動態流變學評價血栓的力學特性

楊 磊， 王洪瑞， 王中陽， 剛芹果， 王光磊， 李 艷

介入機械取栓成為臨床治療心血管疾病的主要選擇及研究熱點［1］。介入手術過程中通常根據二維影像和臨床判斷選擇介入導絲（Pilot系列、Cross IT 系列、Conquest系列）和導管［2］，忽略了血栓生物力學特性（黏度、動態模量）。然而，介入取栓過程中血栓離析和重新凝結會導致患者突然死亡，這與其生物力學特性，尤其是流變學性質有著緊密聯系［3］。近年許多學者對血栓進行研究，但僅基于血栓模型或動物血栓，缺乏對人體不同成因血栓實驗數據和血栓生物力學特性研究［4-6］。一般通過彈性試驗、拉伸試驗評價比較血栓模型機械力學性能（回復度數、最大拉伸長度），測試方法較為簡單，相較于動態分析儀缺乏客觀性［7-10］。雖然已有血栓生物力學屬性相關研究，但缺乏對其流變學性質研究，缺乏對不同血栓性質實驗對比分析。血栓生物力學性質研究有助于輔助臨床醫師選擇合適介入器材，提高介入手術成功率，為治療心血管疾病病理研究提供更為科學、準確的血栓生物力學模型數據。

1 材料與方法

1.1 實驗器材與方法

2017年6月至12月，與河北大學附屬醫院介入血管外科醫師合作，獲取4例手術取栓后離體1 h真實血栓樣本。患者1，男60歲，順利開通左頸動脈、椎動脈伴腹主動脈閉塞，血栓不太完整（圖1①），臨床分析無非血栓性；患者2，男57歲，開通基底動脈遠端閉塞血管，血栓較為完整（圖1②），臨床分析無非血栓性；患者3，男65歲，開通左頸內動脈起始部閉塞和遠端栓塞，血栓較為完整，臨床分析無非血栓性；患者4，男63歲，開通右大腦中動脈閉塞血管，血栓較為完整，臨床分析無非血栓性。患者1、2、3為鈣化血栓，患者4為非鈣化血栓。實驗儀器和試劑包括MCR301型旋轉流變儀（圖1③，奧地利Anton Paar公司）、無水乙醇（國藥集團化學試劑公司）、4%甲醛（浙江金華同和生物技術公司）。

圖1 流變儀與血栓樣本

以MCR301型旋轉流變儀為平臺設計對血栓的流變學實驗，采用穩態和動態流變學計算血栓的生物力學參數。實驗標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。實驗前取出4%甲醛浸泡的血栓標本，置于檢測板上，采用CP25錐板進行檢測；通過RheoCompass軟件設置實驗環境參數（溫度、剪切速率、應力等），實驗獲得流變學曲線。

1.2 血栓穩態流變性測定

實驗目的：檢測血栓黏度隨剪切速率的變化，反映血栓流變特性。實驗條件：溫度37℃條件下，對血栓進行速率掃描。實驗方法：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；測得血栓黏度η隨剪切速率的變化，考察血栓非牛頓力學性質。

1.3 血栓動態流變性測定

實驗目的一：檢測血栓動態模量隨頻率的變化，反映血栓在不同頻率下動態模量特性。實驗條件：溫度37℃下，先固定角頻率為10 rad/s進行應變掃描，確定血栓線性黏彈區；取線性黏彈區1%作為應變值。實驗方法：對血栓進行頻率掃描，掃描頻率范圍為1～100 Hz；測得血栓存儲模量G'、損耗模量G”和動態黏度η隨頻率ω的變化，考察血栓在不同頻段的物理屬性。

實驗目的二：檢測血栓在恒定溫度37℃下儲能模量和損耗模量隨時間的變化，反映血栓動態模量穩定性。實驗條件：固定剪切速率，設置恒定溫度37℃。實驗方法：進行動態模量掃描，溫度不變，每間歇30 s進行一次掃描；測得血栓彈性G模量隨時間T的變化，考察血栓隨時間變化的穩定性。

