青年與老年頸總動(dòng)脈力學(xué)特性對(duì)比分析

王秀玲　張繼波　李新穎

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院，吉林　長(zhǎng)春　130025)

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青年與老年頸總動(dòng)脈力學(xué)特性對(duì)比分析

王秀玲張繼波1李新穎2

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

〔摘要〕目的探討青年尸體頸總動(dòng)脈和老年尸體頸總動(dòng)脈的縱向拉伸力學(xué)特性及其與頸總動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)病機(jī)制。方法隨機(jī)取青年頸總動(dòng)脈組和老年頸總動(dòng)脈組各15個(gè)試樣進(jìn)行縱向拉伸實(shí)驗(yàn)，隨機(jī)取青年頸總動(dòng)脈組和老年頸總動(dòng)脈組各1個(gè)試樣進(jìn)行組織形態(tài)觀察。結(jié)果青年大腦中動(dòng)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(dòng)脈組試樣(P<0.05),青年大腦中動(dòng)脈組試樣的彈性模量值小于老年頸總動(dòng)脈組試樣(P<0.05)。掃描電鏡觀察結(jié)果表明，青年大腦中動(dòng)脈試樣肌細(xì)胞排列整齊、彈力膜完好，老年頸總動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jī)械工程與生物醫(yī)學(xué)工程研究。

頸動(dòng)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(dòng)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(shí),IMT增加0.02 mm。學(xué)者們對(duì)人尸體和Sato等〔6〕對(duì)人頸總動(dòng)脈進(jìn)行了單向拉伸實(shí)驗(yàn)與內(nèi)壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，得出了在低應(yīng)力區(qū)軸向力學(xué)性質(zhì)與應(yīng)變無(wú)關(guān)，在軸向壓力作用下，動(dòng)脈壁軸向壓強(qiáng)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(duì)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(duì)小豬頸動(dòng)脈進(jìn)行縱向拉伸力學(xué)性能測(cè)試，當(dāng)施加50%的縱向拉伸應(yīng)變后發(fā)現(xiàn)，血管長(zhǎng)度增加20%。Jackson 等〔9〕復(fù)制兔子頸動(dòng)脈損傷模型，以異側(cè)移植的方法使頸動(dòng)脈張力減小，研究發(fā)現(xiàn)，減少縱向拉應(yīng)力可導(dǎo)致動(dòng)脈扭曲、血管組織重建。縱向張力的大小對(duì)動(dòng)脈損傷移植具有重要影響。以往頸總動(dòng)脈的力學(xué)特性研究，主要以正常人尸體和動(dòng)物頸總動(dòng)脈居多。中國(guó)人新鮮尸體頸總動(dòng)脈和老齡新鮮尸體頸總動(dòng)脈縱向拉伸研究罕見報(bào)道。近年來(lái)，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(shí)快速拉伸實(shí)驗(yàn)會(huì)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(duì)正常國(guó)人新鮮尸體頸總動(dòng)脈和老齡尸體頸總動(dòng)脈進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析青年新鮮尸體頸總動(dòng)脈和老齡尸體頸總動(dòng)脈的拉伸力學(xué)性質(zhì)，為研究動(dòng)脈粥樣硬化、腦梗死的發(fā)病機(jī)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(dòng)脈取自正常國(guó)人新鮮成年男性尸體10具，年齡22～25歲，老年尸體頸總動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)批準(zhǔn)。

1.2頸動(dòng)脈試樣的制備青年組和老年組頸總動(dòng)脈標(biāo)本各20個(gè)存放1 d后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。以無(wú)菌塑柄手術(shù)刀切取長(zhǎng)15 mm的頸總動(dòng)脈近段同一部位各20個(gè)試樣用做拉伸試驗(yàn)。在老齡組和青年組頸總動(dòng)脈分叉部位各取長(zhǎng)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(dòng)脈拉伸實(shí)驗(yàn)方法以長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所生產(chǎn)的Css4410型自動(dòng)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn),對(duì)青年與老年頸總動(dòng)脈進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。以長(zhǎng)春市第三光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的讀數(shù)顯微鏡測(cè)量各組試樣的長(zhǎng)度和直徑，頸總動(dòng)脈試樣長(zhǎng)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(xiàn)〔14〕的方法分別對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行預(yù)調(diào)處理。分別將青年組和老年組頸總動(dòng)脈試樣裝夾在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的拉伸夾具內(nèi)，以0.5 mm/min的實(shí)驗(yàn)速度分別對(duì)青年與老年頸總動(dòng)脈試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，為使試樣保持一定的濕度，在實(shí)拉伸驗(yàn)中不斷地向試樣淋生理鹽水。試樣破壞后，打印機(jī)自動(dòng)打印出頸總動(dòng)脈試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.2掃描電鏡觀察頸總動(dòng)脈組織橫斷面的超微結(jié)構(gòu)方法隨機(jī)選取青年組和老年組頸總動(dòng)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(diǎn)干燥，真空噴金鍍膜，場(chǎng)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(dòng)脈試樣縱向拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果青年頸總動(dòng)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(dòng)脈組試樣(P<0.05),青年頸總動(dòng)脈組試樣應(yīng)力為13.3 kPa、16.0 kPa、22.5 kPa時(shí)的彈性模量值小于老年頸總動(dòng)脈組試樣差異顯著(P<0.05)。當(dāng)應(yīng)力為16.0 kPa時(shí)，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(dòng)脈組試樣的應(yīng)力、應(yīng)變大于老年頸總動(dòng)脈組。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)16.0 kPa后，青年頸總動(dòng)脈脈組、老年頸總動(dòng)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(dòng)脈組試樣縱向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

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

2.3青、老年頸總動(dòng)脈組試樣縱斷面組織學(xué)分析結(jié)果老年頸總動(dòng)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(rùn),組織形態(tài)具有動(dòng)脈粥樣硬化的特征。青年組頸總動(dòng)脈管壁內(nèi)膜光滑,管壁各層結(jié)構(gòu)無(wú)異常,未見動(dòng)脈粥樣硬化斑塊。

青年組

老年組

3討論

本實(shí)驗(yàn)說(shuō)明頸總動(dòng)脈內(nèi)原來(lái)存在的膨脹壓力比局部壓力小，水分溢出的速度快，隨著時(shí)間的增加，頸總動(dòng)脈內(nèi)液不間斷流出，原來(lái)存在的膨脹壓與局部壓力均減小，所以后實(shí)驗(yàn)期應(yīng)變變化緩慢。頸總動(dòng)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(shí)腦動(dòng)脈無(wú)異常，也無(wú)任何臨床癥狀，起著保護(hù)的作用。

腦動(dòng)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(dòng)脈粥樣硬化對(duì)頸總動(dòng)脈的僵硬度會(huì)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(dòng)脈順應(yīng)性減低的風(fēng)險(xiǎn)因子〔18〕。分析認(rèn)為，老年組頸總動(dòng)脈組由于動(dòng)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(zhǎng)期的高血壓，在長(zhǎng)期高應(yīng)力作用使老年頸總動(dòng)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(dòng)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(guò)80%〔19〕。顱外CAS是缺血性腦血管病發(fā)病的危險(xiǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果支持血管壁力學(xué)特性的改變是動(dòng)脈粥樣硬化和腦梗死的發(fā)病機(jī)制之一的觀點(diǎn)。

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

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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(xiàng)目：吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.20110492)

〔中圖分類號(hào)〕R318.01

〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A

〔文章編號(hào)〕1005-9202(2015)22-6513-03；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.22.096