心血管疾病——人類的頭號殺手
在人體約10萬公裡長的血管裡日夜不停地循環著約5L的血液，以氧合的方式將這些血液分配到身體的每一個細胞，並帶走廢物。因此心血管系統是人體的「生命線」。正是系統的疾病成為我國和發達國家首要的死亡原因。它佔我國死亡總人數的1/4.據統計，我國每年新生1200—1500萬的嬰兒中患先天性心血管疾病的達6%--10%。在美國約4000萬人某種形式的心血管疾病，動脈粥硬化是美國死亡人數的一半。
什麼是人工血管
人工血管是許多嚴重狹窄或閉塞性血管的替代品，多是以尼龍、滌綸（Dacron）、聚四氟乙稀（PTFE）等合成材料人工製造的，適用於全身各處的血管轉流術，大、中口徑人工血管應用於臨床已取得滿意的效果。
人工血管的發展概況
a.傳統人工血管(19世紀末的探索)
Nitze（1897）象牙製作的小管
Payr （ 1900）Carrel（1907） 鎂和鋁等金屬管（血栓栓塞和出血失敗）
b.20世紀初的新思想
天然材料：人們將同種和異種動物的動脈用格林試劑、福馬林、酒精或冷凍、冷凍乾燥保存，再移植的研究；（木本誠二用酒精保存的羊和牛的主動脈置換人的主動脈是患者活了8年之久）
人工材料：高分子的發展，合成纖維人工血管（尼龍、滌綸、聚四氟乙稀（PTFE），臨床上比較理想的是滌綸和聚四氟乙烯
－1940s，維尼龍用於血管修復
－1958年，滌綸用於動脈修復
c.新型人工血管材料
碳塗層血管
蛋白或明膠塗層血管
袖狀血管
隨著生物醫學工程的發展，目前，在外科手術中，人工血管主要用於暫時性和永久性的取代患者缺損的動脈或靜脈，或作為動脈阻塞時的分流通道，以及腎病患者進行血液透析時所需的動靜脈移植替代管，特別是大口徑人工血管在組織修復、血管重建手術中已取得了廣泛的應用。但是內徑<6mm的人工血管替代人體小動脈或靜脈一直未獲得滿意的效果。其主要原因是由於血栓形成及新生內膜增厚、血流阻力較大使人工血管阻塞。因此人工血管植入後防止其管徑狹窄、小口徑人工血管內皮化地研究已經成為人工血管研究的熱點和難點。
人工血管的材料的設計
優良的的人工血管設計必須仔細考慮血管構造和流變學性質。作為人工血管材料，除滿足一般醫用高分子所必須的條件之外，還應具備以下條件：
生物相容性
} 在體內不變形，沒有異物反應，在體內不老化；
} 富有粘彈性，與人體血管儘可能近似；具備對血液流動有利狀態
} 具有適當的網眼結構，便於集體組織的長入而組織化；
} 優良的抗凝血性能，無毒性、無抗原性，不致癌；
工程效應
} 有耐疲勞性
} 容易加工成型
} 易於縫合，不會綻開
} 材料易於獲得，易於消毒，價格低廉
從血流動力學方面考慮
} 血管是可變型的，血液流動和管壁相互耦合，血管有兩種受力狀態：周向收拉和周向受壓。血管的力學性質對血流和脈波傳播產生顯著的影響。同時管壁具有通透性，與物質交換有關。
} 血管的多級分支和尺寸變化：當血管內徑小於1mm時不能，血液看成連續介質。
從生物學和醫學方面考慮
在人體內植入人工臟器時，血流與異物接觸很可能出現溶血、凝血、蛋白質變性問題
} 凝血：血小板破裂觸發的（由於流體力學和表面因素所促成的）
} 溶血：溶血釋放的血紅素，在一定濃度下有毒性。（湍流、材料表面粗糙度有關）
} 由於蛋白質吸附於材料表面而引起的問題：由局部的高切應力和表面因素引起。當一種有弱鍵結合的蛋白質被扭曲而變形時，就出現了變性，不能再重新建立原來的組態。
人工血管植入後對人體的影響
血液凝固存在兩種不同的方式:內源性途徑和外源性途徑
當機體組織受損而釋放組織因子時血液凝固按照外源性途徑進行；當血管內膜受損或血液接觸異物時血液凝固按照內源性途徑進行 。
因此，生物材料植入後引起的凝血按內源性途徑進行，其凝血反應的基本過程如下：
a. 接觸活化
內源性凝血的觸發，是從因子XII激活開始的。因子XIIa可以將激肽釋放酶原激活為激肽釋放酶，其反過來也可以激活因子XII，從而產生大量的因子XIIa，因子XIIa可以將因子XI激活為因子XIa並對其進行肽鍵裂解
b.磷脂膠粒反應
在因子XIa生成以後，在聚集的血小板磷脂膠粒表面上發生了一系列反應，直至凝血酶的生成。其間大量的因子IX、VIII、X、V集中於磷脂膠粒表面，大大加快了反應速度．此階段的反應可分為三步：
i． 因子IX的激活
ii． 因子X的激活
iii． 凝血酶原的激活
c. 凝膠生成
生成的凝血酶脫離磷脂膠粒，由許多不溶性血纖維蛋白多聚體所形成的血纖維蛋白細絲交織成網，包羅紅細胞、白細胞、血小板和血漿等血液有形成份，便形成了血栓
新型人工血管材料
