微型人造血管壁面特征对血液流动的影响*

王桂莲, 孙云娜, 姚锦元, 王 艳, 丁桂甫, 章巧琪

(1.上海工程技术大学 电子电气工程学院,上海 201620；2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院 微米/纳米加工技术国家重点实验室,上海 200240；3.上海市宝山区中西医结合医院,上海 210999)

0 引 言

血管类疾病尤其是血栓已成为威胁人类健康的一类重要疾病,由此衍生出的人造血管技术是近年来研究人员关注的研究热点[1～4]。自20世纪50年代以来,人们陆续尝试各类人造血管技术[5～7],目前该项技术问题主要集中在血管材料和制备方法这两个方面：一方面探索各种合成纤维织物在人造血管中的应用；另一方面,使人造血管构造更接近天然血管。

虽然目前对于较大管径人造血管研究相对成熟且已有应用的实例,但静脉小管径(<100 μm)的微型人造血管研究尚十分有限。众所周知,1 mm以下的血管随着血管管径的变细,血液的流速和压力也随之递减,低血压和低流速为血栓和内壁异常增生提供了“温床”。同样,微米(μm)级的人造血管也面临着同样的问题。李毓陵等人[8～10]针对PET基材的小直径人造血管的力学性能进行分析,讨论了溶液参数和工艺参数对小血管结构和形态的影响。关颖等人[3]结合丝素纤维和涤纶设计并制备了丝涤混构小管径人造血管,分析人造血管的优化制备结构和工艺。楚增勇等人[11,12]采用理论分析的方法对中空纤维管的结构与纺丝工艺之间的规律进行了探索。伴随微加工技术的飞速发展,目前实现小直径人造血管的方法主要有2种：3D微型化打印技术和喷丝成型技术。其中,3D微型化打印技术是通过3D建模和叠层成型技术,可形成各种复杂的微型化中空管路构造。

本文基于流体仿真技术,分析两种成型技术下制备的血管内壁结构对血液输送能力的影响。重点讨论3D成型血管中内壁凸起结构,流体粘度等因素对小管径人造血管内部流场的影响,为这两类制备技术在人造血管中的应用提供必要的理论参考。

1 模型介绍

3D打印采用聚合物细丝环绕叠层的方式制备人造血管,聚合物细丝在基态上环绕并定位堆叠,逐渐形成中空管状结构。微加工喷丝制备则先是制备出符合人造血管轴截面的喷嘴形状,然后将流动聚合物前驱体加压经由喷嘴挤压快速成型。两种制备方法都借助柔性聚合物成型,然而形成的人工血管内壁面构造却完全不同,在3D打印方法中,聚合物细丝环绕堆叠的中空管状结构其壁面保留了聚合物细丝的凸起,这些凸起正好与血流方向垂直,如图1(a)所示,内壁会形成连续波纹状的凸起阵列。而微加工喷丝制备则会在截面垂直的管轴方向形成与管轴平行的支管结构,如图1(b)所示,其形成的凸起正好与血流方向平行。

图1 两种制备技术的原理示意

2 仿真过程

本文采用多物理场耦合软件Comsol中的流体模块对两类不同成型模式下的血管流动进行仿真。根据两种人造血管模型的对称性以及仿真资源的有限性,建立了喷丝和3D打印成型的人造血管二维仿真模型,如图2所示。图2(a)为3D打印成型的二维血管模型。在该模型中,用固定直径和数量的半圆形阵列模拟其边界的凸起形貌,改变其半圆直径来分析壁面不同凸起形貌对流场的影响。喷丝头模型的轴截面均为平滑的二维管状结构,如图2(b)所示。

图2 两种人造血管的流动仿真模型

本文采用Free形式对两个模型进行网格划分,并对网格无关性进行了验证。对于管径为50 μm的微型血管流道而言,流动为层流,因此选择层流态模块进行仿真。同时基于血液样本的多样化,选取以水代替血液进行对比分析,其粘度取值在水至血液样本粘度的范围内,即0.000 9～0.001 8 Pa·s。其后分析了液态样本粘度变化对流场特性的影响。选择压力作为液态样本的初始动力,入口压力设为17 mmHg；出口设为压力出口,大小为0 mmHg。内壁默认为无滑移边界条件,初始条件设置为各项流速为0,温度为恒定值。模型中具体的结构参数：血管长度w为500 μm,血管内径R为50 μm,内壁凸起半径R1为5 μm,内壁凸起个数N为30,内壁凸起中心距Dis=(W-N×R1×2-R1)/(N-1)+R1×2。动力学粘度为0.008 1 Pa·s,密度为1.055 kg/m3。边界条件和流体物理特性。

