動脈組織的力學性能對于維持心血管健康具有重要意義，并與心血管相關疾病的發生發展密切相關。主動脈腹側和背側組織力學性能之間存在顯著差異，但缺乏量化的力學性能參數，且其成因尚不清楚。本文以豬降主動脈腹側與背側組織為研究對象，通過雙軸拉伸方法獲取應力-應變曲線，分析組織正交各向異性，采用 Gasser-Ogden-Holzapfel 型應變能函數描述動脈組織力學性能參數，采用 Elastic Van Gieson（EVG）法和天狼星紅染色法觀測動脈組織彈性纖維和膠原纖維顯微結構。結果表明，與降主動脈腹側組織相比，降主動脈背側組織表現出更明顯的正交各向異性，且在周向上的彈性模量明顯大于降主動脈腹側組織。降主動脈腹側和背側組織的超彈本構參數之間差異均無統計學意義，但幾乎所有降主動脈組織的纖維角度都小于 0.785 rad（45°），膠原纖維的排列更趨于周向。EVG 和天狼星紅染色顯示降主動脈腹側外-中膜彈性纖維層密度明顯高于背側組織，外-中膜膠原纖維背側多于腹側。結果提示，豬降主動脈背側組織與腹側組織之間的力學性能差異與外-中膜組織中的微觀結構有關。在相對較小的應變范圍內，可忽略降主動脈腹側與背側組織力學性能的差異；當應變較高時，則需區別對待。本研究結果可為動脈疾病（如動脈夾層）的成因以及人工血管設計等提供數據參考。
引用本文： 李曉娜, 陳凌峰, 高志鵬, 劉佳禾, 陳維毅. 豬降主動脈腹側與背側組織力學性能的實驗研究. 生物醫學工程學雜志, 2019, 36(4): 596-603. doi: 10.7507/1001-5515.201905005 復制
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引言
心血管疾病是一種世界范圍內的常見疾病。多種因素均可導致動脈系統組織微觀結構改變，導致心血管疾病，如遺傳、高血壓、不健康飲食、年齡增長和外傷等。其中，動脈組織的力學性能及形態學特征對于維持心血管健康具有重要意義，并與心血管相關疾病（動脈夾層及動脈瘤）的發生發展密不可分[1-3]。
主動脈組織的力學性能主要取決于血管中膜彈性纖維和膠原纖維的含量[4-5]，且與距離心臟位置有關。一般而言，離心臟越遠，主動脈的剛度越大[6-9]，同時周向力學性能也存在差異[10-12]。采用灌流實驗對豬降主動脈的周向力學性能研究發現，背側血管壁的彈性模量明顯高于腹側，且背側血管壁厚度明顯低于腹側[13]，這與我們前期使用單軸拉伸實驗法測量的結果一致[14]。此外，我們還發現豬降主動脈背側組織軸向的最大切線模量明顯小于腹側[15]。Kermani 等[16]發現豬降主動脈在同一軸向長度、不同周向區域的組織，其軸向力學性能存在一定差異。臨床上，相對背側組織，腹側組織更容易發生主動脈夾層[17]。雖然研究發現主動脈腹側和背側組織力學性能之間存在顯著差異，但缺乏量化的力學性能參數，且其成因尚不清楚。
本文采用雙軸拉伸實驗法，研究了豬降主動脈腹側與背側組織的力學性能，包括正交各向異性參數和 Gasser-Ogden-Holzapfel（GOH）型本構方程參數；并采用 Elastic Van Gieson（EVG）染色觀測了主動脈組織中彈性纖維的分布及密度，分析了降主動脈組織結構與力學性能之間的關系。本研究將為動脈夾層和動脈瘤的發生與發展的成因提供實驗依據，同時也可為血管建模提供量化的數據參考。
1 材料和方法
1.1 動脈組織試件的制備
在本地屠宰場收集死亡 1 h 內的家豬動脈組織（6 月齡左右，雌雄不限，編號 1～6），冰塊低溫運輸，4℃ 保存，4 h 內完成實驗。降主動脈的取樣位置介于第二和第四肋骨之間，取 30～40 cm 的降主動脈，分離出動脈組織的腹側面（ventral region）和背側面（dorsal region），分別將所取動脈組織制備成 20 mm × 20 mm 方形試件，測量區域為中間 10 mm × 10 mm 區域。動脈組織厚度采用激光位移傳感器（LK-G5000，基恩士，中國）測量。
1.2 雙軸拉伸實驗
