颈部气管结构与生理特性的研究进展

杨爽 杨昆宪

（1. 昆明理工大学医学院外科学，云南 昆明 650093；2. 昆明理工大学附属医院•云南省第一人民医院肿瘤外科，云南 昆明 650034）

1 颈部气管的结构及生理功能

1.1 颈部气管结构

气管（Trachea）全长以胸廓上口为界，分为气管颈部和气管胸部。颈部气管由粘膜、气管软骨、平滑肌和结缔组织构成。气管软骨（Tracheal cartilage）由呈C形缺口向后的透明软骨环构成。气管软骨后壁缺口由气管的膜壁（Membranous wall）封闭，该膜壁由弹性纤维和平滑肌构成[1]。

气管管壁分为黏膜、黏膜下层和外膜三层。黏膜由上皮和固有层组成，固有层结缔组织中有较多弹性纤维。黏膜下层为疏松结缔组织，与固有层和外膜无明显界限。外膜较厚，主要含16~20个C字形透明软骨环，软骨环之间以弹性纤维构成的膜状韧带连接，他们共同构成管壁的支架，使气管保持通畅。软骨环的缺口处为气管膜性部，内有弹性纤维组成的韧带、平滑肌束和气管腺[2]。

1.2 颈部气管生理功能

每个气管软骨是一个不完整的透明软骨环，气管平滑肌柔韧，连接后端缺口，这种特殊的结构使得气道可以在呼吸和吞咽过程中，灵活收缩及扩张[3-4]，故颈部气管除了具有通气功能，可以作为气体流通的主要通道外，还有呼吸调节功能。

吸气时，气体进入肺内，当达到一定容积时，气管由于弹性扩张，引起位于气管、支气管中感受器的兴奋，冲动由迷走神经传入纤维传至延髓呼吸中枢，抑制吸气中枢，使吸气止，转为呼气。呼气时肺泡及气管弹性回缩，对气管、支气管感受器的刺激减弱，解除了对吸气中枢的抑制，吸气中枢再次处于兴奋状态，开始又一个呼吸周期。

气管呼吸调节功能的维持依赖于其呼吸过程中的内径变化，我们团队利用B超[5-7]作为CT[8-10]替代方法，对呼吸不同时相气管内径进行测量及统计学分析，结果表明，气管内径变化具有统计学差异，其内径变化是由于颈部气管具有一定的弹性，可以发生弹性形变，即通过收缩和舒张来改变其内径大小，发挥正常的生理功能。

2 气管软骨的超微结构及力学特性

气管软骨通常被视为弹性材料[11]。由于软骨细胞分泌的主要蛋白多糖是聚集蛋白聚糖，它提供软骨的承载和压缩特性。胶原蛋白Ⅱ是软骨细胞分泌的主要胶原蛋白，对软骨具有特异性，可提供该组织所需的拉伸强度[12]。故气管环表面有较多的胶原蛋白，胶原纤维排列成纤维状，平行于表面，沿周向和轴向延伸。且气管软骨的中央核心含有较高比例的特定蛋白聚糖。动物实验也表明环状软骨的损伤会导致软骨变直，说明整个环状软骨具有平衡的力系统，环状软骨损伤会导致力的平衡丧失，由此产生的张力将使软骨变形。细胞排列，以及胶原原纤维取向和特定蛋白聚糖的存在，可能是具有这种平衡力系统的环状软骨组织工程的关键[13]。

李剑锋等人在探究3D打印气管的孔径遴选、表面修饰与性能评价过程中，为了模拟气管组织的细胞外基质结构，即交错疏松排列的胶原纤维和弹性纤维，采用往返交替的打印方式打印出网状三维结构，使其制备的仿生3D打印多孔气管支架在形态结构上与兔新鲜气管无统计学差异[14]。

Safshekan等基于应力松弛试验，研究了年龄对气管组织粘弹性行为的影响。根据结果，随着应变的增加，所有三种组织（气管软骨、平滑肌、结缔组织）均表现出松弛率的（不显著）降低，其中粘弹性非线性对软骨最明显[15]。

软骨、纤维组织和平滑肌非线性弹性特性符合文献中早产羔羊的实验数据。Hollister等人通过系统的降低这些弹性特性以模拟气管软化症，探究气管软化气道不稳定和塌陷的计算模型[16]。

3 颈部气管建模及力学特性

石晓灏等虽然在平滑肌层增生对气道管壁内应力分布影响的数值模拟研究中，将气道各层看成各向同性、不可压缩的超弹性材料，但也表示其实验的不足之一是气道作为生物组织，各层组织分布不均匀，材料性质应该是非线性的，而模型中气道被设定为简单的管状超弹材料，这与气道真实的形态和组织力学参数都是有所差异的[17]。

Farzaneh Safshekan等通过获得每个气管组件的平均应力-拉伸曲线后，使用不同的超弹性模型来拟合。结果表明，气管软骨可以很好的拟合超弹性模型，表现出几乎线性的应力-拉伸行为[18]。

Bagnoli等在对全液体通气时早产羔羊气管分叉力学行为的有限元分析试验中，建立了由7个环构成，每个环由3个组织（软骨、平滑肌、结缔组织）组成的模型，也将其模拟为超弹性材料[19]。

