頸部氣管結(jié)構(gòu)與生理特性的研究進展

楊爽 楊昆憲

（1. 昆明理工大學醫(yī)學院外科學，云南 昆明 650093；2. 昆明理工大學附屬醫(yī)院?云南省第一人民醫(yī)院腫瘤外科，云南 昆明 650034）

1 頸部氣管的結(jié)構(gòu)及生理功能

1.1 頸部氣管結(jié)構(gòu)

氣管（Trachea）全長以胸廓上口為界，分為氣管頸部和氣管胸部。頸部氣管由粘膜、氣管軟骨、平滑肌和結(jié)締組織構(gòu)成。氣管軟骨（Tracheal cartilage）由呈C形缺口向后的透明軟骨環(huán)構(gòu)成。氣管軟骨后壁缺口由氣管的膜壁（Membranous wall）封閉，該膜壁由彈性纖維和平滑肌構(gòu)成[1]。

氣管管壁分為黏膜、黏膜下層和外膜三層。黏膜由上皮和固有層組成，固有層結(jié)締組織中有較多彈性纖維。黏膜下層為疏松結(jié)締組織，與固有層和外膜無明顯界限。外膜較厚，主要含16~20個C字形透明軟骨環(huán)，軟骨環(huán)之間以彈性纖維構(gòu)成的膜狀韌帶連接，他們共同構(gòu)成管壁的支架，使氣管保持通暢。軟骨環(huán)的缺口處為氣管膜性部，內(nèi)有彈性纖維組成的韌帶、平滑肌束和氣管腺[2]。

1.2 頸部氣管生理功能

每個氣管軟骨是一個不完整的透明軟骨環(huán)，氣管平滑肌柔韌，連接后端缺口，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得氣道可以在呼吸和吞咽過程中，靈活收縮及擴張[3-4]，故頸部氣管除了具有通氣功能，可以作為氣體流通的主要通道外，還有呼吸調(diào)節(jié)功能。

吸氣時，氣體進入肺內(nèi)，當達到一定容積時，氣管由于彈性擴張，引起位于氣管、支氣管中感受器的興奮，沖動由迷走神經(jīng)傳入纖維傳至延髓呼吸中樞，抑制吸氣中樞，使吸氣止，轉(zhuǎn)為呼氣。呼氣時肺泡及氣管彈性回縮，對氣管、支氣管感受器的刺激減弱，解除了對吸氣中樞的抑制，吸氣中樞再次處于興奮狀態(tài)，開始又一個呼吸周期。

氣管呼吸調(diào)節(jié)功能的維持依賴于其呼吸過程中的內(nèi)徑變化，我們團隊利用B超[5-7]作為CT[8-10]替代方法，對呼吸不同時相氣管內(nèi)徑進行測量及統(tǒng)計學分析，結(jié)果表明，氣管內(nèi)徑變化具有統(tǒng)計學差異，其內(nèi)徑變化是由于頸部氣管具有一定的彈性，可以發(fā)生彈性形變，即通過收縮和舒張來改變其內(nèi)徑大小，發(fā)揮正常的生理功能。

2 氣管軟骨的超微結(jié)構(gòu)及力學特性

氣管軟骨通常被視為彈性材料[11]。由于軟骨細胞分泌的主要蛋白多糖是聚集蛋白聚糖，它提供軟骨的承載和壓縮特性。膠原蛋白Ⅱ是軟骨細胞分泌的主要膠原蛋白，對軟骨具有特異性，可提供該組織所需的拉伸強度[12]。故氣管環(huán)表面有較多的膠原蛋白，膠原纖維排列成纖維狀，平行于表面，沿周向和軸向延伸。且氣管軟骨的中央核心含有較高比例的特定蛋白聚糖。動物實驗也表明環(huán)狀軟骨的損傷會導致軟骨變直，說明整個環(huán)狀軟骨具有平衡的力系統(tǒng)，環(huán)狀軟骨損傷會導致力的平衡喪失，由此產(chǎn)生的張力將使軟骨變形。細胞排列，以及膠原原纖維取向和特定蛋白聚糖的存在，可能是具有這種平衡力系統(tǒng)的環(huán)狀軟骨組織工程的關鍵[13]。

