以聚四氟乙烯人造血管為主體,兩端壓制鈦金屬支撐環集成構建一種新型復合型人工氣管。制作犬頸段氣管缺如模型,用復合人工氣管重建呼吸道。通過犬體內移植動物實驗觀察復合型人工氣管初步效果和影響長期生存的因素。直接移植復合人工氣管作為對照組(n=8),復合人工氣管移植后加生長因子等改善組織環境作為實驗組(n=8)。術后定期氣管鏡檢查以及處死后組織檢查評價復合型人工氣管移植效果。16只實驗動物復合型人工氣管均順利完成移植,無手術死亡。一月后各組吻合口處有肉芽增生。對照組4只犬因移植后呼吸困難死亡,實驗組有2只死亡。死亡犬經解剖標本顯示吻合口感染、裂開,氣道狹窄,人工氣管移位脫落。其余犬按計劃14月后處死。實驗組平均生存時間長于實驗組(558.6 d vs 401.8 d,P＜0.05);實驗組吻合口感染、裂開、重度狹窄以及意外死亡的發生率均低于對照組(P＜0.05)。犬處死后解剖顯示復合人工氣管已被纖維組織包裹,人工氣管腔內未見內膜生長。以聚四氟乙烯為主體連接支撐鈦環的新型復合型人工氣管替代自體氣管重建氣道,恢復氣道通暢性,能保持移植物不變形。人工氣管的復合設計減輕了吻合口狹窄,而感染和裂開仍是復合型人工氣管移植的主要并發癥,影響動物長期生存。應用生長因子改善局部環境可促進組織愈合。
引用本文： 劉文亮, 肖鵬, 梁恒星, 安然, 成剛, 喻風雷. 新型復合型人工氣管移植實驗研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(2): 426-431. doi: 10.7507/1001-5515.20140079 復制
引言
人工氣管作為氣管超限切除后的主要替代物用于修補氣管缺損已經有幾十年的歷史，一些生物相容性較好的新型材料的應用，如膠原、網和鈦合金等，進一步推動了人工氣管研究的發展。吻合口狹窄、局部感染、假體移位等仍是限制人工氣管臨床應用的主要問題[1-2]。我們構建了一種以多孔聚四氟乙烯軟管為主體，兩端內嵌鈦環支撐的新型復合人工氣管，并以此進行了犬頸段氣管的置換重建實驗研究，探索復合人工氣管的植入技術和效果。
1 資料與方法
1.1 復合人工氣管的構建
以直徑13 mm的帶有螺旋形支架結構的多孔(泡沫)聚四氟乙烯人造血管(美國Bard Peripheral Vascular,Inc.)作為主體，人造血管的兩端夾在內外鈦金屬環之間，集成壓制。內外環L形設計，L形突起部分用激光打孔，再用 GORE-TEX CV-2外科縫線(美國戈爾公司)將GORE-TEX雙面補片(美國戈爾公司)包繞外環突起處形成復合人工氣管兩端縫合環。這樣以聚四氟乙烯人造血管為主體，兩端連接支撐鈦環，補片包繞鈦環突起部分形成縫合環，構建了新型復合人工氣管(見圖 1)。密封后環氧乙烷滅菌消毒備用。
圖1
新型復合人工氣管
(a)聚四氟乙烯人造血管主體，兩端連接支撐鈦環；(b)補片包繞鈦環突起部分形成縫合環
Figure1. Hybrid artificial trachea(a) the basic skeleton of the artificial trachea made of polytetrafluoroethylene vascular prosthesis linked with titanium rings on both sides; (b) Dualmesh was sutured on titanium rings
1.2 實驗動物
湖南省健康雜種家犬16只，雌雄不限，體重(14.9±2.0) kg (中南大學實驗動物學部提供) 。
1.3 實驗方法
對照組：氯胺酮(10 mg/kg)聯合咪達唑侖(0.2 mg/kg)肌注，全身麻醉后氣管插管,呼吸機輔助通氣。犬仰臥位固定,頸前正中切口，暴露頸段氣管，在第三氣管軟骨環以下游離并切除一段長約5 cm的氣管(緊貼氣管壁游離，注意保護氣管旁的喉返神經)。將另一根無菌氣管插管插入近心端氣管維持通氣。人工氣管與自體氣管作端端吻合,以3/0不可吸收縫合線(Ethicon Prolene)自氣管膜部開始連續縫合。先吻合遠心端，在近心端時剩三分之一周徑未縫時,拔除臺上氣管插管，將經口的氣管插管越過假體向下插入氣管維持有效通氣。吻合完畢，用碘伏水沖洗傷口。用頸部肌肉包蓋人工氣管,逐層縫合切口。