可以顯著提高血管通透性。均勻鑲嵌於血管內壁的碳原子與血管壁有機的結合成一體，具有良好的生物相容性，與組織無反應。碳塗層微弱的負電荷排斥血小板在管壁的沉積，有效減少血栓形成機會；碳塗層不利於平滑肌細胞生長和播散，減少間質增生，可以顯著顯著提高血管開通率。
由於一般合成人工血管的生物相容性尚未達到理想狀態，所以可以在這些高分子材料表面接上一層生物材料，以進一步提高其生物相容性，這就是生物混合型人工血管。一般所接的人工塗層包括以下幾種：白蛋白，可提高人工血管的抗凝性能；纖維連接蛋白，可促進內膜形成，進而抑制凝血的發生；膠原蛋白，能促進內膜形成，防止凝血發生，還能提高人工血管的順應性；明膠，有促進細胞黏附和生長的功能，從而在植入後能誘導內膜形成，防止凝血。
特別的袖狀由電腦三維立體模型設計，優化流出道血流動力學，減少吻合口處內膜增生，顯著增加開通率。且內膜附碳塗層，減少血小板沉積。
人工血管的分類
根據人工血管的製造方法可以將人工血管分為兩類：平織(又稱機織），另一種是針織（又稱線圈編織）
平織因纖維上下交左右穿梭編織即經緯線編織，織物纖維緊密，具有豐富的伸展性，多孔性細緻而小，但其斷端容易鬆散，呈毛刷狀，質地堅硬、縫合困難。
針織是用纖維作線圈式編織，伸展性較差，多孔性大，質地柔軟，其斷端不易鬆散、縫合容易。 （大多數使用針織）
人工血管的臨床應用
不同型號的血管在臨床上的應用
人工血管最新進展
人造血管直徑小於6毫米，填補國際空白將應用於心臟病治療
本報記者鮑穎報導記者昨日獲悉，北京理工大學已經成功研發直徑小於6毫米的「人造血管」，這項技術填補了國際空白，有助於心臟病的治療。
據北京理工大學材料科學與工程學院副院長楊榮傑教授介紹，這種抗凝血材料及小口徑血管樣品採用絲素蛋白為基本原料，直徑3-5毫米，經阜外醫院的醫生在一條狗身上進行實驗，觀察了一年半，這條狗目前狀況良好，未發生血管堵塞。
據了解，目前全球每年有超過60萬人需要進行血管重建手術。其中直徑大於6毫米的人造血管已經實現了商品化，而小於6毫米的小口徑的血管的製備則成為一個國際性的難題。而一旦臨床實驗成功，這種小口徑的人造血管可以用於取代病人缺損的動靜脈，或作為動脈阻塞時的分流通道，以及成為腎病患者進行血液透析時所需要的動靜脈移植替代管。屆時，這種「人造血管」的成本至少能降低50％，使更多患者能夠接受。（來源：華夏時報）
據美國每日科學網站7月28日（北京時間）報導，美國科學家從生物的循環系統獲取靈感，研發出了類似於血管結構的複合材料，其可用於製造能自我癒合、自我冷卻的輕質而堅硬的材料、像樹一樣運送物質和能量的動力材料以及超材料等。相關研究發表在最新一期《先進材料》雜誌上。
複合材料是兩種或更多材料的結合體，其擁有多種材料的性能。複合材料既輕質又堅硬，因此，非常適合做結構材料。很多複合材料都是靠纖維增加強度的，由嵌入樹脂內的編織纖維網製成，比如石墨、玻璃纖維、合成纖維凱芙拉等都可用作嵌入材料。
伊利諾斯大學的科學家利用新方法製造出的這種複合材料，其內部含有便於液體或氣體流動的細小管道，這些細小管道能在這種複合材料內形成一個毛細管網絡，就像樹內的脈管網絡一樣。參與該研究的伊利諾斯大學化學、材料科學及工程專業教授傑弗裡·摩爾表示，「樹是不可思議的結構材料，它們能像水泵一樣吸入液體，從根部朝葉子運送物質和能量。我們也希望能研製出具有同樣功能的材料，現在已經邁出了第一步。」
為了製造這些小管道，科學家們對一些特殊纖維進行了處理，讓它們在高溫下降解，當溫度進一步升高時，這些被降解的纖維會蒸發，只留下細小的管道。
最新材料有一個顯著的特徵，只需讓不同的液體在該材料內循環，其就具備多功能性。科學家們讓不同的液體在複合材料內循環，演示了其四種功能：溫度調節、化學反應、導電和改變電磁特徵。他們通過讓冷卻劑或熱流體在其中循環以調節溫度；將化學物質注入不同的血管分支中，讓其混合在一起產生了一個冷光反應；通過使用能導電的液體從而使該材料具備了導電性。通過使用鐵磁鈴（一種具有極強滲透性的納米流體，在磁場作用下會呈現強磁化狀態）改變了其電磁特徵。
接下來，科學家們希望研發出相互連接的管道網絡，以便研製出可自我癒合、自我冷卻的聚合物或燃料電池等。
該研究的合作者、材料科學與工程和航空航天工程教授南希·索託斯表示：「這不僅是一個微流路設備，也不僅是晶片上的小玩意，這種結構材料能模擬生物系統的很多功能，這是一個巨大的進步。
人工血管的展望
置換人工器官最主要的一個問題是防止血栓的形成。尤其是代替靜脈時，血流緩慢，偽內膜長厚，易發生血栓，故難度更大。人工血管若被血栓堵塞，則遭致失敗，故要特別注意材料選擇，抗凝劑的應用和技術改進，防止感染等。小口徑的人工血管移植後遠期暢通率的提高有待於解決的首要問題。