人類的心血管系統

2.1.1 血管的構造

人類的循環系統(Circulatory System)由心血管系統與淋巴系統所組成，

循環系統主要功能在運送養分與氧氣以供應身體各部位的細胞，移去細胞 代謝作用所產生的廢物與二氧化碳，將內分泌腺所產生的激素運輸到激素 所作用的器官以執行調節功能，維持體溫的恆定，藉由白血球執行血液的 免疫功能，凝血機制會在血管受損時防止血液流失。

心血管系統(Cardiovascular System)是由心臟與血管所組成，血管分為 將血液輸送離開心臟的動脈(Artery)，提供物質交換的微血管(Capillary)，

將血液導回心臟的靜脈(Vein)。所有的血管在構造上都有許多共同的特性，

但也因應不同的生理需求，而有所不同。

動脈與靜脈的管壁由三層膜(Tunic)所組成，最內層稱為內膜(Tunica Interna；Tunica Intima)，由三部分組成，其最內層為由內皮細胞(Endothelial Cell)所組成，襯於所有血管的管腔內，主要是用來保護血管。基底膜覆蓋 在一些結締組織纖維上，一層彈性纖維或稱彈性蛋白(Elastin)所組成，形成 內在彈力層(Internal Elastic Lamina)。固有層為基底膜向外位置之纖維肌肉 層，內含肌肉細胞及結締組織。中間層稱為中膜(Tunica Media)，由平滑肌

細胞(Smooth Muscle Cell)環繞而成。最外層稱為外膜(Tunica Externa；

Tunica Adventitia)，由結締組織組成。動脈因為必須承受較大的血壓，所以 其內膜、中膜與外膜都比靜脈還厚，另外靜脈裡有瓣膜，而動脈沒有[7]。

微血管的管壁只由一層內皮細胞構成，缺乏平滑肌與結締組織層[8]。由於 微血管管壁只由一層內皮細胞構成，易進行擴散作用，因此身體細胞與血 液間的氣體與養份在此位置極易進行交換工作[9]。

血管最主要的細胞為內皮細胞及平滑肌細胞。大部分心血管疾病皆起 因於內膜的內皮細胞受到損傷，而衍生出其他併發症，如動脈硬化與血管 瘤等。以下為血管中內皮細胞的功能[10]：

1. 作為血管與心臟的自然內襯，血液與其他血管部分的物理屏障，使 血球不會粘著於此。

2. 作為可通透性的屏障，調節血管的物質運輸。

3. 分泌一些作用於鄰近血管平滑肌上與血管擴張及收縮有關的物質，

如血管擴張素及血管收縮素，進而影響血管的收縮與舒張。

4. 分泌一些刺激血管新生、抑制與增生血管平滑肌細胞的物質。

5. 分泌具有調節血小板聚集、凝血及抗凝血的物質。

6. 受損時會製造生長因子。

7. 經由訊息偵測及釋放旁泌素，作用於血管管壁上的鄰近細胞，在血 管重建上扮演重要的角色。

8. 在動脈粥狀硬化疾病中會影響血管平滑肌的增生。

9. 有助於細胞外液基質的形成及維持。

10. 於免疫反應期間分泌細胞介素。

11. 將不具活性的前驅物變成具活性的荷爾蒙，可將荷爾蒙及其他介質 吸收及分解。

2.1.2 常見的心血管疾病與治療

常見的心血管疾病主要為動脈硬化與動脈瘤等，動脈硬化是因為過多 的脂肪及膽固醇堆積在血管壁上使得血管變硬和變窄，進而影響到血液的 輸送。動脈瘤是因為血管壁變薄或失去其原有的機械強度，管內的血壓把 血管撐成球形，這種地方通常比較薄弱容易造成血管破裂形成大出血[7]。

動脈粥狀硬化是動脈硬化最常見的形式，在動脈粥狀硬化發生的起因 主要是血管內皮細胞損傷及功能異常，其危險因子主要是高血膽固醇、高 半胱胺酸、高血壓、糖尿病、抽煙、肥胖等。動脈粥狀硬化是一種動脈的 疾病，主要特徵是動脈部分血管管壁變厚，使管腔變窄，其原因有：大量 不正常的平滑肌細胞、巨噬細胞與淋巴球；膽固醇及其他脂溶性物質在這 些細胞與細胞外的沈積；結締組織基質緻密層變厚[10]。動脈粥狀硬化的過 程是內皮細胞及底下的平滑肌受到傷害，導致發炎及增生反應，造成泡沫 細胞堆積，並且由於平滑肌細胞的過度增生而阻塞動脈。動脈粥狀硬化時，

動脈粥狀瘤凸出到動脈管腔中，因此會降低血流，動脈粥狀瘤也成為血栓 形成的地方，而進一步阻斷血流供應[8]。

如果心血管疾病的病情較輕者或在某種不允許手術的情況下，可藉由 藥物治療，病情較重者則需進行氣球血管成形術或血管支架置放術等手術 方式治療，最嚴重者則必須進行心臟移植或將血管切除並以人工血管進行 外科手術來重建，以維持心血管系統的正常運作。

