血栓模擬物機械性能及切削破碎效果研究

摘要：主要對血栓模擬物中紅細胞比容進行分析，研究血栓模擬物的機械性能及切削效果。制備了不同紅細胞比容的體外血栓模擬物，通過壓縮實驗研究其機械性能，并結合血栓切削實驗裝置研究切削速度對其切削效果的影響。研究發現，模擬物的剛度會隨著紅細胞比容及儲存時間的增加而降低；同時，以血清為儲存介質保存10 d時，剛度會下降50%以上，而以生理鹽水為儲存介質保存相同時間，剛度降幅約為30%；另外，10%～20%紅細胞比容模擬物與人體深靜脈血栓樣本剛度相近。實驗結果也表明，切削速度在一定范圍內提高時有助于對模擬物進行充分破碎，當切削速度過大時破碎效果幾乎不再變化。研究結果可為血栓清除器械的設計與優化提供重要參考。

關鍵詞：血栓；機械性能；血栓切削破碎效果；機械血栓清除術

中圖分類號：TG156

Research on Mechanical Properties and Cutting Fragmentation Effectiveness of Thrombus Analogs

HONG Li1 WU Chongjun^1* LI Jingwen1 CHEN Lingwen1 SHEN Bin2 DING Qingwei3

1.College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai，201620

2.Zhejiang Tsinghua Yangtze River Delta Research Institute，Jiaxing，Zhejiang，314000

3.Shanghai First Peoples Hospital Affiliated with Shanghai Jiao Tong University School of Medicine，Shanghai，200080

Abstract： The hematocrit of thrombus analogs were analyzed primarily， their mechanical properties and cutting effectiveness were studied. Different hematocrit thrombus analogs were prepared to investigate their mechanical properties through compression tests， and their cutting efficiency was studied using a thrombus cutting experimental setup. It is found that the stiffness of the analogs decreases with increasing hematocrit and storage time. Specifically， when stored in serum for 10 days， stiffness decreases by over 50%， whereas with saline storage over the same period， the decrease is around 30%. Additionally， thrombus analogs with hematocrits of 10% to 20% exhibite stiffness levels similar to samples of deep vein thrombosis. The experiments also indicate that increasing cutting speed within a certain range the fragmentation of the analogs is enhanced， but beyond a certain threshold， further increases in cutting speed does not significantly improve fragmentation. This paper provides valuable insights for the design and optimization of thrombectomy devices.

Key words： thrombus; mechanical property; crushing effectiveness of cutting and breaking; mechanical thrombectomy

0 引言

血栓是人體內血液循環系統中發生凝固形成的固體質塊，會使血管內血液流速變慢甚至完全阻塞血流，導致上游血管壓力增加，誘發多種疾病。目前，血管內的栓塞病例逐年增加^［1-2］，以急性缺血性卒中為例，它在所有卒中病例中占比高達85%^［3］。近年來，機械血栓清除術（mechanical thrombectomy， MT）逐漸應用于血栓相關疾病的治療中。臨床實踐證明MT的血栓清除率超過80%^［4-6］，并且具有安全有效、治療周期短、血栓術后綜合癥（post-thrombotic syndrome，PTS）發生率低等優點^［7-9］。而在MT過程中，血栓的機械性能會對治療效果產生直接影響^［10-11］。

由于難以獲得真實的人體血栓樣本，體外血栓模擬物（凝塊）常被用于評估血栓清除設備的有效性，并進行臨床前測試^［12-14］。為了確保凝塊與真實血栓在組織學上成分相似，通常選擇動物血液作為凝塊制備的原材料。過去的研究大多通過調控凝血酶濃度^［15-16］、血液供體動物^［17-18］或硫酸鋇濃度^［19］等變量制備凝塊，并通過拉伸、壓縮和壓痕等實驗研究其機械性能^{［10，19-21］}。然而，凝塊組成中紅細胞（red blood cell，RBC）比容（紅細胞的體積比）對材料的機械性能具有重要影響，目前國內外對此還缺乏充分研究。

凝塊切削過程的研究目前主要集中在切削力等相關內容^［22-24］。也有學者對生物軟組織的切削性能進行了研究，例如牛半月板組織^［25］及血管組織^［26］的切削研究，這對MT過程中的切削優化具有一定的參考意義，但切削速度對凝塊切削影響效果的研究則較為欠缺。

