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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lái)研究人員關(guān)注的研究熱點(diǎn)[1～4]。自20世紀(jì)50年代以來(lái),人們陸續(xù)嘗試各類人造血管技術(shù)[5～7],目前該項(xiàng)技術(shù)問題主要集中在血管材料和制備方法這兩個(gè)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(duì)于較大管徑人造血管研究相對(duì)成熟且已有應(yīng)用的實(shí)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(jí)的人造血管也面臨著同樣的問題。李毓陵等人[8～10]針對(duì)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(duì)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(jì)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(duì)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(shí)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(guò)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(duì)血液輸送能力的影響。重點(diǎn)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(duì)小管徑人造血管內(nèi)部流場(chǎng)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(dòng)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(huì)形成連續(xù)波紋狀的凸起陣列。而微加工噴絲制備則會(huì)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(guò)程

本文采用多物理場(chǎng)耦合軟件Comsol中的流體模塊對(duì)兩類不同成型模式下的血管流動(dòng)進(jìn)行仿真。根據(jù)兩種人造血管模型的對(duì)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(lái)分析壁面不同凸起形貌對(duì)流場(chǎng)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(dòng)仿真模型

本文采用Free形式對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)于管徑為50 μm的微型血管流道而言,流動(dòng)為層流,因此選擇層流態(tài)模塊進(jìn)行仿真。同時(shí)基于血液樣本的多樣化,選取以水代替血液進(jìn)行對(duì)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(duì)流場(chǎng)特性的影響。選擇壓力作為液態(tài)樣本的初始動(dòng)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(wú)滑移邊界條件,初始條件設(shè)置為各項(xiàng)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(zhǎng)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(gè)數(shù)N為30,內(nèi)壁凸起中心距Dis=(W-N×R1×2-R1)/(N-1)+R1×2。動(dòng)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(chǎng)分析

圖3為等截面3D打印和噴絲成型的人造血管流場(chǎng)特性圖。與噴絲人造血管流場(chǎng)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(duì)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(guò)大時(shí),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(chǎng)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(duì)流場(chǎng)影響

根據(jù)上述的流場(chǎng)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(dòng)阻力,同時(shí)在邊界引起了滯留區(qū)。為了進(jìn)一步分析凸塊對(duì)內(nèi)部血液流動(dòng)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(chǎng)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(dòng)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(duì)應(yīng)的最大流速圖

3.3 血液粘度對(duì)流場(chǎng)影響

血液粘度是影響血管中流場(chǎng)分布的一個(gè)重要因素。在血管中,其大小具有一定的隨機(jī)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(chǎng)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(dòng)過(guò)程中可能造成的危害,利用阻擋塊來(lái)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(chǎng)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(shí),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(dòng)截面積變小。

圖8 帶有阻擋塊的人造血管流場(chǎng)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(jī)。在微型人造血管中,內(nèi)壁形貌對(duì)于其內(nèi)部血液流動(dòng)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(duì)上3D打印技術(shù)制備的人造血管內(nèi)壁結(jié)構(gòu)特征對(duì)血液流動(dòng)形態(tài)的影響規(guī)律進(jìn)行了分析,同時(shí)與噴絲打印人造血管進(jìn)行對(duì)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(duì)血液流動(dòng)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(shí),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(duì)于血栓具有誘發(fā)和強(qiáng)化的作用。