李劍鋒等人在探究3D打印氣管的孔徑遴選、表面修飾與性能評價過程中，為了模擬氣管組織的細胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)，即交錯疏松排列的膠原纖維和彈性纖維，采用往返交替的打印方式打印出網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)，使其制備的仿生3D打印多孔氣管支架在形態(tài)結(jié)構(gòu)上與兔新鮮氣管無統(tǒng)計學差異[14]。

Safshekan等基于應力松弛試驗，研究了年齡對氣管組織粘彈性行為的影響。根據(jù)結(jié)果，隨著應變的增加，所有三種組織（氣管軟骨、平滑肌、結(jié)締組織）均表現(xiàn)出松弛率的（不顯著）降低，其中粘彈性非線性對軟骨最明顯[15]。

軟骨、纖維組織和平滑肌非線性彈性特性符合文獻中早產(chǎn)羔羊的實驗數(shù)據(jù)。Hollister等人通過系統(tǒng)的降低這些彈性特性以模擬氣管軟化癥，探究氣管軟化氣道不穩(wěn)定和塌陷的計算模型[16]。

3 頸部氣管建模及力學特性

石曉灝等雖然在平滑肌層增生對氣道管壁內(nèi)應力分布影響的數(shù)值模擬研究中，將氣道各層看成各向同性、不可壓縮的超彈性材料，但也表示其實驗的不足之一是氣道作為生物組織，各層組織分布不均勻，材料性質(zhì)應該是非線性的，而模型中氣道被設定為簡單的管狀超彈材料，這與氣道真實的形態(tài)和組織力學參數(shù)都是有所差異的[17]。

Farzaneh Safshekan等通過獲得每個氣管組件的平均應力-拉伸曲線后，使用不同的超彈性模型來擬合。結(jié)果表明，氣管軟骨可以很好的擬合超彈性模型，表現(xiàn)出幾乎線性的應力-拉伸行為[18]。

Bagnoli等在對全液體通氣時早產(chǎn)羔羊氣管分叉力學行為的有限元分析試驗中，建立了由7個環(huán)構(gòu)成，每個環(huán)由3個組織（軟骨、平滑肌、結(jié)締組織）組成的模型，也將其模擬為超彈性材料[19]。

張國智等根據(jù)人氣管的拉伸實驗數(shù)據(jù)[12]和犬氣管的拉伸實驗的數(shù)據(jù)，采用類橡膠的非線性的冪函數(shù)材料模型進行擬合，結(jié)果也表明，人氣管、犬氣管均呈現(xiàn)非線性的高彈性，與橡膠材料特性相似[20]。

4 氣管生理結(jié)構(gòu)及功能的模擬與探究現(xiàn)狀

當氣管發(fā)生病變時，傳統(tǒng)的外科手術對于病變范圍小、局限性的氣管狹窄療效較好。但廣泛的氣道狹窄性病變，如先天性氣管軟化塌陷狹窄或閉鎖，后天因外傷、腫瘤、大面積燒傷等原因引起的氣管損傷均會引起嚴重的呼吸困難甚至室息，治療起來非常困難，如果切除過長氣管（超過成人的1/2或嬰幼兒的1/3），由于張力原因無法進行端端吻合，必須借助氣管替代物進行氣管重建[14]。

氣管重建包括：人工氣管移植、同種異體移植、自體組織移植以及組織工程氣管移植。人工氣管[21]曾是一種主要的氣管替代的方法，但隨著3D打印技術的興起，以及對于氣管力學特性及組織學特性研究的不斷深入，組織工程氣管移植技術已經(jīng)逐漸成為氣管替代物的研究熱點。

組織工程氣管是指通過選擇合適的材料制作生物降解支架，再均勻地植入種子細胞進而分化為成熟上皮細胞及軟骨細胞等，重新填充可降解支架，并最終取代支架，理論上可以模擬與天然氣管相似的生物結(jié)構(gòu)和功能[22]。

上田雄一郎等將由聚丙烯網(wǎng)管制成框架，并在管腔內(nèi)外涂有1%中性去端肽膠原的人工氣管假體，置于9只健康犬網(wǎng)膜中3周后，用帶蒂假體替換一段50 mm長的胸內(nèi)氣管，術后均無吻合口裂開或假體感染情況發(fā)生，實驗表明帶蒂的網(wǎng)膜-假體復合物可以成功重建胸內(nèi)氣管的長段[23]。

