气管狭窄，是临床上经常遇到的难题，除手术外，支架植入术是治疗气管狭窄较为理想的方法[1-2]。常用的有硅酮类和金属类支架，不论是硅酮、还是金属支架，作为一种异物在气管腔内，均可引起气管组织的慢性损伤，造成管壁组织的萎缩、反应性的内膜增生甚至引起周围组织的损伤[1-3]。

生物可降解材料的发展，为解决支架机械性损伤和材料相关性并发症提供了可能。

目前，美国食品药品监督管理局(FDA)批准了数个生物可降解材料，如聚二恶烷酮(polydioxanone， PDO)，聚L-乳酸(poly-L-lactic acid)和聚己内酯(polycaprolactone)，制造医用材料应用于临床。近年来，也被尝试应用于气管支架的研制[4-6]。动物实验表明，可降解气管支架，也有适宜的机械性能，同样能够达到维持气道通畅，但有几个问题尚未解决，一是材料相关性并发症未完全避免，如降解产物或其碎片对气道的阻塞；二是气道分泌物较多和黏稠；三是即便是同一种材料，降解的时间有较大的差异。

尽管如此，临床上尝试应用可降解支气管支架也取得了良好的效果，如PDO支架被应用于肺移植后期或生长期儿童的气管狭窄，进一步激发了研究者的兴趣[7-9]。其最大的优势是能够自行降解，避免再次取出。

PDO材料是生物可降解材料，已经被制作成医用缝线和各类管道(血管支架、胆管支架、胃肠支架等)等应用于临床[10-12]。

先前，利用PDO制作的网状补片，应用于大面积胸壁缺损的动物实验研究，发现术后犬胸壁稳定，呼吸和运动功能良好，伤口愈合良好。证明其具有足够的机械性能和较长的降解时间，以及良好的生物相容性[13]。在另一个实验中，应用PDO材料，采用编织技术中的基本纱罗结构成功制造了多种管状支架，具有良好的机械性能、径向支撑力和弹性回缩率[14]。

本研究目的是评估PDO气管支架，与离体兔颈部气管进行力学性能的比较；同时，进行动物实验，将支架植入健康的新西兰大白兔，进行气管镜、电子显微镜扫描等观察，以期望证明具有良好的生物降解性和适用性。

1 材料与方法

1.1 PDO支架的组成及机械性能测定

支架由直径0.15～0.2mm的PDO单丝纤维，应用基本纱罗结构编织而成，再经过100℃、10min热塑型。支架内径6mm，外径7～8mm，支架长度可根据需要用超声刀进行裁剪，见图1。环氧乙烷消毒，4℃的冰箱中保存。打开后即刻使用，避免受湿度影响降解。

测定试验样品被压缩到其直径(横径)的50%时，用YG061电子测试机测定PDO支架的机械性能。测试样品长度： 3cm；温度： 20℃;湿度： 65%；压缩速度： 10mm/min。

1.2 离体兔颈段气管力学性能测定

安乐死处死试验兔。分离兔颈部气管，即刻浸入生理盐水中，去除附着在管腔外的软组织，冲洗腔内的分泌物，用吸水纸吸尽水渍，送入实验室测定。考虑到气管膜部的构造，以及测定的简易性，气管直径取平均值6mm。测定方法同PDO支架测定。

1.3 动物分组

选取健康的新西兰大白兔，体质量3kg左右，由上海甲干生物科技有限公司提供。实验组(n=20)植入气管支架，对照组(n=6)进行除支架植入外的外科手术。

1.4 方法

1.4.1 动物麻醉及手术 实验兔用氯胺酮(30mg/kg)肌内注射进行麻醉，动物能够自发呼吸，不需要气管插管。外科消毒铺巾，经颈中线切开皮肤，牵开颈前肌群，暴露颈部气管，在软骨环之间，横行切开约2/3圈气管，植入气管支架，见图2。吸尽气管腔内的血液和分泌物，用5-0 PDS缝线(Ethicon)间断缝合。在手术操作中，尽量不损伤气管的血供，减少不必要的手术操作。对照组、实验组兔行气管切开后，直接用5-0 PDS缝线缝合。

1.4.2 术后一般情况 观察和记录实验兔的日常活动、饮食、耳温、有无喘鸣音及鼻分泌物。

1.4.3 组织学及电子显微镜检查 术后4、8、12周，每次选4只术后恢复良好的实验组兔和2只对照组兔，进行纤维气管镜检查后安乐死法处死实验兔。将实验组兔和对照组兔的颈部气管整体取下，沿膜部被打开。标本分为两部分，一部分应用4%福尔马林液固定，石蜡包埋，H-E染色，应用于光学显微镜组织学检查；另一部分，2.5%戊二醛液固定，应用于电子显微镜扫描观察。