為探究RBC比容對凝塊機械性能的影響，本文制備了多種不同RBC比容的凝塊，分析儲存時間與儲存介質對其機械性能的影響。同時，根據機械血栓清除裝置的工作原理制作了簡單實驗裝置，對凝塊進行切削，以探究在MT過程中切削速度對凝塊破碎效果的影響。

1 凝塊樣品制備

本文采用新鮮豬血，并與3.2%的檸檬酸鈉溶液按照9∶1的體積比混合，然后在4 ℃條件下保存備用^［10］，所有凝塊均在采血后4 h內完成制備。首先將血液樣本在離心機上以180 g離心10 min，離心結束后血液分為上下兩層，將上層富含血小板的血漿（platelet-rich plasma，PRP）收集到單獨的容器中。然后將下層血液混合物再次以2200 g離心10 min后去除上層棕黃色白細胞層，收集下層RBC。之后將收集到的PRP與RBC按照不同的體積比進行混合，以獲得不同紅細胞比容的凝塊。共制備了四種凝塊，其紅細胞比容分別為0、10%、20%和40%，同時也制作了同一血液樣本下的全血凝塊作為對照。

充分混合PRP與RBC后，將2.0%的氯化鈣溶液以1∶9的體積比加入混合液中^［10］，然后將混合液樣品置于模具中，并在37 ℃的水浴環境中靜置約4 h，使凝塊析出成形（圖 1）。同時，將充分靜置過后的凝塊分為兩組，第一組保存在血清中，第二組保存在生理鹽水中。將這兩組凝塊分別置于4 ℃的環境中分別保存1 d、3 d、6 d、10 d，并在每個時間點進行壓縮實驗，以研究儲存時間及儲存介質對凝塊機械性能的影響。

2 凝塊收縮率分析

如圖 2所示，在PRP與RBC的混合液中加入氯化鈣溶液后約10 min，混合液首先發生整體凝固，隨后凝塊中的交聯纖維蛋白網絡開始收縮，血清被排出，凝塊形成。這主要是因為氯化鈣的加入一方面中和了檸檬酸鈉的抗凝作用，另一方面也可以激活血液中的凝血因子，促進血液凝結。

分別在重量天平上測量凝塊與排出血清的質量，計算凝塊的收縮率R：

R=w1/（w1+w2）（1）

式中：w1為收縮后凝塊的質量，g；w2為排出的血清質量，g。

確保凝塊完全收縮^［18］。同時監測血清的顏色，以確保RBC已融入凝塊中，只有充分收縮的凝塊才能用于后續實驗中。

收縮結果如圖 3所示，凝塊的收縮率與紅細胞比容成正相關關系（R2=0.94），這表明凝塊中RBC的比容是影響凝塊收縮率的主要因素。這主要是因為紅細胞的不可壓縮性，阻礙了纖維蛋白網絡的收縮^［18］。

3 凝塊機械性能測試

3.1 實驗過程

將混合血液樣本在圓柱形模具中成形，以確保凝塊成形后也呈圓柱狀。使用手術刀片切割凝塊，使樣品高度h0為直徑d0的1/2，凝塊樣品如圖 4所示。

本文通過壓縮實驗來比較4種RBC比容凝塊的機械性能。與拉伸實驗相比，壓縮實驗無需對樣本進行單獨夾持，避免了樣本在夾持處出現應力集中而最終導致實驗失敗的問題。壓縮實驗裝置如圖 5所示，將切割好的凝塊樣品放置在壓頭和底座之間，同時浸泡在生理鹽水中。壓縮盤底部覆有1000目砂紙，以增大底座與樣本之間的摩擦力，避免樣本在測試過程中發生滑動。實驗前，樣本首先在生理鹽水中浸泡 30 min，實驗中壓頭以0.1 s^-1的恒定應變速率將凝塊試樣緩慢加載至80%壓縮應變。