實驗組：用以上相同的方法植入新型復合人工氣管，術中在縫合環的GORE-TEX雙面補片上滴加500 μg堿性成纖維細胞生長因子，同時使用生物蛋白膠封閉吻合口和人工氣管旁的間隙(見圖 2)。
圖2
人工氣管重建犬頸段氣管
(a)縫合環上滴加堿性成纖維細胞生長因子；(b) 生物蛋白膠封閉吻合口和人工氣管旁的間隙
Figure2. Cervical segment trachea reco nstruction with artificial trachea in dog(a) adding basic fibroblast growth factor on the surface of the sewing ring; (b) closing space of artificial tracheal and muscles using fibrin glue
麻醉清醒、自主呼吸恢復后，拔除氣管插管，放回籠中飼養。術后肌注頭孢呋辛0.75 g，每日兩次，連續7 d。每日觀察犬的呼吸、進食及傷口愈合情況。術后當時以及第3、6月進行CT掃描和氣管鏡檢查,以了解人工氣管的位置和管腔通暢情況。14月后處死實驗犬,作大體標本觀察及鏡下觀察。如有實驗犬在觀察過程中死亡,立即進行尸解,明確死因。
1.4 觀察指標
(1) 一般情況：術后每天觀察犬呼吸、進食及切口愈合情況。觀察期間如犬死亡，進行尸解明確死因。(2) 纖維支氣管鏡檢查：術后即刻，第1、6個月以及處死前行纖維支氣管鏡檢查了解人工氣管位置和管腔通暢情況。吻合口部位假體裂開程度和人工氣管通暢狀況評價參照史宏燦等[3] 提出的評價標準：假體內腔通暢度≥2/3或吻合口狹窄≤1/3為輕度狹窄，假體內腔通暢度或吻合口狹窄為1/3～2/3為中度，假體內腔通暢度≤1/3或吻合口狹窄≥2/3為吻合口重度狹窄。(3) 大體觀察：術后14個月，以氯胺酮(10 mg/kg)肌肉注射麻醉后，由犬后肢皮下靜脈注射10%氯化鉀溶液(30 mL/只)，處死實驗犬(如有實驗犬在觀察期間猝死，立即進行尸解)。以原切口入路，大體觀察局部組織感染情況，人工氣管與自體氣管吻合口裂開或移位情況，以及人工氣管纖維包裹以及內膜覆蓋情況。(4) 組織學觀察：大體觀察后切除人工氣管以及遠、近兩端的兩個自體氣管環。切取縫合環處組織和上、下吻合口部位的內膜組織，組織大小約0.4 cm×0.5 cm×1.0 cm。4%中性甲醛固定，制成5 μm切片，常規HE染色，光鏡下觀察炎性細胞浸潤和纖維增殖情況。
1.5 統計學方法
采用SPSS17.0 統計軟件包進行分析。數據以均數±標準差表示,采用方差分析和 Kruskal-wallis檢驗，P值＜0.05 為有統計學意義。
2 結果
2.1 大體結果
術后1～3 d，所有實驗犬進食少，無發熱，呼吸平穩，傷口稍紅，無滲出。術后4～7 d，進食漸增多，活動佳。對照組術后第41、55、66、140 d，各有一只犬因呼吸困難死亡(4/8)。實驗組術后第37、274 d各有一只犬因呼吸困難死亡(2/8)。死亡犬尸解均發現吻合口大量膿液，氣管假體與犬自身氣管愈合不良，吻合口裂開，人工氣管移位阻塞氣道，遠端氣管內分泌物潴留并感染(見圖 3)。其余10只犬均存活400 d以上，處死前無明顯氣促或呼吸困難，進食順暢。犬總體存活2~728 d，對照組平均存活401.8 d,實驗組平均存活558.6 d，差異有統計學意義(P＜0.05)。實驗組的吻合口裂開、重度狹窄和意外死亡例數均低于對照組，差異有統計學意義(P＜0.05)，如表 1所示。
圖3
術后死亡犬解剖標本
解剖標本顯示吻合口感染，人工氣管移位脫落
Figure3. Specimen photograph of the dead dog after transplantationspecimen showed infection at the anastomosis and displacement of artificial trachea
表1
對照組與實驗組人工氣管移植效果比較
Table1.
