動(dòng)態(tài)流變學(xué)評(píng)價(jià)血栓的力學(xué)特性

楊 磊， 王洪瑞， 王中陽(yáng)， 剛芹果， 王光磊， 李 艷

介入機(jī)械取栓成為臨床治療心血管疾病的主要選擇及研究熱點(diǎn)［1］。介入手術(shù)過(guò)程中通常根據(jù)二維影像和臨床判斷選擇介入導(dǎo)絲（Pilot系列、Cross IT 系列、Conquest系列）和導(dǎo)管［2］，忽略了血栓生物力學(xué)特性（黏度、動(dòng)態(tài)模量）。然而，介入取栓過(guò)程中血栓離析和重新凝結(jié)會(huì)導(dǎo)致患者突然死亡，這與其生物力學(xué)特性，尤其是流變學(xué)性質(zhì)有著緊密聯(lián)系［3］。近年許多學(xué)者對(duì)血栓進(jìn)行研究，但僅基于血栓模型或動(dòng)物血栓，缺乏對(duì)人體不同成因血栓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和血栓生物力學(xué)特性研究［4-6］。一般通過(guò)彈性試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)比較血栓模型機(jī)械力學(xué)性能（回復(fù)度數(shù)、最大拉伸長(zhǎng)度），測(cè)試方法較為簡(jiǎn)單，相較于動(dòng)態(tài)分析儀缺乏客觀性［7-10］。雖然已有血栓生物力學(xué)屬性相關(guān)研究，但缺乏對(duì)其流變學(xué)性質(zhì)研究，缺乏對(duì)不同血栓性質(zhì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。血栓生物力學(xué)性質(zhì)研究有助于輔助臨床醫(yī)師選擇合適介入器材，提高介入手術(shù)成功率，為治療心血管疾病病理研究提供更為科學(xué)、準(zhǔn)確的血栓生物力學(xué)模型數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

2017年6月至12月，與河北大學(xué)附屬醫(yī)院介入血管外科醫(yī)師合作，獲取4例手術(shù)取栓后離體1 h真實(shí)血栓樣本?；颊?，男60歲，順利開通左頸動(dòng)脈、椎動(dòng)脈伴腹主動(dòng)脈閉塞，血栓不太完整（圖1①），臨床分析無(wú)非血栓性；患者2，男57歲，開通基底動(dòng)脈遠(yuǎn)端閉塞血管，血栓較為完整（圖1②），臨床分析無(wú)非血栓性；患者3，男65歲，開通左頸內(nèi)動(dòng)脈起始部閉塞和遠(yuǎn)端栓塞，血栓較為完整，臨床分析無(wú)非血栓性；患者4，男63歲，開通右大腦中動(dòng)脈閉塞血管，血栓較為完整，臨床分析無(wú)非血栓性?；颊?、2、3為鈣化血栓，患者4為非鈣化血栓。實(shí)驗(yàn)儀器和試劑包括MCR301型旋轉(zhuǎn)流變儀（圖1③，奧地利Anton Paar公司）、無(wú)水乙醇（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司）、4%甲醛（浙江金華同和生物技術(shù)公司）。

圖1 流變儀與血栓樣本

以MCR301型旋轉(zhuǎn)流變儀為平臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)血栓的流變學(xué)實(shí)驗(yàn)，采用穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)流變學(xué)計(jì)算血栓的生物力學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)標(biāo)本為新鮮的鈣化血栓和非鈣化血栓，恒溫箱中保存軟組織活性。實(shí)驗(yàn)前取出4%甲醛浸泡的血栓標(biāo)本，置于檢測(cè)板上，采用CP25錐板進(jìn)行檢測(cè)；通過(guò)RheoCompass軟件設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)（溫度、剪切速率、應(yīng)力等），實(shí)驗(yàn)獲得流變學(xué)曲線。

1.2 血栓穩(wěn)態(tài)流變性測(cè)定

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簷z測(cè)血栓黏度隨剪切速率的變化，反映血栓流變特性。實(shí)驗(yàn)條件：溫度37℃條件下，對(duì)血栓進(jìn)行速率掃描。實(shí)驗(yàn)方法：剪切速率變化范圍自 1 s-1至 100 s-1，再自 100 s-1至 1 s-1；測(cè)得血栓黏度η隨剪切速率的變化，考察血栓非牛頓力學(xué)性質(zhì)。