凝塊的軸向名義壓縮應力σ為

σ=F/（πr20）（2）

式中：σ為軸向名義壓縮應力，MPa；F為壓頭下壓過程中的加載力，N；r0為圓柱試樣的初始半徑，mm。

軸向名義壓縮應變ε為

ε=（h0-h）/h0（3）

式中：ε為軸向名義壓縮應變，%；h0為樣本加載前的未變形高度，mm；h為樣本壓縮變形后的高度，mm。

為使實驗結果表述更加清晰，壓縮實驗過程中σ 和ε均取絕對值。

3.2 結果分析

本文獲取的人體血栓樣本（圖 6）為深靜脈血栓，這類血栓在人體外周血管中十分常見，對血栓性能的研究具有代表性。本文對10個人體血栓樣本進行壓縮，選擇應力應變曲線中應力最小、中值和最大的3個樣本，分別編號為人體血栓①～人體血栓③，并與配制的4種凝塊進行了比較。

壓縮實驗結果如圖 7所示，配制的4種凝塊應力均隨應變非線性增大，與人體真實血栓的變化趨勢一致，證明這些凝塊具有與人體真實血栓具有相似的機械性能。

在80%壓縮應變下，0%RBC凝塊展示出最大的峰值應力，其次是10%RBC凝塊和20%RBC凝塊，而40%RBC凝塊和全血凝塊則表現出較小的峰值應力。當壓縮應變小于50%時，4種凝塊的應力值差異不明顯，然而，當壓縮應變超過50%時，0%RBC凝塊的應力響應與其他幾種凝塊的差異開始增大，這可能是由于0%RBC凝塊中交聯纖維蛋白含量較高，在大應變下，纖維蛋白表現出硬化現象。

根據壓縮實驗結果，人體血栓②和人體血栓③在應變大于60%時顯示出較大的應力，而人體血栓①則表現出較小的應力，這可能是由于三個血栓樣本在體內形成的時機不同，導致其機械性能表現不同。

在MT過程中，血栓通常會發生顯著變形，即產生較大的應變，因此，很多學者以應力應變曲線在75%壓縮應變處的切線斜率作為剛度值來研究其力學性能^{［11，19，27］}。本文同樣以壓縮應力應變曲線中75%壓縮應變處的切線斜率作為剛度值來量化比較4種凝塊與真實血栓的差異（圖 8）。具體而言，0%RBC凝塊的剛度為0.0095 MPa，遠大于人體血栓和其他幾種凝塊。10%RBC凝塊的剛度值為0.0042 MPa，約為人體血栓剛度的1.5～3倍，20%RBC凝塊的剛度值與人體血栓②（人體血栓樣本剛度值中位數）基本一致，40%RBC凝塊和全血凝塊的剛度值均為0.0017 MPa，在4種凝塊中處于最低水平，這主要是因為這兩種凝塊中紅細胞含量較高（全血中RBC的含量約為50%左右）。

盡管0%RBC凝塊在高應變范圍時具有最大的峰值應力，但也觀察到全血凝塊在低應變范圍下應力值較大，這可能是因為RBC的不可壓縮性在應變較小時起主導作用。

3.2.1 儲存時間對機械性能的影響

將4種凝塊分別置于它們自身的血清中，并在4 ℃下分別保存1 d、3 d、6 d和10 d，然后在每個時間點對凝塊進行壓縮試驗。隨著儲存時間的增加，這些凝塊的應力應變曲線（圖 9）變化趨勢沒有明顯差異，但剛度值均呈下降趨勢（圖 10），尤其是0%RBC凝塊的剛度降幅最為顯著。雖然20%和40%RBC凝塊的一天儲存剛度值略有上升，但變化并不明顯，可能是實驗中的測量誤差所致。總體趨勢顯示，隨著儲存時間的增加，凝塊內的各成分逐漸失活，從而導致凝塊的剛度下降，機械性能變差。

此外，本文還探究了儲存溫度對凝塊機械性能的影響。實驗結果顯示，將40%RBC的凝塊分別儲存于4 ℃和37 ℃的血清中，37 ℃下儲存超過24 h即會發生分解，故無法進行壓縮實驗。

