背景:近年来由于生活方式的西化及社会人口老龄化进程的加速,心血管病的发病率逐年上升,对人类健康以及社会经济稳定性产生了严重威胁。尽管介入手术越来越普及,但是外科血管移植手术仍然是治疗冠心病的主要手段。目前冠脉搭桥手术使用自体大隐静脉或内乳动脉。获取自体血管本身就存在损伤,同时自体血管的来源非常有限。人工合成材料的血管移植物在小动脉(直径<6 mm)移植中通畅率低,导致小动脉移植的高失败率。到目前为止,业界公认组织工程血管是最有希望解决这个难题的方法。理想的组织工程血管(TEBV)构建方法,能够形成较为丰富的胶原纤维与弹性纤维来增强力学性能。除了足够的力学强度,组织工程血管的力学性能还要符合人体的生理需求,如像原生血管一样有各向异性;应力应变满足非线性关系;足够的缝线保留强度。体外构建组织工程血管时,力学微环境对组织工程血管的力学性能形成有重要的影响,如刺激种子细胞分泌包括胶原纤维和弹性纤维的细胞外基质,因此需要对组织工程血管的应力培养环境进行量化。目前所采用主要方法有两种,第一种是基于高速摄像机(CCD)的方法,它存在拍摄过程中容易受到振动影响、边缘不清晰、光源要求高、分辨率低等缺陷,并不能够十分精确检测反应器内力学传递介质——硅胶管,在脉动压力下的直径扩张。另一种是基于简单的线性胡克定律,通过管腔压力计算应变,不能准确反映非线性弹性体和粘弹性体的应力应变关系。基于上述背景情况,本研究设计主要包括两方面内容:1.针对TEBV培养的应力环境不能精确量化的困境,开创性的搭建出基于激光测径系统与压力传感器的力学监测平台仪,获得力学传递介质形变数值,结合弹性力学的拉梅解法精确计算出应力的大小;2.将这一全新的力学监测方法在TEBV的实际构建过程进行应用,通过构建结果初步评价这一方法的实用性和可行性。1.基于激光测径系统与压力传感器搭建力学监测平台方法:通过高精度的压力传感器与激光测径系统搭建数据采集系统,其精度高达±2微米。系统采用模拟电压输出,通过数据采集卡对电压信号进行采集。激光采集位置为硅胶管的中点。高精度的压力传感器准确捕捉脉动流场下流体对硅胶管壁的压力,采集位置为硅胶管的末端。通过外径数据结合硅胶管本身的不可压特性,计算出硅胶管的内径,从应变的定义出发准确计算出硅胶管在脉动压力下的应变。通过动力驱动系统提供两种给定压力,分别为120 mmHg与180 mmHg的脉动压力峰值进行测量。结果:通过搭建的力学监测平台,能够稳定快速的获取搏动环境下硅胶管的外径数据与管内的压力数据,硅胶管震动所造成的干扰非常小,测量结果重复性好。通过力学监测平台获取形变数值后,根据拉梅解法可以精确量化培养所在的力学传递介质(硅胶管)的表面应力分布。在搏动泵形成120 mmHg峰值的压力脉动下,硬度为55A﹑外径为5mm﹑壁厚为0.3 mm的硅胶管能够达到2.53%的应变与115.67 KPa的应力。在180mm Hg峰值的压力脉动下,同一硅胶管能够达到4.90%的应变与165.38 KPa的应力。2.新的力学检测系统在组织工程血管构建中的初步应用。方法:选择同样外径、材料硬度但管壁厚分别为0.3 mm与0.4 mm的两种硅胶管,用搏动泵分别形成120 mmHg与180 mmHg峰值压力的脉动流,在力学监测平台上对这两种不同壁厚的硅胶管进行形变的检测,计算出各自的应力,比较胡克定律计算出来的硅胶管径与激光测径实测的外径,计算两者误差。选用180 mmHg峰值压力的脉动流,用Y接头并行分流的方法在同一个生物反应器内形成两种不同应力强度的力学环境。然后采用课题组之前建立组织工程血管培养方法进行组织工程血管的培养,总培养时间为4周。培养结束后,取出所培养的组织工程血管,进行切片以及染色。主要是HE染色与Masson三色法染色观察。结果:在180 mmHg峰值的压力脉动下,0.4 mm壁厚硅胶管能够达到2.90%的应变与116.54 KPa的应力,而0.3 mm壁厚硅胶管能够达到4.9%的应变与165.38 KPa的应力。在120 mmHg峰值的压力脉动下,0.4 mm壁厚硅胶管能够达到1.93%的应变与80.65KPa的应力,而0.3 mm壁厚硅胶管能够达到2.53%的应变与115.67 KPa的应力。通过激光测径系统对硅胶管外径进行测量,与线性胡克定律计算应变做对比:在120 mmHg脉动压力下,0.3 mm壁厚硅胶管胡克定律的最大误差能够达到34.15%;0.4 mm壁厚硅胶管的最大误差能够达到93.1%。在180 mm Hg脉动压力下,0.3 mm壁厚硅胶管胡克定律的最大误差能够达到47.06%;0.4 mm壁厚硅胶管的最大误差能够达到50.0%。对培养4周的组织工程血管进行HE染色与Masson染色,相较于0.4mm壁厚硅胶管,0.3 mm壁厚的硅胶管所提供的应力环境下所培养的组织工程血管的组织更加致密,细胞增殖率更高,细胞分布更均匀,血管内外层分泌更多细胞外基质,PGA降解速度更快。结论:1.本研究搭建的力学监测平台能够快速、稳定、精确获取关键力学参数,结合弹性力学的拉梅解法可以对组织工程血管培养中力学传递介质(硅胶管)的应力进行精确量化,而单纯使用胡克定律计算可以出现很大的偏差。2.通过精确量化组织工程血管构建中力学传递介质(硅胶管)应力变化,可以准确指导今后组织工程血管的培养,并不断优化适合培养组织工程血管的力学微环境参数。3.力学微环境的微小变化,极大影响血管平滑肌细胞分泌细胞外基质的功能。