3 结果分析

3.1 流场分析

图3为等截面3D打印和喷丝成型的人造血管流场特性图。与喷丝人造血管流场相比,3D打印人造血管中流体速度要低很多,中心流速减少了30 %,因此,壁面上凸起结构对血液有一定的阻碍作用。

图3 两种人造血管中的液体流速分布云图

根据3D打印人造血管中的流速等值线图所示(图4(a)),在凸起左右侧的液体流速接近为零,血液出现明显的滞留状态。当粘度过大时,凸起结构极易导致血流漩涡的产生,抵冲前进的血流而诱发血栓。图4(b)为两种人造血管在管径截面上的血液流速图。

图4 3D打印人造血管流速图

明显地看到,3D人造血管边界存在明显的血液滞留区域,而喷丝的人造血管边界区遵循常规的流场流速分布规律,没有液体滞留区域。

3.2 壁面凸起结构直径对流场影响

根据上述的流场分析,3D打印成型人造血管的壁面凸起结构不仅增大了内部的血液流动阻力,同时在边界引起了滞留区。为了进一步分析凸块对内部血液流动的具体影响,建立了不同直径凸块下3D打印人造血管模型。图5和图6分别为带有不同直径凸起下 (5.0,5.5,6.0,6.5,7.0,7.5)μm的人造血管流场分布云图和流速图。从图中可以看到：随着凸起直径的增大,滞留区域面积(深色区域)明显增大。在图6中,在相同径向位置,流速随着凸起直径的变大而减小,因此血液流动阻力随着凸起直径增大而增大。

图5 随凸起结构深度变化的速度云图

图6 不同直径的凸起结构对应的最大流速图

3.3 血液粘度对流场影响

血液粘度是影响血管中流场分布的一个重要因素。在血管中,其大小具有一定的随机特性,通常是水粘度的4～5倍。为了分析不同粘度下两种模型的流场特性,仿真中粘度值选取为0.000 9～0.001 8 Pa·s。图7为3D打印成型和喷丝成型人造血管随血液粘度变化的最大流速曲线图。

图7 人造血管流速曲线

从图中可以看出,随着液态样本粘度的增大,两种模型制成的人造血管最大流速都逐渐减小。

图8给出了血管截面切线上的流速曲线。从图中可以看到,血管中的最大速度在中间位置,最大速度随着随着液态样本粘度的增大；凸起结构的滞留区面积大小并未受到液态样本粘度的影响而变化。

3.4 滞留区的危害性分析

为了分析滞留区在带有血栓血液流动过程中可能造成的危害,利用阻挡块来模拟形成后的血栓,建立滞留区域内有阻挡块的人造血管模型,如图8(a)所示。图8(b)为带有阻挡块的人造血管流场分布云图。从图中可以看出,血管中血栓斑块附近的滞留区面积增大。滞留区面积变大意味着血液中血小板富集的区域将增大,该区域的血小板量变大。同时,在血栓块区域附近的中心处流速明显变大,这是由于血栓的存在导致流动截面积变小。

图8 带有阻挡块的人造血管流场分布云图

4 结 论

3D打印技术发展为微型人造血管制备提供了技术契机。在微型人造血管中,内壁形貌对于其内部血液流动形态的影响也逐渐变大。本文借助Comsol软件的流体仿真模块,对上3D打印技术制备的人造血管内壁结构特征对血液流动形态的影响规律进行了分析,同时与喷丝打印人造血管进行对比。结果表明：在相同的截面面积下,3D打印制备的人造血管内壁凸起造成流道内流阻明显的增大,而喷丝成型人造血管结构并未对血液流动产生阻碍,最大流速比3D打印成型的大30 %。3D打印凸起结构不仅降低了血液流速,而且在其附近引起了液体滞留区域。该区域内的血液流速基本为零,面积随着凸起结构直径增大而增大,与血液粘度的相关性不大。当滞留区带有血栓时,区域面积进一步增大,引起更为严重的血小板富集效应,因此3D打印的人造血管壁面凸起结构对于血栓具有诱发和强化的作用。