Comparison of the effect of artificial tracheal transplantation between control group and experimental group
犬處死后，解剖檢查見兩組的人工氣管外周均形成一層致密均勻的纖維結締組織，緊緊包裹人工氣管，將其和犬自身氣管組織融合成一體化結構(見圖 4)。管腔內壁有少量氣道分泌物，未見越過吻合口向人工氣管內壁生長的氣管內膜組織。
圖4
移植14個月后人工氣管外觀
人工氣管外周形成一層致密均勻的纖維結締組織，將人工氣管和犬自身組織構成一體化結構
Figure4. Specimen photograph 14 months after implantationspecimen after implantation showed the artificial trachea encapsulated by fibrous tissue
2.2 纖維支氣管鏡檢查
術后犬處死前，纖維支氣管鏡檢查兩組人工氣管支撐鈦環的上、下端處均可見氣管內膜增生，尤以上端鈦環處明顯，全周少量肉芽組織生長，上端支撐鈦環嵌入增生的內膜及肉芽中，但無明顯氣道狹窄，人工氣管無扭曲，遠端支氣管內無膿性分泌物(見圖 5)；兩組均未見越過吻合口向人工氣管內壁生長的氣管內膜組織。
圖5
處死前纖維支氣管鏡檢查
顯示吻合口處內膜增生，但無明顯狹窄
Figure5. Tronchoscope observations before executing the dogsIntimal hyperplasia granulation formation,but no obvious stenosis in anastomotic site
2.3 組織學檢查
術后14個月犬處死后，兩組吻合口處內膜組織鏡下觀察均表現為炎癥細胞浸潤，柱狀上皮細胞鱗狀化生，纖維細胞增生性改變，肉芽組織增生。縫合環周圍組織呈慢性炎癥表現，有大量纖維組織增生，肉芽組織生長，血管化程度不高，未見軟骨組織形成(見圖 6)。
圖6
人工氣管縫合環外周組織病理檢查圖
切片可見較多的纖維組織和成纖維細胞，其內亦可見有少量炎性細胞(HE×200)。
Figure6. Pathological examination of the tissue on the anastomic siteamounts of fibrous tissue with chronic inflammatory cells infiltrating (HE，×200)
3 討論
氣道狹窄可引起呼吸困難、頑固性咳嗽、咯血、感染等，嚴重者可出現呼吸衰竭，甚至窒息死亡。炎性肉芽腫、瘢痕、結核、外傷、氣管軟化癥、淀粉樣變、腫瘤等多種原因可導致氣管狹窄，其中氣管內膜結核、氣管腫瘤最多見。傳統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的治療非常困難，如果切除過長氣管(大于5 cm或自身長度一半),就無法斷端一期吻合，必須借助氣管替代物[4-5]。人工氣管是一種主要的氣管替代的方法。人工氣管的研究經歷了從無孔到網孔結構的艱辛歷程[6-8]。以硅膠管為代表的無孔型人工氣管具有內腔光滑、氣密性好和無滲漏等特點，但無法形成組織愈合，易脫落。以鈦網、Marlex網等作為支架的有孔型人工氣管，雖有利于纖維組織長入，但強度不足，易發生狹窄、滲漏、感染等并發癥。因此材料的選擇和結構設計是人工氣管研究能否取得突破性進展的關鍵。近年來新型生物材料的發展進一步推動了人工氣管的基礎和臨床研究。但由于人工氣管移植帶來的吻合口狹窄、感染、裂開等關鍵問題尚未得到有效解決，迄今為止尚無理想的人工氣管研制成功，成為制約氣管外科技術發展的瓶頸[9]。趙鳳瑞等[10] 將帶蒂的記憶合金網經過二期成型制成人工氣管應用于臨床，解決了組織愈合問題，但需二次手術，中間間隔2～3周，大大限制了臨床的廣泛應用。因此，研制一種能廣泛應用于臨床、操作簡單、具有良好組織相容性的復合型人工氣管，具有重大意義。