2 结 果

2.1 PDS气管支架的力学性能和兔颈段气管力学性能

体外测定气管支架的机械性能，直径6mm PDO气管支架，径向支撑力、弹性回缩率分别是192.43cN、96.8%；体外测定离体兔颈部气管的机械性能，径向支撑力、弹性回缩率分别为157.8cN、93.42%。

2.2 术后一般情况观察

植入PDO气管支架的20只实验组兔，术后短期内多有食欲下降。1只实验兔有颈部皮下气肿，4只出现脓血性鼻分泌物，5只出现间歇性喘鸣音。术后1、2周，各有1只兔死于分泌物气道阻塞，尸检发现合并有肺部感染，但支架均完全性膨胀。术后4周，实验兔食欲和活动均正常。对照组6只兔，术后恢复良好，无皮下气肿，无脓血性鼻分泌物，无间歇性喘鸣音。

2.3 支架组实验兔术后大体标本、支气管镜、组织学及电子显微镜检查

术后发现支架固定良好，气管的管腔始终开放良好，但均有程度不一的气道分泌物。

术后1个月，大体标本可见支架两端的气管黏膜充血肿胀明显，支架表明覆盖有黏性分泌物，程度不一，支架完整，支架能够勉强与气管壁分离。支气管镜检查显示，支架完全打开，纤维完整，色泽正常，有程度不等的分泌物覆盖。组织学检查显示，支架与黏膜接触部位，有坏死和脱落的黏膜，有脓性炎症性浸润；有明显的杯状细胞增生，纤毛细胞脱落，受损；有纤维增生和新生血管生成，软骨层和外膜是正常的。电子显微镜扫描显示，支气管黏膜上覆盖有气道分泌物和炎症细胞，PDO纤维完整，但纤维外表面出现开裂，见图3。

术后2个月大体标本可见，支架两端的气管黏膜充血肿胀缓解，支架外观轮廓可见，被增生组织包裹，无法分离。支气管镜检查显示，支架开放，色泽改变，形态尚可见，有程度不等的分泌物覆盖。组织学检查显示，支架纤维有断裂，黏膜增生和大量分泌物，纤维肉芽组织增生明显，在某些受腐蚀的上皮区域，有慢性的淋巴细胞炎症，大量新生血管，有明显的纤维增生。电子显微镜扫描显示，可见杯状细胞增生，PDO纤维出现崩裂和断裂，部分吸收。

术后3个月，大体标本可见，支架结构肉眼观无法辨清，有明显增厚的组织，支架邻近区黏膜充血减退。支气管镜显示，未见支架纤维，气管通畅，有散在管壁增厚结节。组织学检查显示，气管黏膜增生的，有明显炎症细胞浸润，以及纤维组织增生。电子显微镜扫描显示，PDO纤维消失，在气管黏膜上可见残留的PDO分解的碎片。

对照组兔，术后1个月，大体标本未见PDS缝线，气管黏膜色泽接近正常。支气管镜检查显示，气管通畅，无明显分泌物。组织学检查和电子显微镜扫描显示正常气管黏膜。

3 讨 论

3.1 临床现象与实验结果的解释

本研究应用0.2～0.15mm管径的PDO纤维制造了生物可降解气管支架。体外力学性能测定，证实了PDO气管支架与离体颈部气管有类似的力学性能。动物实验说明了PDO气管支架的生物可降解性及机械扩张气管的功效。大体检查，光学显微镜和扫描电子显微镜的表现是相符的，也符合生物可降解材料在管腔内的代谢降解的一般规律。

本实验发现，实验兔死亡以及呼吸道并发症现象，如间歇性喘鸣音，鼻部脓血性分泌物等。支架植入后，PDO支架始终处于开放状态，支架在压迫管壁组织，造成黏膜损伤或坏死或脱落，黏性分泌物的产生，覆盖于支架上，明显减少了气道的有效管径，导致产生喘鸣音。实验兔也可能合并有肺部的感染，加重了这种气管阻塞状态。因此，也可以部分解释鼻部的脓血性分泌物的产生。当然，不能够完全排除实验兔手术耐受性差，以及早期支架产生轻微移动造成支气管黏膜破裂出血。无论上述何种情况，均值得进一步研究和改进。

其他材料制作的支架，均有其降解产物被咳出的现象，甚至于支架的碎片被送入气管的远端，造成肺部感染或堵塞[14]。Novotny等[5]认为造成支架的消失，理论上可通过咳嗽，吞咽和消化来清除碎片。本研究未发现有支架碎片的咳出，认为PDO降解具有均一性，也就是其引发的组织反应在整个支架大致处于同一水平，被肉芽组织迅速包绕和代谢，通过水解作用被降解。另外，本研究也观察到气管黏膜表面有PDO降解的微小产物，应用0.15～0.2mm 的PDO单丝纤维，即便是碎片，其降解产物更为微小，也不足以引起临床症状。