采用雙軸拉伸測量儀（Bio-tester 5000，CellScale，加拿大）檢測動脈組織的力學性能。如圖 1 所示，測試前對試樣施加位移速度為 10 mm /min、位移幅值為 3 mm 的拉伸預循環 10 次，以保證組織力學性能檢測數據的一致性[18]。然后對試樣進行連續 6 次不同位移幅值的加卸載拉伸，軸向（Ua）和周向（Uc）的位移比值分別為 1∶1、0.75∶1、1∶0.75、0.5∶1、1∶0.5 和 1∶1，其中 Ua:Uc 為 1∶1（等比例拉伸）表示對試樣施加的軸向和周向最大位移均為 3 mm。第一個和最后一個加卸載用于檢測實驗數據的一致性，實驗中兩者幾乎重合。測試過程中，試樣均浸沒在 0.9% 氯化鈉溶液中，實驗采用恒溫水浴保持溫度為 37℃。采用第一 Piola-Kirchhoff 應力描述組織應力，Pθθ = Fθ /（t*wz）和 Pzz = Fz /（t*wθ）分別代表周向和軸向應力。其中，t、wz 和 wθ 分別代表動脈組織的初始厚度、沿軸向的寬度和沿周向的寬度。Fθ、Fz 和 εθ、εz 分別表示力和應變。A0.045 和 A0.060 分別表示 0.045 MPa 和 0.060 MPa 應力下的正交各向異性參數，通過軸向和周向伸長比的差值除以其平均值獲得[8]。
圖1
雙軸加載過程中位移隨時間變化圖
Figure1.
The displacement changes with time during biaxial loading test
1.3 力學分析
GOH 型應變能函數在描述材料力學性能方面考慮了組織微觀結構[4]，因此，我們采用 GOH 型應變能函數本構方程對實驗獲得的動脈組織數據進行分析。將動脈組織簡化為僅由中膜和外膜構成，忽略內膜；認為中膜和外膜為均勻的纖維結構，并將中膜和外膜作為整體結構進行研究。本構方程描述如下：
 |
式中，向量 a01 和 a02 為對應的膠原纖維排列的方向，C = FTF 為右 Cauchy-Green 張量，其中 F 代表變形梯度。相應的應變能函數為：
 |
其中：
 |
 |
I1、I4 和 I6 代表第 1、第 4 和第 6 右柯西不變張量，假設模型中兩個膠原纖維簇與周向的夾角分別為+θ 和–θ 范圍，可以反映膠原纖維排列方向，小于 0.785 rad（45°）表示纖維排列沿周向，大于 0.785 rad 則纖維排列沿軸向。方程（1）中，
表示動脈組織中具有各向同性的非膠原纖維基質結構的力學響應；
表示具有各向異性的膠原纖維部分的力學響應；參數 μ > 0 和參數 k1 > 0 為類似應力參數，μ 代表非膠原纖維部分的組織剛度，k1 代表膠原纖維的剛度；參數 k2 > 0 是無量綱參數，對應組織的非線性力學性能；參數 κ ∈ [0，1/3]為散度參數，代表膠原纖維的離散度。如果所有的膠原纖維排列角度相同，則 κ = 0，如果膠原纖維隨機排列，則 κ = 1/3。
假定動脈組織為不可壓縮材料，即
。其中 F 代表位移梯度張量，
，i = 1，2，3 為主方向上的伸長比。采用 Levenberg-Marquardt 最小優化算法處理實驗數據：
 |
其中，
，
是第一 Piola-Kirchhoff 應力。Pθθ 和 Pzz 為實驗中獲得的第一 Piola-Kirchhoff 應力。相關系數 R2 和均方根誤差 
采用以下方法計算：
 |
 |
其中，m 和 n 分別為周向和軸向數據點的個數。參數 μ、k1、k2、κ、θ 及其相關系數和均方根誤差可通過計算獲得。
1.4 動脈組織纖維蛋白染色
采用 EVG 法對動脈組織彈性纖維進行染色。首先將動脈組織進行常規石蠟包埋切片，然后采用 EVG 染液浸染切片，用三氯化鐵分化液進行背景分化，顯微鏡下觀察分化程度；采用蘇木素-伊紅復染。二甲苯透明，中性樹膠封片。顯微鏡下（IX71，Olympus，日本）觀察并采集圖像（DP71，Olympus，日本），其中動脈組織中的彈性纖維呈黑色，膠原纖維為粉紅色。測量了目標區域內單位寬度中膜組織中的彈性纖維層數，用以表示彈性纖維的密度[1]。
采用天狼星紅對動脈組織膠原纖維進行染色。將動脈組織的石蠟切片浸入天狼星紅染液中染色，無水乙醇脫水后封片，二甲苯透明，中性樹膠封片。顯微鏡下膠原纖維呈紅色，背景黃色。
1.5 統計學分析
實驗結果以均值 ± 標準差表示，n = 6。采用 SPSS 20.0 統計分析軟件進行統計學分析，組內兩兩比較采用配對 t 檢驗，多組間比較采用單因素方差分析。P < 0.05 認為差異具有統計學意義。