2.1.3 人工血管的發展

人工血管的發展與血管外科手術有很大的關係，有必要先了解血管外 科手術早期的發展。在 1888 年 Rudolph Matas 提出以動脈瘤內部縫合術治 療動脈的方法。在 1897 年俄國 Eck 氏首先提出以 Side-to-side 方式將試驗動 物的門靜脈與下腔靜脈接通在一起的血管吻合術（Anastomosis）。在 1902 年 Alexis Carrel 與 Guthrie 提出探討動脈與靜脈癒合過程的基本型態及不同 型態縫合線的生理反應，以及討論經由血管縫合以維持循環系統運作以進 行器官移植的可行性。在 1906 年 Goyanes 使用膕靜脈來代替形成動脈瘤病 變的膕動脈以重建動脈，此為第一個體內血管移植。在 1907 年 Lexer 提出 以隱靜脈替代動脈的自體移植。在 1952 年哥倫比亞大學的 Voorhees、Jaretski 與 Blakemore 使用 Vinyon-N 製作出管壁具有孔洞性的人工血管成功替代狗 身上的動脈[11]，此後各國學者測試以各種材料來製作人工血管。在 1957

年以達克龍做為動脈血管替代物的人工血管材料正式商品化上市。在 1970 年代鐵氟龍被開發成為新的合成人工血管材料，但是其在使用成效上並無 明顯優於達克龍之處，因此在臨床人工血管移植的使用上仍以達克龍為主 [12]。現在大管徑的人工血管已經廣泛地運用在研究及臨床上，但是小管徑 的人工血管因為長期暢通率不佳的關係，在應用上仍受到許多限制。

2.1.4 血管移植之人工血管

人工血管之使用目的是作為受傷之動脈及靜脈的移植替代物、阻塞動 脈之分流或洗腎患者進行血液透析所需的動靜脈移植瘻管。

理想的人工血管應具備以下特性[9]：

1. 容易取得與滅菌。

2. 具良好的生物相容性與抗血栓性。

3. 感染率低。

4. 植入後具有恆定可靠的強度。

5. 縫合性良好。

6. 植入後具高暢通率，不易糾折。

7. 不會參與其他血管的退化，不會引起周圍組織產生不良反應。

8. 材質順應性與自生血管相近，避免引起吻合處產生應力。

目前常用的人工血管分為三大類[7]：

1. 生物組織型人工血管(Biological Vascular Graft) 2. 合成型人工血管(Synthetic Vascular Graft) 3. 生物混合型人工血管(Biohybrid Vascular Graft)

生物組織型人工血管是從生物體內取得的天然血管，依來源可分為自 體移植(Autograft)、同種異體移植(Allograft)及異種移植(Xenograft)血管。

自體移植血管是從病患自身取下的血管，通常為腿部的隱靜脈或胸部的內 胸動脈，此類血管不會因免疫系統的排斥而受到攻擊，是小管徑人工血管 之中表現最好的，其缺點為血管的來源有限。同種異體移植血管為取自同 種異體的血管，主要從往生者體內取得，經抗生素滅菌處理並低溫保存，

但是其免疫反應的排斥作用較自體移植血管嚴重，來源有限，並有傳染疾 病的顧慮。異種移植血管為取自異種生物體的血管，主要從哺乳類動物(牛、

馬、羊和豬等)身上取得，經化學及滅菌處理，以降低其抗體原力及增強其 血液相容性與機械強度，但移植後容易發生血栓、血管糾結與動脈瘤等病 變。

合成型人工血管是利用合成的方法得到高分子材料，經加工技術製成 人工血管，此類材料通常具有較好的機械性質，但是其生物相容性較不好，

目前已商業化的材料有達克龍(Dacron)與鐵氟龍(ePTFE)等。達克龍人工血 管是目前已商品化的人工血管之一，以編織的方式製成，可分成針織與梭 織，具有良好的機械性質，適用於血壓較高的主動脈與大管徑動脈。由於

是利用編織的方法製作，其孔徑較大，在手術前必須先經預凝血處理，以 避免移植後發生漏血的情形。此外，達克龍的血液相容性不佳，在小管徑 血管的應用上常易發生阻塞，不適合當作小管徑的人工血管。鐵氟龍為一 種化學抵抗性極佳的高分子材料，鐵氟龍人工血管的表面具高負電性，其 血液相容性佳，不需預凝血，容易縫合，但是其缺乏縱向彈性，移植後易 導致血管壁生成假性動脈瘤。

生物混合型人工血管是在高分子材料的人工血管表面鍍上一層生物性 材料，以提高其生物相容性。常用的生物材料有蛋白素(Albumin)與明膠 (Gelatin)等。為了防止人工血管的血栓產生和血管壁的異常增厚，將患者 本身的內皮細胞分離出來後種植在人工血管的內層，這種將人工血管內皮 細胞化的做法，就是組織工程人工血管的一種[13]，組織工程人工血管是利 用組織工程製作出類似人體血管的替代物。

本研究旨在製作出類似人體血管構造之小管徑人工血管，從體外的細 胞培養開始，希望可以早日應用於組織工程上。

2.1.5 血管之順應性

順應性(Compliance)是指某項結構被牽扯的容易程度。血管的順應性可 定義為單位壓力改變下體積的改變，可以用△V/△P符號表示。Baird和 Abbott在1976年提出假設，人工移植血管缺乏順應性會造成擾流是小管徑動

脈血管移植失敗的主要原因[14]，並且由Abbott等人證實移植血管與被移植 者血管順應性不匹配是有害的[15]。從血液動力學的觀點來看，若人工移植 血管與被移植處血管的順應性不匹配，會導致血液流經縫合處附近時形成 擾流，因而造成血拴與血管內膜增生，進而造成血管移植失敗，尤其是在

脈血管移植失敗的主要原因[14]，並且由Abbott等人證實移植血管與被移植 者血管順應性不匹配是有害的[15]。從血液動力學的觀點來看，若人工移植 血管與被移植處血管的順應性不匹配，會導致血液流經縫合處附近時形成 擾流，因而造成血拴與血管內膜增生，進而造成血管移植失敗，尤其是在