1.3 血栓動(dòng)態(tài)流變性測(cè)定

實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊唬簷z測(cè)血栓動(dòng)態(tài)模量隨頻率的變化，反映血栓在不同頻率下動(dòng)態(tài)模量特性。實(shí)驗(yàn)條件：溫度37℃下，先固定角頻率為10 rad/s進(jìn)行應(yīng)變掃描，確定血栓線性黏彈區(qū)；取線性黏彈區(qū)1%作為應(yīng)變值。實(shí)驗(yàn)方法：對(duì)血栓進(jìn)行頻率掃描，掃描頻率范圍為1～100 Hz；測(cè)得血栓存儲(chǔ)模量G'、損耗模量G”和動(dòng)態(tài)黏度η隨頻率ω的變化，考察血栓在不同頻段的物理屬性。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩簷z測(cè)血栓在恒定溫度37℃下儲(chǔ)能模量和損耗模量隨時(shí)間的變化，反映血栓動(dòng)態(tài)模量穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)條件：固定剪切速率，設(shè)置恒定溫度37℃。實(shí)驗(yàn)方法：進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量掃描，溫度不變，每間歇30 s進(jìn)行一次掃描；測(cè)得血栓彈性G模量隨時(shí)間T的變化，考察血栓隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果

2.1 不同頻率下動(dòng)態(tài)模量特性

血栓動(dòng)態(tài)模量隨頻率變化的實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖，表征了鈣化血栓和非鈣化血栓在不同頻率下動(dòng)態(tài)模量特性（圖2）。從檢測(cè)結(jié)果可分析出，鈣化斑塊在低頻和高頻段儲(chǔ)能模量G’與損耗模量G”差值較小，在中頻段儲(chǔ)能模量G’變化較小，損耗模量G”出現(xiàn)較大波動(dòng)，G’與G”差值變化較大，在個(gè)別頻段儲(chǔ)能模量和損耗模量出現(xiàn)逼近或遠(yuǎn)離趨勢(shì)；頻率變化過(guò)程中儲(chǔ)能模量G’和損耗模量G”雖均有變化，損耗模量變化較大，但儲(chǔ)能模量G’＞損耗模量G”，血栓一直表征固態(tài)性質(zhì)，且狀態(tài)穩(wěn)定。非鈣化斑塊離體2 h后檢測(cè)顯示，低頻段儲(chǔ)能模量G’和損耗模量G”有明顯差距且G’＞G”，血栓呈固態(tài)性質(zhì)；中頻段儲(chǔ)能模量G’和損耗模量G”均有較大波動(dòng)，出現(xiàn)G’＝G”，G’與 G”相交，血栓凝膠化，有多個(gè)流動(dòng)點(diǎn)，狀態(tài)變化劇烈；但高頻段儲(chǔ)能模量G’大于損耗模量G”，且差值較大，血栓呈現(xiàn)穩(wěn)定固態(tài)性質(zhì)。

2.2 動(dòng)態(tài)模量穩(wěn)定性

圖2 動(dòng)態(tài)模量-頻率變化曲線圖

血栓在恒定溫度37℃下儲(chǔ)能模量和損耗模量隨時(shí)間變化曲線，表現(xiàn)了鈣化血栓和非鈣化血栓動(dòng)態(tài)模量穩(wěn)定性不同（圖3）：隨著時(shí)間變化，鈣化血栓儲(chǔ)能模量 G’標(biāo)準(zhǔn)差分別為 1616.300、12.964、51.525，損耗模量G”標(biāo)準(zhǔn)差分別為122.650、0.579、11.214，變化較小，有較好穩(wěn)定性；非鈣化血栓儲(chǔ)能模量G’和損耗模量G”標(biāo)準(zhǔn)差分別為46 402.000、11 634.000，變化較大，且有下降趨勢(shì)。