2 結果
首先測量了豬降主動脈的背側和腹側厚度。與豬降主動脈的背側面厚度（1.72 ± 0.20）mm 相比，腹側面厚度（2.46 ± 0.40）mm 增加了 43%（P < 0.05）。雙軸拉伸實驗獲得的應力-應變曲線顯示：豬降主動脈表現為典型的非線性特征（見圖 2）；與腹側組織相比，背側面組織正交各向異性更明顯（見圖 3）；分別比較腹側與背側組織的軸向與周向的平均應力-應變曲線發現，腹側與背側組織的軸向力學響應差異很小，平均應力-應變曲線幾乎重合，差異主要表現在組織的周向上，背側組織在周向上的切線模量明顯大于腹側組織（見圖 3）。說明在 0～0.3 應變范圍內，豬降主動脈腹側和背側組織的力學性能差異主要體現在周向方向上。
圖2
不同拉伸比例條件下 2 號豬降主動脈腹側和背側組織應力-應變曲線
Figure2.
The stress-strain curves of ventral and dorsal regions of No.2 porcine descending aorta with different stretching proportion
圖3
等比例拉伸條件下豬降主動脈背側和腹側組織平均應力-應變曲線
Figure3.
Mean stress-strain curves of ventral and dorsal regions of porcine descending aorta with equibiaxial stretching
收縮壓 120 mm Hg 時，動脈壁內周向應力約為 0.070 MPa，舒張壓為 80 mm Hg 時，動脈壁周向應力約為 0.045 MPa。考慮到有些試件最大應力達不到 0.070 MPa，本文用 0.060 MPa 和 0.045 MPa 應力分別計算高壓和低壓下血管壁的正交各向異性參數。如表 1 所示，當應力為 0.060 MPa 時，背側（A0.060 = 0.037 ± 0.015）和腹側（A0.060 = 0.017 ± 0.008）組織的正交各向異性存在明顯的差異（P < 0.05）；在 0.045 MPa 應力條件下，背側（A0.045 = 0.035 ± 0.015）和腹側（A0.045 = 0.022 ± 0.015）組織的正交各向異性則無明顯差異（P > 0.05）。
表1
0.045 MPa 和 0.060 MPa 應力下動脈組織周向和軸向的伸 長比和正交各向異性參數
Table1.
Elongation ratio and parameters in the circumferential and axial direction under 0.045 MPa and 0.060 MPa
相關系數 R2 ≥ 0.987 和均方根誤差 
≤ 0.004 表明 GOH 應變能函數能夠較好地描述動脈組織的力學特征（具體參數詳見表 2）。采用 GOH 型應變能函數分析結果表明，豬降主動脈腹側和背側組織的超彈本構參數均無明顯差異（P > 0.05）。除 1 號試樣，其余試樣組織的纖維角度均小于 0.785 rad（45°），說明動脈組織中的纖維方向更偏向周向。
表2
腹側與背側動脈組織的 GOH 本構參數
Table2.
GOH constitutive parameters of the ventral and dorsal arterial regions
為了弄清豬降主動脈腹側和背側組織力學性能差異是否與組織結構尤其是纖維分布有關，我們對動脈組織進行了 EVG 和天狼星紅染色。如圖 4 所示，人為將豬降主動脈中膜分為內-中膜（中膜靠近內膜 1/2）和外-中膜（中膜靠近外膜 1/2）兩部分。EVG 染色結果表明，腹側動脈組織的外-中膜彈性層密度明顯高于背側動脈組織外-中膜（P < 0.001）；同側動脈組織內外層比較，在腹側外-中膜彈性層密度高于內-中膜（P < 0.001），而背側的內、外-中膜之間則無明顯差異（P > 0.05）。天狼星紅染色結果發現，腹側動脈組織內-中膜紅色膠原纖維多于同側外-中膜；另外，背側動脈組織外-中膜紅色膠原纖維多于腹側動脈組織外-中膜（見圖 5）。
圖4
腹側和背側動脈組織 EVG 染色及中膜組織彈性層密度比較
Figure4.
