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腔内隔绝术用分支人工血管膜的设计与性能研究

作　者: 王富军
导　师: 王璐
学　校: 东华大学
专　业: 纺织工程
关键词: 腔内隔绝术人工血管分支人工血管力学性能涤纶聚己内酯
分类号: R318.08
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

涉及到分支血管的主动脉瘤及夹层等扩张性疾病,由于其手术危险系数高,是血管外科治疗研究的重点和难点。然而目前用于治疗该类疾病的腔内隔绝术用人工血管在临床应用中的效果并不理想,主要是由于病变部位离心脏较近,手术难度较大,支架释放较难控制；同时由于涉及分支血管,手术方案复杂,容易导致手术操作不成功,造成治疗失败。因此设计并制备手术操作简单的分支人工血管就成为该领域研究的焦点及重点问题,也成为解决涉及分支血管的主动脉疾病的最佳途径。本文针对用于微创治疗的分支人工血管的研究现状和存在的问题,对腔内隔绝术用分支人工血管膜的功能和结构设计、成型以及结构与性能的关系进行了深入研究。通过动物实验、有限元分析和流体力学理论计算,设计了一种具有帽型结构和抛物线曲面形状并且不带金属支架的分支人工血管膜的模型。由在体测量猪主动脉弓和分支动脉血压差的动物实验表明,分支动脉在被封堵前存在着明显的血压差,其数值达到压差均值42.78±5.17mmHg,在腔内隔绝术人工血管的实际释放过程中,其瞬时的压差将远远大于实测的数值。因此根据这个血压差可以设计一种不带金属支架的帽型分支人工血管膜,利用血压差自动突入分支动脉。并利用ANSYS模拟软件,通过有限元方法分析不同曲面函数的应力和形变分布,结果表明,抛物线曲面的结果最优。根据流体力学理论,通过沿程能量损失计算和综合有限元分析,选择了抛物线曲面。因此提出后续分支血管膜设计可采用帽型、无金属支架支撑的、抛物线曲面的制备方案。根据上述确定的最优抛物线曲面函数模型,通过模压成型的方法制备涤纶(PET)机织分支人工血管膜,探索异形分支人工血管膜的表征方法,并研究其几何结构与顶破、径向拉伸、弹性回复等力学性能的关系。选取PET复丝,采用平纹和斜纹两种织物组织通过织造、退浆／致密化过程得到不同密度的织物,利用抛物线曲面的模具制备“帽形”织物再进行热定型即可得PET分支人工血管膜。同时探索了异形分支血管膜的表征体系,测试了模压成型法人工血管膜的几何结构、聚集态结构和力学性能,并对其释放情况进行了体外模拟。由结果可知,经模压法制备的“帽形”分支血管膜试样从帽底至帽顶密度逐步减小,其厚度、克重、结晶度及顶破强度也随之呈现梯度变化；密度较大的斜纹织物试样体现出较好的力学性能；而体外模拟释放试验也表明模压成型的分支人工血管膜在压力作用下,中间区域能够突入分支动脉,保证分支的血供。为了进一步提高分支人工血管膜的力学性能,以及探索新型的加工成型方法,仿真动脉血管的三层结构(内膜、外膜、中膜),内、外膜选用生物相容性较好的多孔聚己内酯(PCL)材料,中膜选用PET网格织物作为增强层,以期提高分支人工血管膜的力学性能。探索了溶液浓度、分子量对多孔膜的影响,SEM结果可知,溶液浓度越小,孔隙率越大：分子量为18万的PCL膜的孔径和孔隙率大于分子量为5万和8万的PCL膜,所有的多孔膜的孔径都在10μm以上,并且是三维贯通的。综合加工工艺,采用了冰乙酸作为PCL材料的溶剂,选择了分子量为18万的PCL作为基材,最大针织网格密度的PET织物作为增强层,用于制备PCL/PET复合分支人工血管膜。采用了压力喷涂和冷冻干燥方法相结合,制备了针织PET网格织物作为中间层以期增强多孔PCL膜的三层分支人工血管膜。同时对成型后PCL分支人工血管膜及PET网格织物增强的复合分支人工血管膜试样进行几何结构,管壁微观结构,顶破强力、径向拉伸、弹性回复、缝合强度等力学性能进行了表征和分析。对比了PCL/PET复合分支人工血管膜与纯PCL分支血管膜的结构与性能,分析了PET网格织物的增强机制,同时比较了单层PET机织分支人工血管膜的研究结果。PCL以及PCL/PET分支人工血管试样的周边区域的管壁厚度值稍大于中央区(帽顶和帽弧)的值,这是由于PCL溶液在重力场的作用下发生微量流延所致,与PET机织分支人工血管膜的结果相似。PCL/PET分支血管膜的SEM照片显示,管壁呈现多孔形貌,并且相互贯穿,孔径10μm以上；同时PCL基体与PET纤维之间相互贯穿,界面相容性较好。由水渗透性实验表明,多孔膜在标准血压下不渗水,因此在植入体内并不发生内漏。人工血管膜材料的力学性能研究结果表明,PCL/PET复合分支人工血管膜的顶破强度、径向拉伸性能、弹性回复性能以及缝合强度均比纯PCL膜材料的性能有明显的提高,网格织物显示了显著的增强作用。同时PCL/PET复合分支人工血管膜的各项力学性能也比单层PET分支人工血管膜有了很大的提高。综上所述,本文利用了腔内隔绝手术过程中主动脉弓与分支之间存在的血压差,设计了无需金属支架支撑的帽状分支人工血管膜,优化了分支人工血管的外形设计,并用两种方法制备了分支血管膜,研究了其结构与性能的关系。该分支血管膜可应用于腔内分支血管的重建,达到一次手术释放,可以降低手术的操作难度。同时丰富了腔内分支人工血管的种类,为临床手术方法提供了更多的选择。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-15
第一章绪论  15-34