2 結果

2.1 不同頻率下動態模量特性

血栓動態模量隨頻率變化的實驗測試圖，表征了鈣化血栓和非鈣化血栓在不同頻率下動態模量特性（圖2）。從檢測結果可分析出，鈣化斑塊在低頻和高頻段儲能模量G’與損耗模量G”差值較小，在中頻段儲能模量G’變化較小，損耗模量G”出現較大波動，G’與G”差值變化較大，在個別頻段儲能模量和損耗模量出現逼近或遠離趨勢；頻率變化過程中儲能模量G’和損耗模量G”雖均有變化，損耗模量變化較大，但儲能模量G’＞損耗模量G”，血栓一直表征固態性質，且狀態穩定。非鈣化斑塊離體2 h后檢測顯示，低頻段儲能模量G’和損耗模量G”有明顯差距且G’＞G”，血栓呈固態性質；中頻段儲能模量G’和損耗模量G”均有較大波動，出現G’＝G”，G’與 G”相交，血栓凝膠化，有多個流動點，狀態變化劇烈；但高頻段儲能模量G’大于損耗模量G”，且差值較大，血栓呈現穩定固態性質。

2.2 動態模量穩定性

圖2 動態模量-頻率變化曲線圖

血栓在恒定溫度37℃下儲能模量和損耗模量隨時間變化曲線，表現了鈣化血栓和非鈣化血栓動態模量穩定性不同（圖3）：隨著時間變化，鈣化血栓儲能模量 G’標準差分別為 1616.300、12.964、51.525，損耗模量G”標準差分別為122.650、0.579、11.214，變化較小，有較好穩定性；非鈣化血栓儲能模量G’和損耗模量G”標準差分別為46 402.000、11 634.000，變化較大，且有下降趨勢。

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，表現了血栓流變特性（圖4）。血栓穩態和動態流變性檢測結果表明，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過程中最劇烈，在剪切速率下降過程中鈣化血栓黏度與血栓在剪切速率上升時黏度變化較小，表現出較好的恢復性，而非鈣化血栓黏度在剪切速率上升和下降時有一些變化。剪切速率變化狀態下，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，對血栓動態流變性研究很少。Rausch等［8］報道構建一早期微觀激勵靜脈血栓模型，但應用單軸拉伸試驗獲取血栓彈性極限、伸長率等拉伸屬性。Di Martino等［9］對真實腔內血栓進行拉伸試驗，獲得血栓彈性模量，并結合主動脈壁本構方程探討了血栓對主動脈壁壓力的影響。Tong等［10］對腹主動脈瘤瘤腔內血栓進行雙軸拉伸試驗，獲得血栓應力-應變關系。拉伸測試及彈性測試是人工操作，相對簡單，相比動態旋轉流變儀檢測可能缺乏客觀性，后者更具客觀性、準確性。

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驗數據輸入Matlab擬合工具CFtool，并分析曲線擬合結果，構建出臨床真實血栓樣本血栓剪切速率-黏度模型。基于本研究實驗數據，患者1、2血栓樣本初始動態模量相差較小，曲線起始位置相似，且黏度隨剪切速率增加而變化趨勢類似；患者3樣本初始動態模量與患者1、2樣本相差較多，但參數b與患者1、2樣本相差較小，故曲線變化收斂趨勢與患者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，鈣化血栓與非鈣化血栓存在明顯差異。基于本研究基礎，如果設計開發出一種新型傳感器，能夠準確地檢測患者血栓黏度隨剪切速率變化的靈敏度，即血栓參數b，模擬確定血栓黏度隨剪切速率變化趨勢，可以輔助臨床醫師判斷血栓類型，從而采用不同的治療方案。

總之，本研究應用旋轉流變儀，以動態流變學方法完成真實血栓流變學參數檢測。首先對血栓動態模量穩定性進行分析，鈣化血栓和非鈣化血栓在恒定溫度37℃，動態模量穩定性有較明顯差異。鈣化血栓在不同時間點動態模量變化較小，非鈣化血栓動態模量變化較大，鈣化血栓和非鈣化血栓一直表征固態性質。鈣化血栓有穩定的固態屬性，非鈣化血栓在低頻、高頻具有較好的固態屬性，在中頻段狀態變化劇烈。同時，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初步判斷依據，為血栓物理建模提供了生物力學特性參數，具有一定的參考價值。