EVG staining of the ventral and dorsal arterial regions and density of elastic lamellae in tunica media
圖5
腹側和背側動脈組織天狼星紅染色
Figure5.
Sirius red staining of the ventral and dorsal arterial regions
3 討論
動脈組織的力學性能及形態學特征對于維持心血管健康具有重要意義，并與心血管相關疾病（如主動脈夾層）的發生發展有關[1]。研究發現降主動脈腹側和背側組織之間的力學性能存在顯著差異，但成因尚不明確，且量化的雙軸力學性能參數還未見報道。我們通過雙軸拉伸實驗研究了豬降主動脈腹側和背側組織在應力為 0.045 MPa 和 0.060 MPa 下的正交各向異性參數，擬合獲得了 GOH 型本構參數，并且通過纖維蛋白染色，揭示了造成降主動脈腹側與背側力學性能差異的組織學原因。
我們的研究發現，豬降主動脈背側和腹側組織的軸向平均應力-應變曲線幾乎重合，而在周向上的平均應力-應變曲線則存在明顯差異，周向切線模量均大于軸向，且背側組織切線模量明顯大于腹側。Pe?a 等[8]采用單軸拉伸法對豬降主動脈近心端和遠心端組織力學性能進行檢測發現，近心端和遠心端的軸向拉伸彈性模量也無明顯差異。我們課題組前期對豬降主動脈行單軸拉伸實驗的結果顯示，當軸向應力為 0.1 MPa 時，腹側與背側組織的軸向彈性模量沒有差異，而周向彈性模量背側組織明顯大于腹側[15]，說明豬降主動脈腹側和背側組織的力學性能差異主要表現在周向方向上。我們采用 GOH 型應變能函數本構方程對雙軸拉伸獲得的數據分析發現，無論腹側還是背側的膠原纖維簇與周向的夾角均小于 0.785 rad（45°），進一步說明動脈組織中的膠原纖維的排列方向更偏向周向。雖然背側組織與腹側纖維的周向成角之間差異無統計學意義，但背側（0.630 rad/36.1°）有小于腹側（0.679 rad/38.9°）的趨勢，這可能與 GOH 模型簡化及實驗樣本量大小有關。
與 Pe?a 等[19]的研究相比，本研究側重于降主動脈腹側與背側部分組織力學性能之間的差異及參數的量化。我們獲得的豬降主動脈 GOH 型本構參數 μ 和 k1 與 Pe?a 等[19]報道的接近，但與之相比，代表組織非線性的參數 k2 和膠原纖維散度的參數 κ 更小，說明我們獲得的參數穩定性更好。這種差異可能與不同的測試方法有關：本文采用的是最大位移控制，對應的最大應變約為 0.3；Pe?a 采用應力控制，對應的應變在 0.05～0.25 之間。
為了探究背側和腹側組織之間力學性能存在差異的原因，我們通過 EVG 法對動脈組織進行染色發現，腹側組織的外中膜更厚，外-中膜彈性纖維層密度明顯比內-中膜大。Hemmasizadeh 等[1]發現豬降主動脈組織中膜結構具有非均質性，與內-中膜相比，外-中膜彈性纖維更致密，總蛋白和結構蛋白含量更高，彈性纖維和膠原纖維形態更趨于筆直，彈性模量更大。這與透壁方向上沿周向存在的殘余應力分布一致：血管壁靠內膜部分組織存在壓縮殘余應力，靠外膜部分組織則存在拉伸殘余應力[20-21]。此外，我們還發現腹側組織的外-中膜彈性纖維層密度明顯大于背側，而與腹側相比，背側外-中膜膠原纖維相對更多。文獻報道降主動脈腹側和背側組織在剛度上無顯著差別[13]，背側組織厚度小于腹側，但背側組織的彈性模量高于腹側。主動脈中膜組織細胞外基質主要由膠原纖維和彈性纖維組成，是主要承載元件。與腹側組織相比，背側組織外-中膜彈性纖維層密度較小，但膠原纖維密度或含量相對增加，故增強了其力學性能。超彈性組織的應力-應變關系依賴于應變的狀態。隨著應變增加，更多的膠原纖維趨于筆直的拉伸狀態，以承受更大的載荷作用。背側組織外-中膜膠原纖維相對致密或含量增加，可能是造成主動脈背側組織在較高應力水平下（0.060 MPa）其正交各向異性較腹側組織更明顯的重要原因。