本研究設計的人工氣管在結構上模擬氣管解剖特點，在功能上揉合了有孔型和無孔型人工氣管的特點，避免了假體漏氣、網管裸露以及塌陷等缺陷，符合理想化氣管替代物的基本要求；同時為便于吻合固定，利用現代加工合成技術在端口連接鈦環邊沿設計了人工縫合環。聚四氟乙烯人造血管作為修復材料已廣泛應用于臨床。它是一種內縱外橫的雙層多微孔型結構，具有良好的組織相容性。聚四氟乙烯外壁多孔或呈絨毛狀，利于纖維組織通過孔隙長入，實現人工氣管在體內的生物學固定；內壁光滑，密閉不漏氣，以利于呼吸道通暢和分泌物及時排出。另外聚四氟乙烯人造管道具有一定的抗壓能力，可以滿足臨床上對氣管的彈性和張力要求，非常適合用做人工氣管材料[11]。人工氣管主體兩端連接鈦環是利用了鈦合金環超惰性、剛性特點[12-13]。鈦環始終支撐著吻合口，可阻擋肉芽組織向腔內生長。通常人工氣管由于難以被自體組織包裹達到融合固定，術后不久即出現假體松脫、移位等并發癥。外置縫合環的設計不僅易于外科縫合，而且除機械縫合固定復合人工氣管外，膨體聚四氟乙烯縫合環的豐富絨毛可誘導自體細胞向內生長，促進周圍結締組織包裹，快速形成生物學固定，減少人工氣管松脫和移位的概率[14-17]。
本實驗將復合人工氣管移植到實驗動物體內，成功地構建了犬頸部氣管缺損重建動物模型。構建的動物模型一定程度上反映了機體對人工氣管理化性能和生物學特性的要求，反映了人工氣管假體與機體的愈合過程及并發癥的發生與轉歸，為進一步開展胸段氣管和隆突置換提供了重要的技術可行性。在氣管替代物研究中存在的主要問題是吻合口感染、裂開和狹窄[9]。由于人工材料直接接觸空氣和痰液，需要解決感染、裂開等關鍵問題。本實驗發現假體移位集中在移植前期(三個月內)，提示改善移植局部環境的重要性。人工氣管早期容易出現裂開、移位可能與吻合口的張力、感染等因素有關。人工氣管植入早期尚未形成有效的組織固定，假體與自體氣管主要靠縫合線的連接。由于植入的人工氣管在呼吸、吞咽以及咳嗽時會發生移動，這些移動減緩了吻合口的組織愈合能力。更為重要的是人工材料直接接觸外界空氣和痰液，而細菌污染必然也影響吻合口的組織生長[18]。實驗組的吻合口裂開、重度狹窄以及意外死亡發生率均低于對照組，平均生存期長于對照組，說明改善局部環境有助于預防早期感染。堿性成纖維細胞因子作為一種多功能細胞生長因子，是成纖維細胞、血管內皮細胞及血管平滑肌細胞的高效促生長劑，促進肉芽組織毛細血管數量和血液流量，改善局部微循環。生物蛋白膠封閉了人工氣管假體與周圍肌肉間的殘腔，減少了組織積液，也利于組織生長。因此，改善移植局部環境，預防和控制感染，促進早期生物愈合，是提高移植人工氣管遠期效果的重要前提。隨著時間的延長,周圍組織的纖維增生明顯，移植氣管與周圍組織結合得越來越緊密，越來越厚的纖維組織包裹人工氣管，形成與自體氣管的組織愈合，吻合處連接緊密，不易感染裂開、移位脫落。
兩組中重度氣管狹窄均因為吻合口感染、裂開造成了人工氣管移位、扭曲、脫落，吻合口大量肉芽生成。而其他的犬處死后發現人工氣管兩端雖然有黏膜增生以及少量肉芽組織生長，但未造成氣管管腔明顯狹窄，這可能與兩端鈦環的機械支撐阻擋有關。鈦環不僅防止吻合口和人造氣管主體的塌陷，而且有助于減少吻合口處肉芽過度生長造成的狹窄。本實驗未觀察到吻合口邊緣的替代物表面有氣管黏膜上皮細胞的再生爬行，說明自體氣管內膜組織未能跨越鈦環長到人工氣管內壁,無法形成有效的內膜覆蓋；但支氣管腔內分泌物未見潴留，這也說明雖然缺乏纖毛擺動協助排痰，在人工氣管內壁光滑的條件下，痰液等氣道分泌物可以通過咳嗽運動排出。吻合口處氣管內膜增生可能與鈦環邊緣刺激有關，因此選取合適大小的的鈦環支架達到人工氣管與自體管腔相匹配是需要注意的問題。優化設計鈦環與 “D”型生物氣管環匹配還需要進一步的研究。