圖3 溫度-彈性模型曲線圖

2.3 血栓流變曲線

血栓黏度隨剪切速率變化曲線圖，表現(xiàn)了血栓流變特性（圖4）。血栓穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)流變性檢測(cè)結(jié)果表明，血栓黏度隨剪切速率增大而減小，為假塑性流體典型特征，鈣化和非鈣化血栓黏度變化在剪切速率0～10 s-1過(guò)程中最劇烈，在剪切速率下降過(guò)程中鈣化血栓黏度與血栓在剪切速率上升時(shí)黏度變化較小，表現(xiàn)出較好的恢復(fù)性，而非鈣化血栓黏度在剪切速率上升和下降時(shí)有一些變化。剪切速率變化狀態(tài)下，鈣化血栓黏度變化差值較小于非鈣化血栓。

圖4 剪切速率-黏度變化曲線圖

3 討論

目前，對(duì)血栓動(dòng)態(tài)流變性研究很少。Rausch等［8］報(bào)道構(gòu)建一早期微觀激勵(lì)靜脈血栓模型，但應(yīng)用單軸拉伸試驗(yàn)獲取血栓彈性極限、伸長(zhǎng)率等拉伸屬性。Di Martino等［9］對(duì)真實(shí)腔內(nèi)血栓進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得血栓彈性模量，并結(jié)合主動(dòng)脈壁本構(gòu)方程探討了血栓對(duì)主動(dòng)脈壁壓力的影響。Tong等［10］對(duì)腹主動(dòng)脈瘤瘤腔內(nèi)血栓進(jìn)行雙軸拉伸試驗(yàn)，獲得血栓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。拉伸測(cè)試及彈性測(cè)試是人工操作，相對(duì)簡(jiǎn)單，相比動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)流變儀檢測(cè)可能缺乏客觀性，后者更具客觀性、準(zhǔn)確性。

為了定量研究血栓流變特性，本研究將血栓黏度隨剪切速率變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Matlab擬合工具CFtool，并分析曲線擬合結(jié)果，構(gòu)建出臨床真實(shí)血栓樣本血栓剪切速率-黏度模型?；诒狙芯繉?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，患者1、2血栓樣本初始動(dòng)態(tài)模量相差較小，曲線起始位置相似，且黏度隨剪切速率增加而變化趨勢(shì)類似；患者3樣本初始動(dòng)態(tài)模量與患者1、2樣本相差較多，但參數(shù)b與患者1、2樣本相差較小，故曲線變化收斂趨勢(shì)與患者1、2樣本相似，表征鈣化血栓黏度隨剪切速率變化靈敏度存在一致性；但患者4非鈣化血栓參數(shù)b與鈣化血栓樣本相差較多，剪切速率為0～20 s-1。非鈣化血栓黏度變化較小，隨著剪切速率升高，非鈣化血栓黏度變化較大，而鈣化血栓變化曲線趨于平穩(wěn)，鈣化血栓與非鈣化血栓存在明顯差異。基于本研究基礎(chǔ)，如果設(shè)計(jì)開發(fā)出一種新型傳感器，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)患者血栓黏度隨剪切速率變化的靈敏度，即血栓參數(shù)b，模擬確定血栓黏度隨剪切速率變化趨勢(shì)，可以輔助臨床醫(yī)師判斷血栓類型，從而采用不同的治療方案。

總之，本研究應(yīng)用旋轉(zhuǎn)流變儀，以動(dòng)態(tài)流變學(xué)方法完成真實(shí)血栓流變學(xué)參數(shù)檢測(cè)。首先對(duì)血栓動(dòng)態(tài)模量穩(wěn)定性進(jìn)行分析，鈣化血栓和非鈣化血栓在恒定溫度37℃，動(dòng)態(tài)模量穩(wěn)定性有較明顯差異。鈣化血栓在不同時(shí)間點(diǎn)動(dòng)態(tài)模量變化較小，非鈣化血栓動(dòng)態(tài)模量變化較大，鈣化血栓和非鈣化血栓一直表征固態(tài)性質(zhì)。鈣化血栓有穩(wěn)定的固態(tài)屬性，非鈣化血栓在低頻、高頻具有較好的固態(tài)屬性，在中頻段狀態(tài)變化劇烈。同時(shí)，獲得血栓流變特征曲線和擬合曲線，能夠初步判斷是否為鈣化血栓，為介入取栓器械選擇提供了生物力學(xué)初步判斷依據(jù)，為血栓物理建模提供了生物力學(xué)特性參數(shù)，具有一定的參考價(jià)值。