綜上所述，與豬降主動脈腹側組織相比，背側組織的正交各向異性更明顯，這與外-中膜組織中纖維分布及密度有關。這種結構的差異可能是造成動脈夾層更易出現在腹側的重要因素。降主動脈組織在相對較小的應變范圍（0～0.3）內不需要考慮腹側與背側組織力學性能的差異；當處于較高應變時（大于 0.3），則需要分別考慮。本研究結果不僅為動脈疾病的發生（如動脈夾層）提供了實驗依據，也可為優化支架設計和人工血管制作等提供基礎數據。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
心血管疾病是一種世界范圍內的常見疾病。多種因素均可導致動脈系統組織微觀結構改變，導致心血管疾病，如遺傳、高血壓、不健康飲食、年齡增長和外傷等。其中，動脈組織的力學性能及形態學特征對于維持心血管健康具有重要意義，并與心血管相關疾病（動脈夾層及動脈瘤）的發生發展密不可分[1-3]。
主動脈組織的力學性能主要取決于血管中膜彈性纖維和膠原纖維的含量[4-5]，且與距離心臟位置有關。一般而言，離心臟越遠，主動脈的剛度越大[6-9]，同時周向力學性能也存在差異[10-12]。采用灌流實驗對豬降主動脈的周向力學性能研究發現，背側血管壁的彈性模量明顯高于腹側，且背側血管壁厚度明顯低于腹側[13]，這與我們前期使用單軸拉伸實驗法測量的結果一致[14]。此外，我們還發現豬降主動脈背側組織軸向的最大切線模量明顯小于腹側[15]。Kermani 等[16]發現豬降主動脈在同一軸向長度、不同周向區域的組織，其軸向力學性能存在一定差異。臨床上，相對背側組織，腹側組織更容易發生主動脈夾層[17]。雖然研究發現主動脈腹側和背側組織力學性能之間存在顯著差異，但缺乏量化的力學性能參數，且其成因尚不清楚。
本文采用雙軸拉伸實驗法，研究了豬降主動脈腹側與背側組織的力學性能，包括正交各向異性參數和 Gasser-Ogden-Holzapfel（GOH）型本構方程參數；并采用 Elastic Van Gieson（EVG）染色觀測了主動脈組織中彈性纖維的分布及密度，分析了降主動脈組織結構與力學性能之間的關系。本研究將為動脈夾層和動脈瘤的發生與發展的成因提供實驗依據，同時也可為血管建模提供量化的數據參考。
1 材料和方法
1.1 動脈組織試件的制備
在本地屠宰場收集死亡 1 h 內的家豬動脈組織（6 月齡左右，雌雄不限，編號 1～6），冰塊低溫運輸，4℃ 保存，4 h 內完成實驗。降主動脈的取樣位置介于第二和第四肋骨之間，取 30～40 cm 的降主動脈，分離出動脈組織的腹側面（ventral region）和背側面（dorsal region），分別將所取動脈組織制備成 20 mm × 20 mm 方形試件，測量區域為中間 10 mm × 10 mm 區域。動脈組織厚度采用激光位移傳感器（LK-G5000，基恩士，中國）測量。
1.2 雙軸拉伸實驗
采用雙軸拉伸測量儀（Bio-tester 5000，CellScale，加拿大）檢測動脈組織的力學性能。如圖 1 所示，測試前對試樣施加位移速度為 10 mm /min、位移幅值為 3 mm 的拉伸預循環 10 次，以保證組織力學性能檢測數據的一致性[18]。然后對試樣進行連續 6 次不同位移幅值的加卸載拉伸，軸向（Ua）和周向（Uc）的位移比值分別為 1∶1、0.75∶1、1∶0.75、0.5∶1、1∶0.5 和 1∶1，其中 Ua:Uc 為 1∶1（等比例拉伸）表示對試樣施加的軸向和周向最大位移均為 3 mm。第一個和最后一個加卸載用于檢測實驗數據的一致性，實驗中兩者幾乎重合。測試過程中，試樣均浸沒在 0.9% 氯化鈉溶液中，實驗采用恒溫水浴保持溫度為 37℃。采用第一 Piola-Kirchhoff 應力描述組織應力，Pθθ = Fθ /（t*wz）和 Pzz = Fz /（t*wθ）分別代表周向和軸向應力。其中，t、wz 和 wθ 分別代表動脈組織的初始厚度、沿軸向的寬度和沿周向的寬度。Fθ、Fz 和 εθ、εz 分別表示力和應變。A0.045 和 A0.060 分別表示 0.045 MPa 和 0.060 MPa 應力下的正交各向異性參數，通過軸向和周向伸長比的差值除以其平均值獲得[8]。
圖1
雙軸加載過程中位移隨時間變化圖
Figure1.
