的膨脹壓力比局部壓力小，水分溢出的速度快，隨著時間的增加，頸總動脈內(nèi)液不間斷流出，原來存在的膨脹壓與局部壓力均減小，所以后實驗期應(yīng)變變化緩慢。頸總動脈在應(yīng)力的作用下，應(yīng)力的升高，變形不急劇升高，而變化緩慢，這種固有的特性可使在應(yīng)急情況下，當(dāng)血壓升高時腦動脈無異常，也無任何臨床癥狀，起著保護的作用。

腦動脈壁的彈性成分主要包括膠原纖維、平滑肌纖維和彈力纖維〔15〕。動脈粥樣硬化對頸總動脈的僵硬度會造成影響,可能和周圍組織的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)系〔16，17〕。 血壓和年齡都是動脈順應(yīng)性減低的風(fēng)險因子〔18〕。分析認(rèn)為，老年組頸總動脈組由于動脈粥樣硬化使血管的彈性纖維的含量和排列方向發(fā)生改變，所以其彈性和韌性降低，提高了彈性模量，增加了管壁的硬度。

長期的高血壓，在長期高應(yīng)力作用使老年頸總動脈的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，造成血管功能發(fā)生了改變,使動脈順應(yīng)性降低，血管壁的力學(xué)特性發(fā)生了改變，在腦卒中發(fā)病患者，由于缺血造成腦卒中的患病率超過80%〔19〕。顱外CAS是缺血性腦血管病發(fā)病的危險因素〔20～23〕。CAS性斑塊引起腦卒中的發(fā)病率約20%～25%，CAS與腦梗死關(guān)系十分密切，本實驗結(jié)果支持血管壁力學(xué)特性的改變是動脈粥樣硬化和腦梗死的發(fā)病機制之一的觀點。

以往大腦中動脈的力學(xué)特性研究，主要以正常人尸體和動物頸總動脈一維縱向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系居多，縱向拉伸實驗的實驗速度高于0.5 mm/min，本實驗與以往研究不同為研究動脈粥樣硬化和腦梗死的發(fā)病機制提供了生物力學(xué)基礎(chǔ)。

4參考文獻

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〔2015-02-11修回〕

(編輯袁左鳴/滕欣航)

通訊作者：李新穎(1974-)，女，副主任醫(yī)師，主要從事超聲醫(yī)學(xué)與生物力學(xué)研究。

基金項目：吉林省科技發(fā)展計劃資助項目(No.20110492)

〔中圖分類號〕R318.01

〔文獻標(biāo)識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202(2015)22-6513-03；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.22.096