3.2.2 儲存介質對機械性能的影響

將4種充分收縮的凝塊分別置于血清和生理鹽水中，在4 ℃環境中分別保存1 d、3 d、6 d、10 d后進行壓縮實驗。壓縮應力應變曲線（圖 11）顯示，當儲存時間和壓縮應變相同時，生理鹽水中的凝塊表現出更大的應力值。隨著時間的延長，凝塊剛度的降幅更小，且在第三天時剛度出現了一定程度的增大（圖 12）。因為生理鹽水的濃度接近于充分收縮后凝塊內物質的濃度，所以形成等滲狀態。這種狀態在短時間內盡可能地保持了凝塊內各種成分的活性，使得凝塊能夠在較短時間內保持最初的機械性能。

4 凝塊切削破碎實驗

4.1 實驗過程

根據機械血栓清除設備的工作原理并參考相關專利的技術方案^［28］，制作了簡易凝塊切削實驗裝置（圖 13）。該裝置可用于對凝塊進行切削破碎，并通過收集分析切削后的碎屑大小，研究切削速度對凝塊切削破碎效果的影響。

由壓縮實驗結果可知，10%RBC凝塊比人體血栓樣本略硬，因此選用該凝塊作為切削實驗材料。將凝塊樣品置于切削平臺上，通過恒定的負壓將凝塊吸入導管，導管前端有一往復運動的刀片，對吸入導管的凝塊進行連續切削，最終將大塊凝塊全部切碎。

本文中所用的切削刀片厚度為0.2 mm，楔角為30°。抽吸導管的內徑為3 mm，長度為1100 mm。凝塊的直徑為6 mm，長度為20 mm。負壓抽吸壓力為0.07 MPa。刀片的往復運動頻率分別為4000、5000、7000、 8000、10 000、15 000、20 000次/min。

4.2 結果分析

實驗中使用高速相機拍攝了一個切削周期內的凝塊切削過程，如圖 14所示。切削過程可分為4個階段：第一階段，刀片向下運動開始接觸凝塊；第二階段，刀片繼續向下運動，刀刃處擠壓凝塊產生變形，但尚未刺破凝塊；第三階段，刀刃刺破凝塊，切削過程開始；第四階段，刀片繼續向下運動，凝塊中裂紋擴展，直至完全被切斷，切削結束。

切削實驗結果如圖 15所示，以凝塊碎屑的最大截面尺寸作為量化指標，分析切削速度對凝塊切削效果的影響，在MT過程中，血栓破碎越充分，越易于清除。

如表 1所示，當切削速度為4000次/min時，最大碎屑的尺寸約18 mm2，隨著速度的增加，碎屑尺寸逐漸減小，當切削速度達到10 000次/min時，碎屑的尺寸約6 mm2，比4000次/min時減小了約33%，隨著切削速度的進一步提高，最大碎屑的尺寸基本保持不變。

切削速度增加時，4 mm2以上碎屑的占比也在逐漸減少。當切削速度達到15 000次/min時，4 mm2以上碎屑的比例約9%，繼續增加切削速度時，這一比例不再變化。

實驗結果表明，適當提高切削速度有助于更好地破碎凝塊。當切削速度超過15 000次/min后，凝塊碎屑的最大尺寸和平均尺寸不再變化。這是因為在恒定負壓抽吸下，單位時間內被吸入導管口的凝塊體積保持恒定。隨著刀片往復運動速率的增加，單位時間內切削凝塊的次數越多，凝塊碎屑的尺寸越小。此外，凝塊是黏彈性材料^［29］，隨著切削速度的進一步增大，凝塊的應變速率加快，內部交聯纖維蛋白的硬化作用增強，凝塊更難被有效切碎，從而使得碎屑尺寸在一定范圍內保持穩定。也有研究指出，機械血栓清除設備運行過程中，5000～10 000 r/min的轉速是較為合理的，轉速過高時溶血現象會更加明顯^［30］，極易導致其他并發癥。

5 討論

壓縮實驗顯示，人體血栓的應力隨應變的變化呈現非線性趨勢，這與前人研究結果一致^［31-32］。凝塊的壓縮過程中變現出應變硬化響應，與之前文獻中報道的數據趨勢類似^{［18，33］}。