后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)生物相容性聚丙烯框架人工氣管缺乏原生氣管的強度和柔韌性，相比之下，鎳鈦諾可以彌補這些問題。新型鎳鈦諾框架人工氣管可緊密再現(xiàn)原生氣管的物理特性，并且已經(jīng)在犬模型中檢查了其生物相容性和安全性[24]。

可降解螺旋型人工氣管，主要由外層的生物可降解材料靜電紡絲覆膜，內(nèi)層的殼聚糖層，二者之間的螺旋形支架構(gòu)成。具有對組織的刺激性小，抗感染能力較強等優(yōu)點；對于氣管的重建來說，克服了傳統(tǒng)修補方法僅僅進行功能恢復的缺點[25]。

氣管切除及重建一直是外科領域的國際難題，國內(nèi)外尚無成熟經(jīng)驗可參考。我國于2020-04-16成功實施國際首例超長氣管切除（8.6厘米）后應用“C”形碳纖維環(huán)外懸牛心包生物人工氣管（9厘米）重建手術[26]。充分利用了仿生學設計思路，在形態(tài)及生理特性上都高度模擬了人正常氣管，為這一世界性難題提供了寶貴經(jīng)驗。

氣管的重建與移植經(jīng)歷了從硅膠到新型生物材料，從單一的材料替代物到組織工程氣管的發(fā)展，但其原則始終是盡可能在組織形態(tài)上還原氣管的解剖及組織學特性，使其發(fā)揮其正常的生理功能。

除異物植入造成的出血、感染、免疫排異反應等，組織工程氣管需要具有與正常氣管組織相近的生理結(jié)構(gòu)、組織學性質(zhì)及力學特性，可以適應機體不同的生理病理情況，在維持正常肺通氣功能的同時不致造成氣管塌陷，也是其研究進程中不容忽視的關鍵問題之一。

5 總結(jié)

機體各種組織，如肺和胸廓等，均可認為是彈性體。肺的彈性成分包括肺自身的彈力纖維和膠原纖維等結(jié)構(gòu)。胸廓的彈性成分包括胸膜壁漿膜、肋間肌肉及其內(nèi)的結(jié)締組織。

而從組織構(gòu)成上，頸部氣管固有層內(nèi)由于含有較多彈性纖維，缺口處的彈性纖維組成的韌帶、軟骨及平滑肌也有彈性及舒縮功能，使其具有橫向的彈性形變能力；軟骨環(huán)之間彈性纖維構(gòu)成的膜狀韌帶，使其在縱軸也具有一定彈性，可以在一定范圍內(nèi)發(fā)生彈性形變，維持正常的生理功能。

從力學特性上：多數(shù)現(xiàn)有試驗和觀點表明，頸部氣管各部分中，氣管軟骨為非線性彈性材料，氣管平滑肌為超彈性材料，結(jié)締組織中也含有較多彈性纖維?？傮w而言，頸部氣管屬于非線性粘彈性材料，在外力作用下即表現(xiàn)為彈性，又表現(xiàn)為黏性，人氣管、犬氣管均呈現(xiàn)非線性的高彈性，氣管容易彎曲且不易變形，主要在于氣管壁組織細胞具有較好的彈性。

從宏觀變化上看，氣管呼吸調(diào)節(jié)功能的維持依賴于其呼吸過程中的內(nèi)徑變化，對呼吸不同時相氣管內(nèi)徑進行測量及統(tǒng)計學分析，結(jié)果表明，氣管內(nèi)徑變化具有統(tǒng)計學差異，其內(nèi)徑變化是由于頸部氣管具有一定的彈性，可以發(fā)生彈性形變，即通過收縮和舒張來改變其內(nèi)徑大小，發(fā)揮正常的生理功能。

綜上所述，頸部氣管具有非線性粘彈性，其解剖學及組織學基礎是特殊的c字形結(jié)構(gòu)及其組織特點，使頸部氣管具有良好的彈性性能，發(fā)揮正常的生理作用。