  1.1 引言  15-18
  1.2 腔内隔绝术用人工血管的研究进展  18-20
    1.2.1 腔内隔绝术用人工血管的定义  18-19
    1.2.2 腔内隔绝术用人工血管的材料要求  19-20
    1.2.3 腔内隔绝术用人工血管膜的制备方法  20
  1.3 涉及分支的腔内隔绝术及其人工血管研究现状  20-26
    1.3.1 分支血管的隔绝封堵  21-22
    1.3.2 开窗型移植物  22-23
    1.3.3 烟囱技术  23-24
    1.3.4 杂交手术  24-25
    1.3.5 分支移植物  25-26
  1.4 本课题的研究背景和意义  26-27
  1.5 本文的研究内容及创新点  27-28
    1.5.1 研究内容  27
    1.5.2 课题创新点  27-28
  1.6 论文章节安排  28-29
  参考文献  29-34
第二章腔内隔绝术用分支人工血管膜的形态与结构设计  34-54
  2.1 分支人工血管膜的结构设计  34-38
    2.1.1 在体测量压差动物实验的材料和方法  34-35
    2.1.2 血压差测试实验结果  35-36
    2.1.3 基于封堵压差的分支人工血管的结构设计  36-38
  2.2 分支人工血管曲面静态有限元模拟分析  38-46
    2.2.1 模型建立  38-40
    2.2.2 初始条件和网格划分  40
    2.2.3 计算结果及分析  40-46
  2.3 分支人工血管膜的曲面流体力学分析  46-51
    2.3.1 流体力学理论分析  46-49
    2.3.2 人工血管膜曲面能量损失和曲面函数的选择  49-51
  2.4 本章小结  51-52
  参考文献  52-54
第三章 PET机织分支人工血管膜的设计与成型  54-67
  3.1 平面织物的设计与织造  54-57
    3.1.1 纱线的准备  54-55
    3.1.2 平面机织布结构参数设计  55-57
    3.1.3 织造  57
  3.2 退浆/致密化  57-60
    3.2.1 退浆/致密化预试验  58-59
    3.2.2 张力状态下的退浆/致密化  59-60
  3.3 模压成型  60-63
    3.3.1 模压成型设备与材料  60-61
    3.3.2 模压成型试验  61-63
  3.4 热定型  63-65
    3.4.1 热定型理论  63
    3.4.2 热定型过程及效果评定方法  63-64
    3.4.3 热定型结果分析  64-65
  3.5 本章小结  65
  参考文献  65-67
第四章 PET机织分支人工血管膜的结构与性能  67-89
  4.1 分支人工血管膜的几何结构测试  67-73
    4.1.1 测试方法  67-68
    4.1.2 结果分析  68-73
  4.2 分支人工血管膜聚集态结构的分析  73-77
    4.2.1 测试方法  73-74
    4.2.2 试验结果及分析  74-77
  4.3 分支人工血管膜力学性质的测试  77-85
    4.3.1 测试方法  77-80
    4.3.2 试验结果及分析  80-85
  4.4 帽型分支人工血管膜释放体外模拟  85-87
    4.4.1 模拟试验步骤  85-86
    4.4.2 模拟效果与改进措施  86-87
  4.5 本章小结  87-88
  参考文献  88-89
第五章 PCL/PET复合分支人工血管膜的设计与制备  89-101
  5.1 PCL/PET复合分支人工血管膜的结构设计  89-90
  5.2 PCL多孔膜的设计与制备  90-96
    5.2.1 原料的选择  90-91
    5.2.2 溶剂的选择  91-93
    5.2.3 PCL多孔膜的制备  93
    5.2.4 溶液浓度对PCL膜材料的孔隙的影响  93-94
    5.2.5 分子量对PCL多孔膜结构的影响  94-96
  5.3 PCL/PET复合分支人工血管膜的制备  96-99
    5.3.1 PET网格织物的制备  96-98
    5.3.2 PCL及PET织物增强复合分支人工血管的制备方法  98-99
  5.4 本章小结  99
  参考文献  99-101
第六章 PCL/PET复合分支人工血管膜的结构与性能  101-117
  6.1 分支人工血管膜的结构测试  101-107
    6.1.1 测试方法  101-103
    6.1.2 结果与讨论  103-107
  6.2 人工血管膜的力学性能测试  107-115
    6.2.1 测试方法  108-111
    6.2.2 结果与讨论  111-115
  6.3 本章小结  115-116
  参考文献  116-117
第七章结论与展望  117-120
  7.1 本文主要的结论  117-119
  7.2 研究展望  119-120
攻读博士学位期间发表论文及相关成果  120-123
致谢  123

腔内隔绝术用分支人工血管膜的设计与性能研究

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