總之，應用聚四氟乙烯人造血管為主體，兩端連接支撐鈦環制成的復合人工氣管行長段氣管替代，為氣管重建提供了一個新的思路，對預防吻合口狹窄有新的啟示。改善局部環境促進組織愈合，有利于預防早期感染、裂開，如何引入生長因子來調控組織細胞生長、促進組織愈合以及如何獲得長期生存等仍是人工氣管臨床應用前需要解決的問題。
引言
人工氣管作為氣管超限切除后的主要替代物用于修補氣管缺損已經有幾十年的歷史，一些生物相容性較好的新型材料的應用，如膠原、網和鈦合金等，進一步推動了人工氣管研究的發展。吻合口狹窄、局部感染、假體移位等仍是限制人工氣管臨床應用的主要問題[1-2]。我們構建了一種以多孔聚四氟乙烯軟管為主體，兩端內嵌鈦環支撐的新型復合人工氣管，并以此進行了犬頸段氣管的置換重建實驗研究，探索復合人工氣管的植入技術和效果。
1 資料與方法
1.1 復合人工氣管的構建
以直徑13 mm的帶有螺旋形支架結構的多孔(泡沫)聚四氟乙烯人造血管(美國Bard Peripheral Vascular,Inc.)作為主體，人造血管的兩端夾在內外鈦金屬環之間，集成壓制。內外環L形設計，L形突起部分用激光打孔，再用 GORE-TEX CV-2外科縫線(美國戈爾公司)將GORE-TEX雙面補片(美國戈爾公司)包繞外環突起處形成復合人工氣管兩端縫合環。這樣以聚四氟乙烯人造血管為主體，兩端連接支撐鈦環，補片包繞鈦環突起部分形成縫合環，構建了新型復合人工氣管(見圖 1)。密封后環氧乙烷滅菌消毒備用。
圖1
新型復合人工氣管
(a)聚四氟乙烯人造血管主體，兩端連接支撐鈦環；(b)補片包繞鈦環突起部分形成縫合環
Figure1. Hybrid artificial trachea(a) the basic skeleton of the artificial trachea made of polytetrafluoroethylene vascular prosthesis linked with titanium rings on both sides; (b) Dualmesh was sutured on titanium rings
1.2 實驗動物
湖南省健康雜種家犬16只，雌雄不限，體重(14.9±2.0) kg (中南大學實驗動物學部提供) 。
1.3 實驗方法
對照組：氯胺酮(10 mg/kg)聯合咪達唑侖(0.2 mg/kg)肌注，全身麻醉后氣管插管,呼吸機輔助通氣。犬仰臥位固定,頸前正中切口，暴露頸段氣管，在第三氣管軟骨環以下游離并切除一段長約5 cm的氣管(緊貼氣管壁游離，注意保護氣管旁的喉返神經)。將另一根無菌氣管插管插入近心端氣管維持通氣。人工氣管與自體氣管作端端吻合,以3/0不可吸收縫合線(Ethicon Prolene)自氣管膜部開始連續縫合。先吻合遠心端，在近心端時剩三分之一周徑未縫時,拔除臺上氣管插管，將經口的氣管插管越過假體向下插入氣管維持有效通氣。吻合完畢，用碘伏水沖洗傷口。用頸部肌肉包蓋人工氣管,逐層縫合切口。
實驗組：用以上相同的方法植入新型復合人工氣管，術中在縫合環的GORE-TEX雙面補片上滴加500 μg堿性成纖維細胞生長因子，同時使用生物蛋白膠封閉吻合口和人工氣管旁的間隙(見圖 2)。
圖2
人工氣管重建犬頸段氣管
(a)縫合環上滴加堿性成纖維細胞生長因子；(b) 生物蛋白膠封閉吻合口和人工氣管旁的間隙