张国智等根据人气管的拉伸实验数据[12]和犬气管的拉伸实验的数据，采用类橡胶的非线性的幂函数材料模型进行拟合，结果也表明，人气管、犬气管均呈现非线性的高弹性，与橡胶材料特性相似[20]。

4 气管生理结构及功能的模拟与探究现状

当气管发生病变时，传统的外科手术对于病变范围小、局限性的气管狭窄疗效较好。但广泛的气道狭窄性病变，如先天性气管软化塌陷狭窄或闭锁，后天因外伤、肿瘤、大面积烧伤等原因引起的气管损伤均会引起严重的呼吸困难甚至室息，治疗起来非常困难，如果切除过长气管（超过成人的1/2或婴幼儿的1/3），由于张力原因无法进行端端吻合，必须借助气管替代物进行气管重建[14]。

气管重建包括：人工气管移植、同种异体移植、自体组织移植以及组织工程气管移植。人工气管[21]曾是一种主要的气管替代的方法，但随着3D打印技术的兴起，以及对于气管力学特性及组织学特性研究的不断深入，组织工程气管移植技术已经逐渐成为气管替代物的研究热点。

组织工程气管是指通过选择合适的材料制作生物降解支架，再均匀地植入种子细胞进而分化为成熟上皮细胞及软骨细胞等，重新填充可降解支架，并最终取代支架，理论上可以模拟与天然气管相似的生物结构和功能[22]。

上田雄一郎等将由聚丙烯网管制成框架，并在管腔内外涂有1%中性去端肽胶原的人工气管假体，置于9只健康犬网膜中3周后，用带蒂假体替换一段50 mm长的胸内气管，术后均无吻合口裂开或假体感染情况发生，实验表明带蒂的网膜-假体复合物可以成功重建胸内气管的长段[23]。

后续研究发现生物相容性聚丙烯框架人工气管缺乏原生气管的强度和柔韧性，相比之下，镍钛诺可以弥补这些问题。新型镍钛诺框架人工气管可紧密再现原生气管的物理特性，并且已经在犬模型中检查了其生物相容性和安全性[24]。

可降解螺旋型人工气管，主要由外层的生物可降解材料静电纺丝覆膜，内层的壳聚糖层，二者之间的螺旋形支架构成。具有对组织的刺激性小，抗感染能力较强等优点；对于气管的重建来说，克服了传统修补方法仅仅进行功能恢复的缺点[25]。

气管切除及重建一直是外科领域的国际难题，国内外尚无成熟经验可参考。我国于2020-04-16成功实施国际首例超长气管切除（8.6厘米）后应用“C”形碳纤维环外悬牛心包生物人工气管（9厘米）重建手术[26]。充分利用了仿生学设计思路，在形态及生理特性上都高度模拟了人正常气管，为这一世界性难题提供了宝贵经验。

气管的重建与移植经历了从硅胶到新型生物材料，从单一的材料替代物到组织工程气管的发展，但其原则始终是尽可能在组织形态上还原气管的解剖及组织学特性，使其发挥其正常的生理功能。

除异物植入造成的出血、感染、免疫排异反应等，组织工程气管需要具有与正常气管组织相近的生理结构、组织学性质及力学特性，可以适应机体不同的生理病理情况，在维持正常肺通气功能的同时不致造成气管塌陷，也是其研究进程中不容忽视的关键问题之一。

5 总结

机体各种组织，如肺和胸廓等，均可认为是弹性体。肺的弹性成分包括肺自身的弹力纤维和胶原纤维等结构。胸廓的弹性成分包括胸膜壁浆膜、肋间肌肉及其内的结缔组织。

而从组织构成上，颈部气管固有层内由于含有较多弹性纤维，缺口处的弹性纤维组成的韧带、软骨及平滑肌也有弹性及舒缩功能，使其具有横向的弹性形变能力；软骨环之间弹性纤维构成的膜状韧带，使其在纵轴也具有一定弹性，可以在一定范围内发生弹性形变，维持正常的生理功能。

从力学特性上：多数现有试验和观点表明，颈部气管各部分中，气管软骨为非线性弹性材料，气管平滑肌为超弹性材料，结缔组织中也含有较多弹性纤维。总体而言，颈部气管属于非线性粘弹性材料，在外力作用下即表现为弹性，又表现为黏性，人气管、犬气管均呈现非线性的高弹性，气管容易弯曲且不易变形，主要在于气管壁组织细胞具有较好的弹性。

从宏观变化上看，气管呼吸调节功能的维持依赖于其呼吸过程中的内径变化，对呼吸不同时相气管内径进行测量及统计学分析，结果表明，气管内径变化具有统计学差异，其内径变化是由于颈部气管具有一定的弹性，可以发生弹性形变，即通过收缩和舒张来改变其内径大小，发挥正常的生理功能。

综上所述，颈部气管具有非线性粘弹性，其解剖学及组织学基础是特殊的c字形结构及其组织特点，使颈部气管具有良好的弹性性能，发挥正常的生理作用。