壓縮實驗也顯示，所有凝塊均表現為非線性超彈性材料。在低應變（εlt; 50%）下，凝塊表現出較小的應力；而在高應變（εgt; 50%）下，顯著發生應變硬化。全血凝塊因含有約50%的紅細胞，在低應變下表現出較高的剛度，其他幾種凝塊的剛度則較低。

應變超過50%時，0% RBC凝塊的剛度顯著增加，達到最大值（80%應變時），幾乎是人體血栓的4～5倍，這種變化主要由交聯纖維蛋白含量決定，在充分收縮后，其含量接近100%，交聯纖維蛋白對凝塊的機械性能有顯著的影響^［34-35］。

在機械清除血栓的過程中，相關器械通常會導致血栓顯著變形，因此在MT過程中，交聯纖維蛋白是影響清除效果的關鍵因素^［36］。本文發現從患者體內獲取的人體血栓樣本之間的應力應變曲線存在差異，可能由多種原因引起。抽吸患者體內血栓可能已經發生嚴重變形，從而影響其機械性能；另外，血栓形成的時間差異也可能導致機械性能上的差異。

本文觀察到，延長儲存時間對于存放在4 ℃下的血清中的凝塊的機械性能具有顯著影響，這與其他學者的研究結果^［18］基本一致。另外，儲存溫度對凝塊機械性能也有顯著影響。實驗結果顯示，40%RBC凝塊在37 ℃下存放超過1 d后會完全崩解，無法進行壓縮實驗。

盡管外表看起來延長儲存時間對凝塊的影響不大，但通過壓縮實驗發現，長時間儲存會降低凝塊內部成分（如RBC）的活性，導致其承受應力的能力下降。同時，將凝塊保存在4℃的生理鹽水中能夠減緩因儲存時間延長而導致的應力減小。因為生理鹽水的濃度與凝塊中紅細胞的溶質濃度較為接近，有助于在較長時間內保持凝塊的機械性能。鑒于目前關于凝塊最佳儲存條件的報道較少，基于本文的觀察結果，建議在凝塊形成后盡快進行測試，以確保測試結果的準確性。如果需要延長保存時間，建議將其置于生理鹽水中，并存放在4 ℃下，以保持機械性能和微觀結構。

6 結論

本文通過壓縮實驗研究了紅細胞對凝塊機械性能的影響，并通過切削實驗研究了切削速度對凝塊切削效果的影響，主要得出了以下結論：

1）凝塊中紅細胞比容會對凝塊的機械性能產生較大影響，壓縮應變較大時，紅細胞比容越低，凝塊剛度越大。

2）人體深靜脈血栓與凝塊的應力應變曲線具有相同的變化趨勢，故兩者具有相似的機械性能，其中，10%RBC～20%RBC凝塊與人體血栓樣本的剛度值最接近。

3）隨著儲存時間的延長，凝塊的機械性能會逐漸變差，儲存10 d后相比剛制備時剛度降低超過50%。生理鹽水為保存介質的凝塊，相比血清靜置10 d后的凝塊剛度降低約30%。實驗中還發現，40%紅細胞比容的凝塊在37 ℃環境中保存超過24 h即會分解。因此，凝塊制備后應存放在低溫環境中，并盡快使用，以盡量減少機械性能的影響。

4）凝塊切削實驗結果顯示，提高切削速度有助于將凝塊的破碎，但切削速度增加到一定值后破碎效果提升有限。因此，機械血栓清除設備在工作過程中，應將轉速控制在合理范圍內，以確保清除效果并避免相關并發癥。

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（編輯 陳 勇）

作者簡介：洪 麗，男，1995年生，碩士研究生。研究方向為精密制造。

吳重軍*（通信作者），男，1988年生，副教授、博士。研究方向為精密制造技術、智能制造。E-mail：wcjunm@dhu.edu.cn。

本文引用格式：洪麗，吳重軍，李景文，等.血栓模擬物機械性能及切削破碎效果研究［J］. 中國機械工程，2025，36（2）：342-350.

HONG Li， WU Chongjun， LI Jingwen， et al. Research on Mechanical Properties and Cutting Fragmentation Effectiveness of Thrombus Analogs［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（2）：342-350.

基金項目：上海交通大學醫工交叉項目（YG2024QNB18）；浙江省自然科學基金（LY23E050002）