BIOOD生物工程

周向张力和压力、半径的关系
动脉血管的顺应性
• C = dv/dp • 表示主动脉血管的可扩张能力 • 越远离心脏，顺应性越差
血管壁的粘弹性
• 应力松弛 • 蠕变 • 滞后环
三种组分应力松弛曲线
三种组分应力应变曲线
不 同 动 脉 应 力 松 弛 .
人工血管
• 人工血管是以尼龙、 涤纶、聚四氟乙稀 （PTFE）等合成材料 人工制造的血管代用 品，适用于全身各处 的血管转流术。
决定了血管的力学性质
三种组分的比例
一、血管壁的组成和一般结构：
血管壁从内向外分为内、中、外膜。 (一)内膜： 1、内皮：单层扁平上皮。 光镜结构：细胞核居中，有核的地方稍微隆起，无核的地方很 薄，呈梭形。
电镜结构： 胞质内有丰富的吞饮小泡。小泡由细胞游离面或基底面的细胞 膜内凹形成，有向血管内外输送物质的作用。
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血细胞 血细胞分为三类：红细胞、白细胞、血小板。 1、红细胞呈双面凹陷的圆盘状，直径约为7.5微 米，没有细胞核，细胞质内没有细胞器而有大量血红 蛋白。血液的颜色就是由血红蛋白决定的。血红蛋白 具有与氧和二氧化碳结合的能力。所以红细胞能供给 全身组织所需要的氧，并带走组织内所产生的二氧化 碳。 3、血小板也称血栓细胞，在流动的血液中呈双 面凸的圆盘状，侧面看呈梭形，直径2-4微米。血小 板的功能是参与止血与凝血。
平 滑 肌
织纤 维 组
小动脉 主动收缩舒张控 制小动脉直径变 化，甚至血管闭锁 局部供血不足
毛细血 管
小静脉
静脉
平滑肌含量：主动脉<大动脉<分置动脉
图 应力松弛曲线
当血管壁径向扩张增大时，刚性很快增加的原因
血管壁的张力
• 两部分组成
– 弹性张力 TE – 平滑肌产生的主动张力 TA
• 弹性张力
– 周向张力 – 轴向张力
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2、白细胞在血液中呈球形，能以变形运动穿过 毛细血管壁进入周围组织中。根据细胞质中是否含有 特殊颗粒，可把白细胞分为粒细胞和无粒细胞。 粒细胞分为中性粒细胞、嗜酸粒细胞、嗜碱粒细 胞。 中性粒细胞呈圆形，直径约10-12微米，细胞核 形态不一，细胞质内的特殊颗粒细小、分布均匀；具 有活跃的变形运动和吞噬能力，当机体某一部分受到 细菌侵犯时，以变形运动穿出毛细血管并吞噬细菌。 嗜酸粒细胞呈圆形，直径约10-15微米，细胞核多为 两叶，颗粒粗大、大小一致、分布均匀；也能以变形 运动穿出毛细血管，但吞噬能力较差，当机体出现过 敏性反应或寄生虫感染，数量往往增多，估计有减轻 过敏反应和杀伤虫体的作用。嗜碱粒细胞呈圆形，直 径约10-11微米，细胞核形状很不规则，颗粒大小不 等、分布不均匀；特殊颗粒内含有肝素、组织胺、和 慢反应物质。肝素具有抗凝血作用，有利于血液保持 液体状态。组织胺和慢反应物质参与过敏反应。 无粒细胞分为两种，淋巴细胞和单核细胞。
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1. 凝血因子的活化本质上为蛋白质的有限水解，而 许多凝血因了本身既是蛋白酶，又是酶作用的底物 。这些本质为蛋白酶的凝血因子(Ⅱ、Ⅵ、Ⅺ、Ⅹ 、Ⅻ)的氨基酸顺序很相似，与许多丝氨酸蛋白酶 同源；活性中心的丝氨酸残基参与肽键的水解。C －端约250个氨基酸残基同源性很高，是具有催化 活性的结构域。而N端的氨基酸序列变化较大， 决定各凝血因子作用底物的专一性。它们催化的反 应需Ca2+和磷脂参加。
血液循环
——原因及意义
双循环
人类血液循环是封闭式的，由体循环和肺循环两条途径构 成的双循环。血液由左心室射出经主动脉及其各级分支流 到全身的毛细血管，在此与组织液进行物质交换，供给组 织细胞氧和营养物质，运走二氧化碳和代谢产物，动脉血 变为静脉血；再经各级表肪汇合成上、下腔静脉流回右心 房，这一循环为体循环。血液由右心室射出经肺动脉流到 肺毛细血管，在此与肺泡气进行气体交换，吸收氧并排出 二氧化碳，静脉血变为动脉血；然后经肺静脉流回左心房 ，这一循环为肺循环。
