微型人造血管壁面特征對血液流動的影響*

王桂蓮, 孫云娜, 姚錦元, 王 艷, 丁桂甫, 章巧琪

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,上海 201620；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微米/納米加工技術(shù)國家重點實驗室,上海 200240；3.上海市寶山區(qū)中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院,上海 210999)

0 引 言

血管類疾病尤其是血栓已成為威脅人類健康的一類重要疾病,由此衍生出的人造血管技術(shù)是近年來研究人員關(guān)注的研究熱點[1～4]。自20世紀(jì)50年代以來,人們陸續(xù)嘗試各類人造血管技術(shù)[5～7],目前該項技術(shù)問題主要集中在血管材料和制備方法這兩個方面：一方面探索各種合成纖維織物在人造血管中的應(yīng)用；另一方面,使人造血管構(gòu)造更接近天然血管。

雖然目前對于較大管徑人造血管研究相對成熟且已有應(yīng)用的實例,但靜脈小管徑(<100 μm)的微型人造血管研究尚十分有限。眾所周知,1 mm以下的血管隨著血管管徑的變細(xì),血液的流速和壓力也隨之遞減,低血壓和低流速為血栓和內(nèi)壁異常增生提供了“溫床”。同樣,微米(μm)級的人造血管也面臨著同樣的問題。李毓陵等人[8～10]針對PET基材的小直徑人造血管的力學(xué)性能進(jìn)行分析,討論了溶液參數(shù)和工藝參數(shù)對小血管結(jié)構(gòu)和形態(tài)的影響。關(guān)穎等人[3]結(jié)合絲素纖維和滌綸設(shè)計并制備了絲滌混構(gòu)小管徑人造血管,分析人造血管的優(yōu)化制備結(jié)構(gòu)和工藝。楚增勇等人[11,12]采用理論分析的方法對中空纖維管的結(jié)構(gòu)與紡絲工藝之間的規(guī)律進(jìn)行了探索。伴隨微加工技術(shù)的飛速發(fā)展,目前實現(xiàn)小直徑人造血管的方法主要有2種：3D微型化打印技術(shù)和噴絲成型技術(shù)。其中,3D微型化打印技術(shù)是通過3D建模和疊層成型技術(shù),可形成各種復(fù)雜的微型化中空管路構(gòu)造。

本文基于流體仿真技術(shù),分析兩種成型技術(shù)下制備的血管內(nèi)壁結(jié)構(gòu)對血液輸送能力的影響。重點討論3D成型血管中內(nèi)壁凸起結(jié)構(gòu),流體粘度等因素對小管徑人造血管內(nèi)部流場的影響,為這兩類制備技術(shù)在人造血管中的應(yīng)用提供必要的理論參考。

1 模型介紹

3D打印采用聚合物細(xì)絲環(huán)繞疊層的方式制備人造血管,聚合物細(xì)絲在基態(tài)上環(huán)繞并定位堆疊,逐漸形成中空管狀結(jié)構(gòu)。微加工噴絲制備則先是制備出符合人造血管軸截面的噴嘴形狀,然后將流動聚合物前驅(qū)體加壓經(jīng)由噴嘴擠壓快速成型。兩種制備方法都借助柔性聚合物成型,然而形成的人工血管內(nèi)壁面構(gòu)造卻完全不同,在3D打印方法中,聚合物細(xì)絲環(huán)繞堆疊的中空管狀結(jié)構(gòu)其壁面保留了聚合物細(xì)絲的凸起,這些凸起正好與血流方向垂直,如圖1(a)所示,內(nèi)壁會形成連續(xù)波紋狀的凸起陣列。而微加工噴絲制備則會在截面垂直的管軸方向形成與管軸平行的支管結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示,其形成的凸起正好與血流方向平行。

圖1 兩種制備技術(shù)的原理示意

2 仿真過程

本文采用多物理場耦合軟件Comsol中的流體模塊對兩類不同成型模式下的血管流動進(jìn)行仿真。根據(jù)兩種人造血管模型的對稱性以及仿真資源的有限性,建立了噴絲和3D打印成型的人造血管二維仿真模型,如圖2所示。圖2(a)為3D打印成型的二維血管模型。在該模型中,用固定直徑和數(shù)量的半圓形陣列模擬其邊界的凸起形貌,改變其半圓直徑來分析壁面不同凸起形貌對流場的影響。噴絲頭模型的軸截面均為平滑的二維管狀結(jié)構(gòu),如圖2(b)所示。

圖2 兩種人造血管的流動仿真模型

本文采用Free形式對兩個模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行了驗證。對于管徑為50 μm的微型血管流道而言,流動為層流,因此選擇層流態(tài)模塊進(jìn)行仿真。同時基于血液樣本的多樣化,選取以水代替血液進(jìn)行對比分析,其粘度取值在水至血液樣本粘度的范圍內(nèi),即0.000 9～0.001 8 Pa·s。其后分析了液態(tài)樣本粘度變化對流場特性的影響。選擇壓力作為液態(tài)樣本的初始動力,入口壓力設(shè)為17 mmHg；出口設(shè)為壓力出口,大小為0 mmHg。內(nèi)壁默認(rèn)為無滑移邊界條件,初始條件設(shè)置為各項流速為0,溫度為恒定值。模型中具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)：血管長度w為500 μm,血管內(nèi)徑R為50 μm,內(nèi)壁凸起半徑R1為5 μm,內(nèi)壁凸起個數(shù)N為30,內(nèi)壁凸起中心距Dis=(W-N×R1×2-R1)/(N-1)+R1×2。動力學(xué)粘度為0.008 1 Pa·s,密度為1.055 kg/m3。邊界條件和流體物理特性。