Figure2. Cervical segment trachea reco nstruction with artificial trachea in dog(a) adding basic fibroblast growth factor on the surface of the sewing ring; (b) closing space of artificial tracheal and muscles using fibrin glue
麻醉清醒、自主呼吸恢復后，拔除氣管插管，放回籠中飼養。術后肌注頭孢呋辛0.75 g，每日兩次，連續7 d。每日觀察犬的呼吸、進食及傷口愈合情況。術后當時以及第3、6月進行CT掃描和氣管鏡檢查,以了解人工氣管的位置和管腔通暢情況。14月后處死實驗犬,作大體標本觀察及鏡下觀察。如有實驗犬在觀察過程中死亡,立即進行尸解,明確死因。
1.4 觀察指標
(1) 一般情況：術后每天觀察犬呼吸、進食及切口愈合情況。觀察期間如犬死亡，進行尸解明確死因。(2) 纖維支氣管鏡檢查：術后即刻，第1、6個月以及處死前行纖維支氣管鏡檢查了解人工氣管位置和管腔通暢情況。吻合口部位假體裂開程度和人工氣管通暢狀況評價參照史宏燦等[3] 提出的評價標準：假體內腔通暢度≥2/3或吻合口狹窄≤1/3為輕度狹窄，假體內腔通暢度或吻合口狹窄為1/3～2/3為中度，假體內腔通暢度≤1/3或吻合口狹窄≥2/3為吻合口重度狹窄。(3) 大體觀察：術后14個月，以氯胺酮(10 mg/kg)肌肉注射麻醉后，由犬后肢皮下靜脈注射10%氯化鉀溶液(30 mL/只)，處死實驗犬(如有實驗犬在觀察期間猝死，立即進行尸解)。以原切口入路，大體觀察局部組織感染情況，人工氣管與自體氣管吻合口裂開或移位情況，以及人工氣管纖維包裹以及內膜覆蓋情況。(4) 組織學觀察：大體觀察后切除人工氣管以及遠、近兩端的兩個自體氣管環。切取縫合環處組織和上、下吻合口部位的內膜組織，組織大小約0.4 cm×0.5 cm×1.0 cm。4%中性甲醛固定，制成5 μm切片，常規HE染色，光鏡下觀察炎性細胞浸潤和纖維增殖情況。
1.5 統計學方法
采用SPSS17.0 統計軟件包進行分析。數據以均數±標準差表示,采用方差分析和 Kruskal-wallis檢驗，P值＜0.05 為有統計學意義。
2 結果
2.1 大體結果
術后1～3 d，所有實驗犬進食少，無發熱，呼吸平穩，傷口稍紅，無滲出。術后4～7 d，進食漸增多，活動佳。對照組術后第41、55、66、140 d，各有一只犬因呼吸困難死亡(4/8)。實驗組術后第37、274 d各有一只犬因呼吸困難死亡(2/8)。死亡犬尸解均發現吻合口大量膿液，氣管假體與犬自身氣管愈合不良，吻合口裂開，人工氣管移位阻塞氣道，遠端氣管內分泌物潴留并感染(見圖 3)。其余10只犬均存活400 d以上，處死前無明顯氣促或呼吸困難，進食順暢。犬總體存活2~728 d，對照組平均存活401.8 d,實驗組平均存活558.6 d，差異有統計學意義(P＜0.05)。實驗組的吻合口裂開、重度狹窄和意外死亡例數均低于對照組，差異有統計學意義(P＜0.05)，如表 1所示。
圖3
術后死亡犬解剖標本
解剖標本顯示吻合口感染，人工氣管移位脫落
Figure3. Specimen photograph of the dead dog after transplantationspecimen showed infection at the anastomosis and displacement of artificial trachea
表1
對照組與實驗組人工氣管移植效果比較
Table1.
