气道支架植入后肉芽组织增生与局部力学因素之间的相关性研究

Clinical investigations show that the airway restenosis caused by the extra growth of granulation tissue inside or at both ends of the airway stent is the most troublesome complication. Current studies on growth of granulation tissue due to implanted stent focus on physical excision and drug inhibition. Inspired by the "stress-growth" law in biomechanics, we hypothesize that the growth of granulation tissue may be related to the local mechanical environment associated with the implanted stent. To test this hypothesis, we propose to quantitatively investigate the correlation between the local mechanical factors and the hyperplasia of granulation tissue by using physiologically near-realistic biomechanical models of human airway stenoses. Specifically, we propose to: 1) built biomechanical models of real human airway stenoses based on 3D reconstruction of CT-scanned airway images; 2) numerically simulate the fluid-structure interaction between the airflow, the airway wall and the stent, and then analyze the correlation between hyperplasia of granulation tissue and local mechanical factors by incoperating clinical data; 3) based on these, explore approaches and methods for designing, optimizing and evaluating patient-specific. Findings from this study will help understanding the mechanisms of hyperplasia of granulation tissue due to implanted airway stent from biomechanical perspective, and providing guidance in development of innovative airway stents.

多数气道狭窄需要行支架植入术，但术后短期内常在支架内部或两端发生肉芽组织增生的现象，进而导致气道再狭窄，严重的甚至会威胁到患者的生命。目前对肉芽组织增生的研究主要集中在物理消除以及药物抑制方面。申请人受"应力-生长"关系的启发，推测气管内置支架部位的肉芽组织生长可能与局部的力学环境改变相关。为验证这一推测，本项目拟通过计算机数值仿真分析与动物实验相结合的方法，定量化的研究二者之间的关系。具体为：1）基于三维重建的方式建立人体气道狭窄的生物力学模型；2）开展气流、气管壁以及气管支架的流固耦合分析，结合临床观察数据分析肉芽组织增生与局部力学环境因素之间的关系；3）在此基础上，探索个体化气道支架的设计、优化以及实验评估的途径和方法。本项目的实施将有助于从生物力学的角度探究支架植入后肉芽组织增生的机理，并对新型气道支架的研发具有指导意义。

临床上由于气道插管术、软骨环塌陷或良、恶性肿瘤等引发的气道狭窄往往需要行支架植入术，但术后短期内常在支架的内部或两端发生肉芽组织增生的现象，进而导致气道再狭窄，严重的甚至会威胁到患者的生命。目前对增生肉芽组织的治疗主要集中在物理消除以及药物抑制方面。本课题创新性地从“应力-生长”的角度出发，通过计算机数值分析与动物实验相结合的方法，定量化地研究了肉芽组织增生与局部力学环境之间的关系，验证了二者具有显著的正相关性（R2=0.82），即局部应力集中现象越严重，应力刺激越强，相应的肉芽组织增生厚度就越大。在此基础上，本课题深入研究了如何通过改变局部力学环境来实现对肉芽组织过度增生的抑制方法，重点包括对个体化硅酮气道支架的设计、优化、制备以及动物实验评估。接触力学的分析结果表明：与商业硅酮气道支架（Dumon支架）和镍钛合金气道支架相比，个体化硅酮气道支架在植入后气道壁面的应力分布最为均匀，基本没有应力集中的现象发生，且平均壁面应力值最低；动物实验结果显示：个体化硅酮气道支架的术后效果最为理想，肉芽组织增生的现象基本观察不到，且支架与气道壁完美贴合，没有移位现象的发生，而Dumon气道支架在术后均有显著的肉芽组织增生现象，且有支架移位的现象发生。本项目的顺利实施表明可以通过调节局部应力环境来抑制气道肉芽组织的过度增生，降低气道再狭窄发生的几率。本研究对新型气道支架特别是个体化硅酮气道支架的设计、优化以及制备具有非常重要的指导意义。