3.2 PDO气管支架的优势和特点

生物支架最大的特点，在疾病或是损伤愈合的特定时间内，能够对病变的管腔组织提供足够的机械支撑，起到扩张的作用，在达到治疗的目的后，支架自身能够被降解，不必再次从气道中取出，减少再次麻醉和手术的风险。

支架的制造，涉及材料、工艺及设计构型等。材料是影响支架力学性能的重要因素。理想的气管支架应具有如下特性： 支撑强度高、轴向收缩少、柔韧性好、扩张率较高、耐疲劳等。其中，径向支撑力最为重要。适当的径向支撑力，能够抵抗管腔及病变组织的作用力，以撑开狭窄管腔，也要适应导致管腔受压变形、扭曲的外力作用，维持支架在治疗期间不会被损坏，保证支架位置稳定，又不要引起气管黏膜的过度损害[1]。

对于气管支架的制作，尤其是孔径、孔隙率、孔隙连接等还没有公认的指标。本研究应用PDO材料进行气管支架的制造，工艺包括罗纱结构及热塑工艺后处理。气管支架的孔径控制在0.2～0.3mm，一是能够满足细胞和组织的生长，二是有利于附着固定，三是有利于分泌物的引流。因此，在编织技术中的罗纱，最有优势，能够产生足够的径向支撑力和弹性回缩率；同时，再用热塑工艺后处理，确保在植入气管腔后保证其管状的结构和外形处于稳定状态[14]。

考虑到健康兔的气管直径在5～6mm，植入后需要有一点的扩张性，本研究设计6mm管径的气管支架，能够起扩张的作用，测定的离体兔颈部气管径向支撑力为157.8cN，弹性回缩率93.42%；而应用 6mm 的PDO气管支架的相应数据分别是192.43cN、96.8%。由于气管的力学性能受多种因素的影响，本课题组推测，体内的兔颈部气管的力学性能可能会高于离体气管的测定值。但6mm的PDO气管支架的力学性能足以满足扩张的需要。但是，6mm 的PDO支架，其有效内径是5mm左右，造成了实验兔气道的轻微的狭窄，这也是设计制作的不足之处。Fu等[14]的研究表明，直径6mm、8mm、10mm气管支架产生的力学性能，是明显增加的，但是为非线性关系[14]，说明若是选用管径大的PDO支架，可能或有更好的力学性能，这也是进一步开展大动物气管支架研究的基础。

本研究选择PDO制造气管支架的理由，在于其初始强度大、模量适中、柔韧性好、抗张力强，有良好的形状记忆功能；降解速度缓慢，在体内可以维持更长时间的机械强度，靠水解作用降解，组织反应小，异物反应轻[15]。PDO材料的特性，决定其较适合气管支架的研制。

本研究发现，PDO气管支架的降解与通常对PDO材料的理解的有所差别。以往对PDO材料的认识是4～6周被降解，损失大部分机械性能，其依据多来自于对缝线的研究。实质上，缝线在不同的组织环境中，其降解的半衰期也是明显不同[15]。PDO材料被制作成管状支架，Zilberman等[16]认为PDO管状结构的降解依赖于纤维的直径、支架的结构、应用环境。微生物的存在，炎性反应，低pH值可能会加速PDO的降解和快速丢失初始张力。PDO支架位于开放性腔道，处于温暖潮湿环境中，又有气流，加之细菌可繁殖，推测气管支架降解速度应该较快，而实际观察中，2个月后，支架的外观轮廓存在，机械性能有所保留，推测编织结构对延迟降解时间可能有所影响。

3.3 本研究的不足

关于自制PDO气管支架的机械性能，取决于市售的PDO单丝纤维的直径和力学性能，另一方面，也取决于支架的制造及后处理工艺。

本研究设计的是管状支架，支架的直径及编织经纬线密度所决定的孔径，是人为决定的，缺乏个性化制作，同一规格的气管支架与每一实验兔的气管壁并不是精密地贴壁，因此是否会影响其组织反应和其降解性能，并不清楚。

实验研究应用健康兔，只能够说明在健康状态下，气管支架的组织反应和生物降解，不能够推测在气管狭窄的病理状态下(如伴有肉芽肿、炎症或肿瘤状态)的组织反应和生物降解，因为只有在那种状态下才能真正反映支架的机械性能和降解性能。

体外实验来测定支架的性能，尤其是离体颈部气管的测定，干扰因素特别多，尤其是气管膜部，本研究做了近似化的处理，是个可行的方法。

应用PDO纤维制作气管支架，具有适宜的机械性能，能够起到扩张支撑气管的作用；同时，具有良好可降解性，在短期内能够被完全降解消失。在实验中产生的短暂性的呼吸症状，与支架的管径和材料性能有关，也是需要改进的方向。

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