The displacement changes with time during biaxial loading test
1.3 力學分析
GOH 型應變能函數在描述材料力學性能方面考慮了組織微觀結構[4]，因此，我們采用 GOH 型應變能函數本構方程對實驗獲得的動脈組織數據進行分析。將動脈組織簡化為僅由中膜和外膜構成，忽略內膜；認為中膜和外膜為均勻的纖維結構，并將中膜和外膜作為整體結構進行研究。本構方程描述如下：
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式中，向量 a01 和 a02 為對應的膠原纖維排列的方向，C = FTF 為右 Cauchy-Green 張量，其中 F 代表變形梯度。相應的應變能函數為：
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其中：
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I1、I4 和 I6 代表第 1、第 4 和第 6 右柯西不變張量，假設模型中兩個膠原纖維簇與周向的夾角分別為+θ 和–θ 范圍，可以反映膠原纖維排列方向，小于 0.785 rad（45°）表示纖維排列沿周向，大于 0.785 rad 則纖維排列沿軸向。方程（1）中， 表示動脈組織中具有各向同性的非膠原纖維基質結構的力學響應； 表示具有各向異性的膠原纖維部分的力學響應；參數 μ > 0 和參數 k1 > 0 為類似應力參數，μ 代表非膠原纖維部分的組織剛度，k1 代表膠原纖維的剛度；參數 k2 > 0 是無量綱參數，對應組織的非線性力學性能；參數 κ ∈ [0，1/3]為散度參數，代表膠原纖維的離散度。如果所有的膠原纖維排列角度相同，則 κ = 0，如果膠原纖維隨機排列，則 κ = 1/3。
假定動脈組織為不可壓縮材料，即。其中 F 代表位移梯度張量，，i = 1，2，3 為主方向上的伸長比。采用 Levenberg-Marquardt 最小優化算法處理實驗數據：
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其中，， 是第一 Piola-Kirchhoff 應力。Pθθ 和 Pzz 為實驗中獲得的第一 Piola-Kirchhoff 應力。相關系數 R2 和均方根誤差 采用以下方法計算：
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其中，m 和 n 分別為周向和軸向數據點的個數。參數 μ、k1、k2、κ、θ 及其相關系數和均方根誤差可通過計算獲得。
1.4 動脈組織纖維蛋白染色
采用 EVG 法對動脈組織彈性纖維進行染色。首先將動脈組織進行常規石蠟包埋切片，然后采用 EVG 染液浸染切片，用三氯化鐵分化液進行背景分化，顯微鏡下觀察分化程度；采用蘇木素-伊紅復染。二甲苯透明，中性樹膠封片。顯微鏡下（IX71，Olympus，日本）觀察并采集圖像（DP71，Olympus，日本），其中動脈組織中的彈性纖維呈黑色，膠原纖維為粉紅色。測量了目標區域內單位寬度中膜組織中的彈性纖維層數，用以表示彈性纖維的密度[1]。
采用天狼星紅對動脈組織膠原纖維進行染色。將動脈組織的石蠟切片浸入天狼星紅染液中染色，無水乙醇脫水后封片，二甲苯透明，中性樹膠封片。顯微鏡下膠原纖維呈紅色，背景黃色。
1.5 統計學分析
實驗結果以均值 ± 標準差表示，n = 6。采用 SPSS 20.0 統計分析軟件進行統計學分析，組內兩兩比較采用配對 t 檢驗，多組間比較采用單因素方差分析。P < 0.05 認為差異具有統計學意義。
2 結果
首先測量了豬降主動脈的背側和腹側厚度。與豬降主動脈的背側面厚度（1.72 ± 0.20）mm 相比，腹側面厚度（2.46 ± 0.40）mm 增加了 43%（P < 0.05）。雙軸拉伸實驗獲得的應力-應變曲線顯示：豬降主動脈表現為典型的非線性特征（見圖 2）；與腹側組織相比，背側面組織正交各向異性更明顯（見圖 3）；分別比較腹側與背側組織的軸向與周向的平均應力-應變曲線發現，腹側與背側組織的軸向力學響應差異很小，平均應力-應變曲線幾乎重合，差異主要表現在組織的周向上，背側組織在周向上的切線模量明顯大于腹側組織（見圖 3）。說明在 0～0.3 應變范圍內，豬降主動脈腹側和背側組織的力學性能差異主要體現在周向方向上。
圖2
不同拉伸比例條件下 2 號豬降主動脈腹側和背側組織應力-應變曲線
Figure2.