Comparison of the effect of artificial tracheal transplantation between control group and experimental group
犬處死后，解剖檢查見兩組的人工氣管外周均形成一層致密均勻的纖維結締組織，緊緊包裹人工氣管，將其和犬自身氣管組織融合成一體化結構(見圖 4)。管腔內壁有少量氣道分泌物，未見越過吻合口向人工氣管內壁生長的氣管內膜組織。
圖4
移植14個月后人工氣管外觀
人工氣管外周形成一層致密均勻的纖維結締組織，將人工氣管和犬自身組織構成一體化結構
Figure4. Specimen photograph 14 months after implantationspecimen after implantation showed the artificial trachea encapsulated by fibrous tissue
2.2 纖維支氣管鏡檢查
術后犬處死前，纖維支氣管鏡檢查兩組人工氣管支撐鈦環的上、下端處均可見氣管內膜增生，尤以上端鈦環處明顯，全周少量肉芽組織生長，上端支撐鈦環嵌入增生的內膜及肉芽中，但無明顯氣道狹窄，人工氣管無扭曲，遠端支氣管內無膿性分泌物(見圖 5)；兩組均未見越過吻合口向人工氣管內壁生長的氣管內膜組織。
圖5
處死前纖維支氣管鏡檢查
顯示吻合口處內膜增生，但無明顯狹窄
Figure5. Tronchoscope observations before executing the dogsIntimal hyperplasia granulation formation,but no obvious stenosis in anastomotic site
2.3 組織學檢查
術后14個月犬處死后，兩組吻合口處內膜組織鏡下觀察均表現為炎癥細胞浸潤，柱狀上皮細胞鱗狀化生，纖維細胞增生性改變，肉芽組織增生。縫合環周圍組織呈慢性炎癥表現，有大量纖維組織增生，肉芽組織生長，血管化程度不高，未見軟骨組織形成(見圖 6)。
圖6
人工氣管縫合環外周組織病理檢查圖
切片可見較多的纖維組織和成纖維細胞，其內亦可見有少量炎性細胞(HE×200)。
Figure6. Pathological examination of the tissue on the anastomic siteamounts of fibrous tissue with chronic inflammatory cells infiltrating (HE，×200)
3 討論
氣道狹窄可引起呼吸困難、頑固性咳嗽、咯血、感染等，嚴重者可出現呼吸衰竭，甚至窒息死亡。炎性肉芽腫、瘢痕、結核、外傷、氣管軟化癥、淀粉樣變、腫瘤等多種原因可導致氣管狹窄，其中氣管內膜結核、氣管腫瘤最多見。傳統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的治療非常困難，如果切除過長氣管(大于5 cm或自身長度一半),就無法斷端一期吻合，必須借助氣管替代物[4-5]。人工氣管是一種主要的氣管替代的方法。人工氣管的研究經歷了從無孔到網孔結構的艱辛歷程[6-8]。以硅膠管為代表的無孔型人工氣管具有內腔光滑、氣密性好和無滲漏等特點，但無法形成組織愈合，易脫落。以鈦網、Marlex網等作為支架的有孔型人工氣管，雖有利于纖維組織長入，但強度不足，易發生狹窄、滲漏、感染等并發癥。因此材料的選擇和結構設計是人工氣管研究能否取得突破性進展的關鍵。近年來新型生物材料的發展進一步推動了人工氣管的基礎和臨床研究。但由于人工氣管移植帶來的吻合口狹窄、感染、裂開等關鍵問題尚未得到有效解決，迄今為止尚無理想的人工氣管研制成功，成為制約氣管外科技術發展的瓶頸[9]。趙鳳瑞等[10] 將帶蒂的記憶合金網經過二期成型制成人工氣管應用于臨床，解決了組織愈合問題，但需二次手術，中間間隔2～3周，大大限制了臨床的廣泛應用。因此，研制一種能廣泛應用于臨床、操作簡單、具有良好組織相容性的復合型人工氣管，具有重大意義。