3 結(jié)果分析

3.1 流場分析

圖3為等截面3D打印和噴絲成型的人造血管流場特性圖。與噴絲人造血管流場相比,3D打印人造血管中流體速度要低很多,中心流速減少了30 %,因此,壁面上凸起結(jié)構(gòu)對血液有一定的阻礙作用。

圖3 兩種人造血管中的液體流速分布云圖

根據(jù)3D打印人造血管中的流速等值線圖所示(圖4(a)),在凸起左右側(cè)的液體流速接近為零,血液出現(xiàn)明顯的滯留狀態(tài)。當(dāng)粘度過大時,凸起結(jié)構(gòu)極易導(dǎo)致血流漩渦的產(chǎn)生,抵沖前進(jìn)的血流而誘發(fā)血栓。圖4(b)為兩種人造血管在管徑截面上的血液流速圖。

圖4 3D打印人造血管流速圖

明顯地看到,3D人造血管邊界存在明顯的血液滯留區(qū)域,而噴絲的人造血管邊界區(qū)遵循常規(guī)的流場流速分布規(guī)律,沒有液體滯留區(qū)域。

3.2 壁面凸起結(jié)構(gòu)直徑對流場影響

根據(jù)上述的流場分析,3D打印成型人造血管的壁面凸起結(jié)構(gòu)不僅增大了內(nèi)部的血液流動阻力,同時在邊界引起了滯留區(qū)。為了進(jìn)一步分析凸塊對內(nèi)部血液流動的具體影響,建立了不同直徑凸塊下3D打印人造血管模型。圖5和圖6分別為帶有不同直徑凸起下 (5.0,5.5,6.0,6.5,7.0,7.5)μm的人造血管流場分布云圖和流速圖。從圖中可以看到：隨著凸起直徑的增大,滯留區(qū)域面積(深色區(qū)域)明顯增大。在圖6中,在相同徑向位置,流速隨著凸起直徑的變大而減小,因此血液流動阻力隨著凸起直徑增大而增大。

圖5 隨凸起結(jié)構(gòu)深度變化的速度云圖

圖6 不同直徑的凸起結(jié)構(gòu)對應(yīng)的最大流速圖

3.3 血液粘度對流場影響

血液粘度是影響血管中流場分布的一個重要因素。在血管中,其大小具有一定的隨機特性,通常是水粘度的4～5倍。為了分析不同粘度下兩種模型的流場特性,仿真中粘度值選取為0.000 9～0.001 8 Pa·s。圖7為3D打印成型和噴絲成型人造血管隨血液粘度變化的最大流速曲線圖。

圖7 人造血管流速曲線

從圖中可以看出,隨著液態(tài)樣本粘度的增大,兩種模型制成的人造血管最大流速都逐漸減小。

圖8給出了血管截面切線上的流速曲線。從圖中可以看到,血管中的最大速度在中間位置,最大速度隨著隨著液態(tài)樣本粘度的增大；凸起結(jié)構(gòu)的滯留區(qū)面積大小并未受到液態(tài)樣本粘度的影響而變化。

3.4 滯留區(qū)的危害性分析

為了分析滯留區(qū)在帶有血栓血液流動過程中可能造成的危害,利用阻擋塊來模擬形成后的血栓,建立滯留區(qū)域內(nèi)有阻擋塊的人造血管模型,如圖8(a)所示。圖8(b)為帶有阻擋塊的人造血管流場分布云圖。從圖中可以看出,血管中血栓斑塊附近的滯留區(qū)面積增大。滯留區(qū)面積變大意味著血液中血小板富集的區(qū)域?qū)⒃龃?該區(qū)域的血小板量變大。同時,在血栓塊區(qū)域附近的中心處流速明顯變大,這是由于血栓的存在導(dǎo)致流動截面積變小。

圖8 帶有阻擋塊的人造血管流場分布云圖

4 結(jié) 論

3D打印技術(shù)發(fā)展為微型人造血管制備提供了技術(shù)契機。在微型人造血管中,內(nèi)壁形貌對于其內(nèi)部血液流動形態(tài)的影響也逐漸變大。本文借助Comsol軟件的流體仿真模塊,對上3D打印技術(shù)制備的人造血管內(nèi)壁結(jié)構(gòu)特征對血液流動形態(tài)的影響規(guī)律進(jìn)行了分析,同時與噴絲打印人造血管進(jìn)行對比。結(jié)果表明：在相同的截面面積下,3D打印制備的人造血管內(nèi)壁凸起造成流道內(nèi)流阻明顯的增大,而噴絲成型人造血管結(jié)構(gòu)并未對血液流動產(chǎn)生阻礙,最大流速比3D打印成型的大30 %。3D打印凸起結(jié)構(gòu)不僅降低了血液流速,而且在其附近引起了液體滯留區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)的血液流速基本為零,面積隨著凸起結(jié)構(gòu)直徑增大而增大,與血液粘度的相關(guān)性不大。當(dāng)滯留區(qū)帶有血栓時,區(qū)域面積進(jìn)一步增大,引起更為嚴(yán)重的血小板富集效應(yīng),因此3D打印的人造血管壁面凸起結(jié)構(gòu)對于血栓具有誘發(fā)和強化的作用。