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动脉血与静脉血的主要区别是：动脉血含氧合血 红蛋白较多，故呈鲜红色；而静脉血含氮离血红 蛋白较多，故呈紫蓝色。经过毛细血管中的血液 每100毫升含的氧离血红蛋白若到心脏的血液与 从心脏泵入动脉系统的血液是平衡的。这种进出 心脏的血量为什么能取得平衡呢？在前面已经谈 到心脏的泵血量取决于心室肌的收缩力量，而心 肌的收缩力又取决于心室肌纤维的初长度。在一 定范围内心室肌初长度增加，心肌的收缩力也增 加，这现象称为心定律。心室肌纤维的初长度与 进入心室的血量有关，进入的血量多，则心室舒 张末期的容积增大，此时心室肌的初长度即增加 ，故心室收缩时力量增大，泵出的血量自然增大 。相反，当回心血量少时心室的充盈量也减少， 故心室舒张末期容积减小，心室肌的初长度减小 ，收缩力减弱，被泵出的血量自然减少。可见进 出心脏血量的平衡是通过改变心室肌纤维的初长 度来实现的。它不受神经与体液因素的影响，只 取决于进入心室的血量，所以进入量与泵出量能 取得平衡。若这种平衡不能维持则出现病理状态 。如果回心血量大于泵出血量，则静脉系统出现 淤血，肝肿大，心衰的病人可发生这种情况。
人工血管的应用
• （1） 动脉疾病：用替代 或者架桥（血管旁路手术）的 方式来来恢复血液的通路从而 来治疗胸主动脉、腹主动脉、 骼动脉等血管段。动脉疾病， 如动脉栓塞或者动脉瘤。 • （2） 静脉疾病：可以替 代或者架桥（血管旁路手术） 的方式来治疗静脉疾病，如布 －加氏综合症。 • （3） 动－静脉瘘：可以 运用在慢性肾病的血液透析过 程中，在四肢部分连接自身动 脉和静脉，形成一条可反复穿 刺的血液透析通路
（3）袖状血管 • 特别的袖状由电 脑三维立体模型设计， 优化流出道血流动力 学，减少吻合口处内 膜增生，显著增加开 通率。且内膜附碳涂 层，减少血小板沉积。
血液凝固机制
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血液凝固的化学本质是溶胶状态的纤维蛋白 原转变为凝胶状态的纤维蛋白，催化此反应 的主 要是凝血酶。而正常血液中以无活性 的凝血酶原形式存在，在一定条件下被激活 而成为凝血酶。凝血酶原激活物是由活化的 凝血固子与磷脂胶粒和钙形成的复合物。 因此，凝血因子的活化是导致血液凝固的触 发机制。据触发凝血过程的方式不同，又有 内源性(intrinsic)与外源性(extrinsic)凝血之分 。内源性凝血指因心血管内膜受损或血液抽 出体外接触异物表面而触发的，仅有血管内 凝血因子参与的凝血过程；而外源性凝血则 指有受损组织释放的组织凝血活素所参与的 凝血过程。血液凝固过程的梗概可图解如下 图：
新型人工血管
（1）碳涂层血管 • 可以显著显著提高血 管开通率。均匀镶嵌于血 管内壁的碳原子与血管壁 有机的结合成一体，具有 良好的生物相容性，与组 织无反应。碳涂层微弱的 负电荷排斥血小板在管壁 的沉积，有效减少血栓形 成机会；碳涂层不利于平 滑肌细胞生长和播散，减 少间质增生，可以显著显 著提高血管开通率。 •
血液循环的能量
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血液的流动是需要能量的，这些能量主要是心脏 搏动产生的，而心脏搏动的能量归根结底又是细 胞中的线粒体产生的，所以心肌细胞中的线粒体 含量是相当相当多的． 其实线粒体也是能量产生的场所而已了，线粒体 里面的活动主要是有氧呼吸的二、三阶段，哦， 有氧呼吸分三个阶段： 第一阶段是葡萄糖脱氢，产生还原性氢、丙酮酸 和少量的ATP，这个阶段在细胞 质的基质中进行 。 第二阶段是丙酮酸继续脱氢，同时需要水分子参 与反应，产生还原性氢、二氧化碳和少量的ATP 。 第三阶段是前两阶段脱下的氢与氧气结合生成水 ，这一阶段产生了大量的ATP。
2. 磷脂胶粒(内源性途径由血小板，外源性途径由 组织凝血活素提供)使活化反应在胶粒表面进行， 大大提高反应速度，而Ca＋＋的作用在于促进酶 和底物与磷脂表面的结合。

3. 凝血因子活化呈瀑布效应(cascade)使血液凝固 具有高效率和精密调控的特征。如右图所示。 4. 维生素K在内、外源性凝血中均有重要作用。 5. 凝血过程中的正反馈使反应不断加速，但终产物 纤维蛋白有抗凝血作用。机体内凝血与抗凝血是密 切联系的。
内皮细胞表面有胞质突
起和细胞衣。 细胞间有紧密连接和缝 隙连接。 胞质内有丰富的高尔基 复合体，粗、滑面内质网。 有成束的微丝，具有收 缩功能，调节血管通透性。