本研究設計的人工氣管在結構上模擬氣管解剖特點，在功能上揉合了有孔型和無孔型人工氣管的特點，避免了假體漏氣、網管裸露以及塌陷等缺陷，符合理想化氣管替代物的基本要求；同時為便于吻合固定，利用現代加工合成技術在端口連接鈦環邊沿設計了人工縫合環。聚四氟乙烯人造血管作為修復材料已廣泛應用于臨床。它是一種內縱外橫的雙層多微孔型結構，具有良好的組織相容性。聚四氟乙烯外壁多孔或呈絨毛狀，利于纖維組織通過孔隙長入，實現人工氣管在體內的生物學固定；內壁光滑，密閉不漏氣，以利于呼吸道通暢和分泌物及時排出。另外聚四氟乙烯人造管道具有一定的抗壓能力，可以滿足臨床上對氣管的彈性和張力要求，非常適合用做人工氣管材料[11]。人工氣管主體兩端連接鈦環是利用了鈦合金環超惰性、剛性特點[12-13]。鈦環始終支撐著吻合口，可阻擋肉芽組織向腔內生長。通常人工氣管由于難以被自體組織包裹達到融合固定，術后不久即出現假體松脫、移位等并發癥。外置縫合環的設計不僅易于外科縫合，而且除機械縫合固定復合人工氣管外，膨體聚四氟乙烯縫合環的豐富絨毛可誘導自體細胞向內生長，促進周圍結締組織包裹，快速形成生物學固定，減少人工氣管松脫和移位的概率[14-17]。
本實驗將復合人工氣管移植到實驗動物體內，成功地構建了犬頸部氣管缺損重建動物模型。構建的動物模型一定程度上反映了機體對人工氣管理化性能和生物學特性的要求，反映了人工氣管假體與機體的愈合過程及并發癥的發生與轉歸，為進一步開展胸段氣管和隆突置換提供了重要的技術可行性。在氣管替代物研究中存在的主要問題是吻合口感染、裂開和狹窄[9]。由于人工材料直接接觸空氣和痰液，需要解決感染、裂開等關鍵問題。本實驗發現假體移位集中在移植前期(三個月內)，提示改善移植局部環境的重要性。人工氣管早期容易出現裂開、移位可能與吻合口的張力、感染等因素有關。人工氣管植入早期尚未形成有效的組織固定，假體與自體氣管主要靠縫合線的連接。由于植入的人工氣管在呼吸、吞咽以及咳嗽時會發生移動，這些移動減緩了吻合口的組織愈合能力。更為重要的是人工材料直接接觸外界空氣和痰液，而細菌污染必然也影響吻合口的組織生長[18]。實驗組的吻合口裂開、重度狹窄以及意外死亡發生率均低于對照組，平均生存期長于對照組，說明改善局部環境有助于預防早期感染。堿性成纖維細胞因子作為一種多功能細胞生長因子，是成纖維細胞、血管內皮細胞及血管平滑肌細胞的高效促生長劑，促進肉芽組織毛細血管數量和血液流量，改善局部微循環。生物蛋白膠封閉了人工氣管假體與周圍肌肉間的殘腔，減少了組織積液，也利于組織生長。因此，改善移植局部環境，預防和控制感染，促進早期生物愈合，是提高移植人工氣管遠期效果的重要前提。隨著時間的延長,周圍組織的纖維增生明顯，移植氣管與周圍組織結合得越來越緊密，越來越厚的纖維組織包裹人工氣管，形成與自體氣管的組織愈合，吻合處連接緊密，不易感染裂開、移位脫落。
兩組中重度氣管狹窄均因為吻合口感染、裂開造成了人工氣管移位、扭曲、脫落，吻合口大量肉芽生成。而其他的犬處死后發現人工氣管兩端雖然有黏膜增生以及少量肉芽組織生長，但未造成氣管管腔明顯狹窄，這可能與兩端鈦環的機械支撐阻擋有關。鈦環不僅防止吻合口和人造氣管主體的塌陷，而且有助于減少吻合口處肉芽過度生長造成的狹窄。本實驗未觀察到吻合口邊緣的替代物表面有氣管黏膜上皮細胞的再生爬行，說明自體氣管內膜組織未能跨越鈦環長到人工氣管內壁,無法形成有效的內膜覆蓋；但支氣管腔內分泌物未見潴留，這也說明雖然缺乏纖毛擺動協助排痰，在人工氣管內壁光滑的條件下，痰液等氣道分泌物可以通過咳嗽運動排出。吻合口處氣管內膜增生可能與鈦環邊緣刺激有關，因此選取合適大小的的鈦環支架達到人工氣管與自體管腔相匹配是需要注意的問題。優化設計鈦環與 “D”型生物氣管環匹配還需要進一步的研究。
總之，應用聚四氟乙烯人造血管為主體，兩端連接支撐鈦環制成的復合人工氣管行長段氣管替代，為氣管重建提供了一個新的思路，對預防吻合口狹窄有新的啟示。改善局部環境促進組織愈合，有利于預防早期感染、裂開，如何引入生長因子來調控組織細胞生長、促進組織愈合以及如何獲得長期生存等仍是人工氣管臨床應用前需要解決的問題。