The stress-strain curves of ventral and dorsal regions of No.2 porcine descending aorta with different stretching proportion
圖3
等比例拉伸條件下豬降主動脈背側和腹側組織平均應力-應變曲線
Figure3.
Mean stress-strain curves of ventral and dorsal regions of porcine descending aorta with equibiaxial stretching
收縮壓 120 mm Hg 時，動脈壁內周向應力約為 0.070 MPa，舒張壓為 80 mm Hg 時，動脈壁周向應力約為 0.045 MPa。考慮到有些試件最大應力達不到 0.070 MPa，本文用 0.060 MPa 和 0.045 MPa 應力分別計算高壓和低壓下血管壁的正交各向異性參數。如表 1 所示，當應力為 0.060 MPa 時，背側（A0.060 = 0.037 ± 0.015）和腹側（A0.060 = 0.017 ± 0.008）組織的正交各向異性存在明顯的差異（P < 0.05）；在 0.045 MPa 應力條件下，背側（A0.045 = 0.035 ± 0.015）和腹側（A0.045 = 0.022 ± 0.015）組織的正交各向異性則無明顯差異（P > 0.05）。
表1
0.045 MPa 和 0.060 MPa 應力下動脈組織周向和軸向的伸 長比和正交各向異性參數
Table1.
Elongation ratio and parameters in the circumferential and axial direction under 0.045 MPa and 0.060 MPa
相關系數 R2 ≥ 0.987 和均方根誤差 ≤ 0.004 表明 GOH 應變能函數能夠較好地描述動脈組織的力學特征（具體參數詳見表 2）。采用 GOH 型應變能函數分析結果表明，豬降主動脈腹側和背側組織的超彈本構參數均無明顯差異（P > 0.05）。除 1 號試樣，其余試樣組織的纖維角度均小于 0.785 rad（45°），說明動脈組織中的纖維方向更偏向周向。
表2
腹側與背側動脈組織的 GOH 本構參數
Table2.
GOH constitutive parameters of the ventral and dorsal arterial regions
為了弄清豬降主動脈腹側和背側組織力學性能差異是否與組織結構尤其是纖維分布有關，我們對動脈組織進行了 EVG 和天狼星紅染色。如圖 4 所示，人為將豬降主動脈中膜分為內-中膜（中膜靠近內膜 1/2）和外-中膜（中膜靠近外膜 1/2）兩部分。EVG 染色結果表明，腹側動脈組織的外-中膜彈性層密度明顯高于背側動脈組織外-中膜（P < 0.001）；同側動脈組織內外層比較，在腹側外-中膜彈性層密度高于內-中膜（P < 0.001），而背側的內、外-中膜之間則無明顯差異（P > 0.05）。天狼星紅染色結果發現，腹側動脈組織內-中膜紅色膠原纖維多于同側外-中膜；另外，背側動脈組織外-中膜紅色膠原纖維多于腹側動脈組織外-中膜（見圖 5）。
圖4
腹側和背側動脈組織 EVG 染色及中膜組織彈性層密度比較
Figure4.
EVG staining of the ventral and dorsal arterial regions and density of elastic lamellae in tunica media
圖5
腹側和背側動脈組織天狼星紅染色
Figure5.