2、内皮下层：薄层结缔组织， 3、内弹性膜：由弹性蛋白组成， 并有许多小孔，是内、中膜的分 界。 （二）中膜： 因血管种类不同，它的厚度和成 分也不一样。大A以弹性膜为主， 中A以平滑肌为主，与内脏平滑肌 相比，细且有分支。 1、中A的平滑肌类似于成纤维细 胞，可以产生胶原纤维、弹性纤 维和基质。 2、当平滑肌向内膜迁移增生时， 引起动脉硬化。
胶原纤维
• 皱成波纹状网络
– 血管一般扩张压 不伸展 – 血管扩张一定程度 伸展到原有长度 产生张 力 – 继续扩张 产生极大张力 阻碍血管进一步扩 张
各组分含量对血管力学性质的影响
• 图 • 例如 动脉 60% 40% • 血管 30% 70%
胸主 弹 胶 胸外 弹 胶
图
主动脉 内 皮
织弹 性 组
输血
血管
——结构及特点
• 血管壁属于生物软组织，其最大的特点就 是具有粘弹性。 • 意义：心血管疾病的病理机制、诊断与治 疗与血管力学性质相关
血管组成的材料、结构和力学性质
• 结构为多层复合、中空的管道 • 血管壁
– 内层——内皮细胞、基质膜 – 中层——弹性纤维、胶原纤维、平滑肌 – 外层——松弛的结缔组织
BIOOD
生物工程141程琳
血液的组成成分及其作用
血液由血细胞和血浆组成，合称全血；血细胞悬浮于血浆中，有红细胞、白细胞和血小板
血浆 •
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血浆相当于结缔组织的细胞间质，为浅黄色液体 ，其中除含有大量水分以外，还有无机盐、纤维蛋白 原、白蛋白、球蛋白、酶、激素、各种营养物质、代 谢产物等。这些物质无一定的形态，但具有重要的生 理功能。 1L血浆中含有900～910g水（90%～91%）。 65～85g蛋白质（6.5%～8.5% ）和20g低分子物质 (2%).低分子物质中有多种电解质和小分子有机化合 物,如代谢产物和其他某些激素等。血浆中电解质含 量与组织液基本相同。由于这些溶质和水分都很容易 透过毛细血管与组织液交流，这一部分液体的理化性 质的变化常与组织液平行。在血液不断循环流动的情 况下。血液中各种电解质的浓度，基本上代表了组织 液中这些物质的浓度。
• 目前用机器编织的人工血 管有两种： • 一种是平织，又称机织；
– 织物纤维紧密，具有丰富的 伸展性，多孔性细致而小， 但其断端容易松散，呈毛刷 状，质地坚硬、缝合困难。
• 另一种是针织，又称线圈 编织。
– 用纤维作线圈式编织，伸展 性较差，多孔性大，质地柔 软，其断端不易松散、缝合 容易
最初用的材料为尼龙(Nylon)，后因其稳定性差，在机体内被破坏， 缺点很多因而废弃。目前普遍应用的人工血管材料为聚酯及聚四氟 乙烯，大多数使用的是针织人工血管。
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血液循环的主要功能是完成体内的物质运输。血液循 环一旦停止，机体各器官组织将因失去正常的物质转 运而发生新陈代谢的障碍。同时体内一些重要器官的 结构和功能将受到损害，尤其是对缺氧敏感的大脑皮 层，只要大脑中血液循环停止3～4分钟，人就丧失 意识，血液循环停止4～5分钟，半数以上的人发生 永久性的脑损害，停止10分钟，即使不是全部智力 毁掉，也会毁掉绝大部分。临床上的体外循环方法就 是在进行心脏外科手术时，保持病人周身血液不停地 流动。对各种原因造成的心跳骤停病人，紧急采用的 心脏按摩（又称心脏挤压）等方法也是为了代替心脏 自动节律性活动以达到维持循环和促使心脏恢复节律 性跳动的目的。
• （2）蛋白或明胶涂层血管 • 由于一般合成人工血管的 生物相容性尚未达到理想状态， 所以可以在这些高分子材料表 面接上一层生物材料，以进一 步提高其生物相容性，这就是 生物混合型人工血管。一般所 接的人工涂层包括以下几种：
– 白蛋白，可提高人工血管的抗 凝性能； – 纤维连接蛋白，可促进内膜形 成，进而抑制凝血的发生； – 胶原蛋白，能促进内膜形成， 防止凝血发生，还能提高人工 血管的顺应性； – 明胶，有促进细胞黏附和生长 的功能，从而在植入后能诱导 内膜形成，防止凝血。
（三）外膜：
为疏松结缔组织，其中
的弹性纤维和胶原纤维
呈螺旋状或纵向分布，
其中的成纤维细胞有修 复膜的能力，有的A在 中、外膜交界处可以看 到由弹性纤维组成的外 弹性膜。
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弹性纤维、胶原纤维、平滑肌的空 间结构
• 弹性纤维-存在裂隙 • 胶原纤维-皱成波纹状网络 • 平滑肌-螺旋状结构
平滑肌<弹性纤维<胶原纤维