Sirius red staining of the ventral and dorsal arterial regions
3 討論
動脈組織的力學性能及形態學特征對于維持心血管健康具有重要意義，并與心血管相關疾病（如主動脈夾層）的發生發展有關[1]。研究發現降主動脈腹側和背側組織之間的力學性能存在顯著差異，但成因尚不明確，且量化的雙軸力學性能參數還未見報道。我們通過雙軸拉伸實驗研究了豬降主動脈腹側和背側組織在應力為 0.045 MPa 和 0.060 MPa 下的正交各向異性參數，擬合獲得了 GOH 型本構參數，并且通過纖維蛋白染色，揭示了造成降主動脈腹側與背側力學性能差異的組織學原因。
我們的研究發現，豬降主動脈背側和腹側組織的軸向平均應力-應變曲線幾乎重合，而在周向上的平均應力-應變曲線則存在明顯差異，周向切線模量均大于軸向，且背側組織切線模量明顯大于腹側。Pe?a 等[8]采用單軸拉伸法對豬降主動脈近心端和遠心端組織力學性能進行檢測發現，近心端和遠心端的軸向拉伸彈性模量也無明顯差異。我們課題組前期對豬降主動脈行單軸拉伸實驗的結果顯示，當軸向應力為 0.1 MPa 時，腹側與背側組織的軸向彈性模量沒有差異，而周向彈性模量背側組織明顯大于腹側[15]，說明豬降主動脈腹側和背側組織的力學性能差異主要表現在周向方向上。我們采用 GOH 型應變能函數本構方程對雙軸拉伸獲得的數據分析發現，無論腹側還是背側的膠原纖維簇與周向的夾角均小于 0.785 rad（45°），進一步說明動脈組織中的膠原纖維的排列方向更偏向周向。雖然背側組織與腹側纖維的周向成角之間差異無統計學意義，但背側（0.630 rad/36.1°）有小于腹側（0.679 rad/38.9°）的趨勢，這可能與 GOH 模型簡化及實驗樣本量大小有關。
與 Pe?a 等[19]的研究相比，本研究側重于降主動脈腹側與背側部分組織力學性能之間的差異及參數的量化。我們獲得的豬降主動脈 GOH 型本構參數 μ 和 k1 與 Pe?a 等[19]報道的接近，但與之相比，代表組織非線性的參數 k2 和膠原纖維散度的參數 κ 更小，說明我們獲得的參數穩定性更好。這種差異可能與不同的測試方法有關：本文采用的是最大位移控制，對應的最大應變約為 0.3；Pe?a 采用應力控制，對應的應變在 0.05～0.25 之間。
為了探究背側和腹側組織之間力學性能存在差異的原因，我們通過 EVG 法對動脈組織進行染色發現，腹側組織的外中膜更厚，外-中膜彈性纖維層密度明顯比內-中膜大。Hemmasizadeh 等[1]發現豬降主動脈組織中膜結構具有非均質性，與內-中膜相比，外-中膜彈性纖維更致密，總蛋白和結構蛋白含量更高，彈性纖維和膠原纖維形態更趨于筆直，彈性模量更大。這與透壁方向上沿周向存在的殘余應力分布一致：血管壁靠內膜部分組織存在壓縮殘余應力，靠外膜部分組織則存在拉伸殘余應力[20-21]。此外，我們還發現腹側組織的外-中膜彈性纖維層密度明顯大于背側，而與腹側相比，背側外-中膜膠原纖維相對更多。文獻報道降主動脈腹側和背側組織在剛度上無顯著差別[13]，背側組織厚度小于腹側，但背側組織的彈性模量高于腹側。主動脈中膜組織細胞外基質主要由膠原纖維和彈性纖維組成，是主要承載元件。與腹側組織相比，背側組織外-中膜彈性纖維層密度較小，但膠原纖維密度或含量相對增加，故增強了其力學性能。超彈性組織的應力-應變關系依賴于應變的狀態。隨著應變增加，更多的膠原纖維趨于筆直的拉伸狀態，以承受更大的載荷作用。背側組織外-中膜膠原纖維相對致密或含量增加，可能是造成主動脈背側組織在較高應力水平下（0.060 MPa）其正交各向異性較腹側組織更明顯的重要原因。
綜上所述，與豬降主動脈腹側組織相比，背側組織的正交各向異性更明顯，這與外-中膜組織中纖維分布及密度有關。這種結構的差異可能是造成動脈夾層更易出現在腹側的重要因素。降主動脈組織在相對較小的應變范圍（0～0.3）內不需要考慮腹側與背側組織力學性能的差異；當處于較高應變時（大于 0.3），則需要分別考慮。本研究結果不僅為動脈疾病的發生（如動脈夾層）提供了實驗依據，也可為優化支架設計和人工血管制作等提供基礎數據。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
