基本概述：由于外伤或肿瘤等各种疾病造成的组织结构缺损、功能丧失或器官衰竭，人类常需进行器官组织的移植。气管因病变有时需要做切除并进行气道重建，当切除气管的长度较小时可以直接进行端端吻合，但由于气管解剖学上的特点，如果切除长度超过直接吻合限度50mm时，则常需用代用品-人工气管来进行气管重建，以保证气道的连续性和通畅。

著名气管外科专家Nevill教授指出，理想的气管替代物应具以下六大特征：(1)管腔密封不漏气；(2)易弯曲成形，但不致塌陷；(3)良好的组织相容性，能与宿主组织紧密结合；(4)炎症反应最小，无致癌性；(5)内壁光滑，防止成纤维细胞和细菌的侵入；(6)有利于气管粘膜上皮的生长。但现有的人工气管假体很难完全符合以上所有条件，人工气管移植还是一项不成熟的技术。当前面临的问题主要有：管腔狭窄；吻合口漏气；排斥反应。为解决以上问题，人工气管的研制经历了从非网状到网状，从普通惰性材料到生物材料，从不降解到可降解吸收，从单一材料到复合材料的发展，并取得了一定的进展。

无孔型人工气管的研究：人工气管假体有无孔型的，如Nevill等应用硅酮制成的无孔型人工气管。经过长期的临床实验，发现用硅酮制成的无孔型人工气管能较好地避免吻合漏气及排斥反应，也没有严重的感染，该材料有一定的强度和弹性。但其主要的缺陷是吻合121有肉芽组织增生反应，并有可能因严重的肉芽组织增生和慢性纤维化导致再狭窄，与受体组织结合较差，假体可能会发生移位而造成管腔的狭窄和堵塞，此外，材料质地太硬也是其另一隐患。

国内的许多学者同时也在不断地探索研究气管的代用品，亦有专家采用自行研制的无孔型人工气管进行实验研究及临床应用。李前生等所采用的人工气管为外层包覆涤纶织物，内层为无孔硅胶。这种人工气管在临床应用时两端和气管残端吻合后，管腔内外即隔断，使外壁可保持无菌；涤纶织物多空隙，易被机体包裹机化。鲁世千等自制的人工气管是将医用涤纶布缝于硅胶管壁上，但缝针不刺穿管壁，保持管腔完整，可防止细菌侵入。侯东祥等自2O世纪7O年代开始进行气管移植的实验研究，研制出涤纶一硅环人工气管，实验动物存活率达90％以上，并通过分组实验进行进一步研究，认为用涤纶制成管道，然后管道内壁两端5mm不涂硅胶，5mm内开始硅环处理，每10mm一环，硅环宽3mln、厚1mln，此种人工气管既能保证生物气管与涤纶的愈合，又不致使吻合口发生肉芽，管腔内无痂皮，有利于宿主气管粘膜上皮生长进入人工气管，是一种可以临床应用的人工气管。

网状人工气管的研究：由于无孔型假体与受体结合不佳，有移动倾向，且不易于自体上皮长人管腔，不能完全替代正常生理条件下的气管，现在更常见的人工气管假体是网状的。据中金企信国际咨询公布的《2020-2026年中国人工气管市场运行格局及投资战略研究报告》统计数据显示：网状人工气管强度较低，常以螺线管加固，既保证了强度，又有一定的活动度。如Pearson等用粗聚丙烯纤维网制成的人工气管；Leake等用涤纶布制成网状假体，并以聚尿醚热固定而获得的人工气管；Jacobs[8等将涤纶一聚氨酯网制成的人工气管。在国内，饶天健等川用聚酯涤纶制成网状人工气管进行动物实验，认为采用微孔绒状管壁设计不仅明显提高了人工气管的柔顺性、屈曲性和顺应性，从而防止移植材料对周围血管的侵蚀；而且更符合人工气管在体内实现组织化的要求，有利于组织细胞的攀附长人。

此外，随着对人工气管研究的不断深入，由于碳纤维具有含碳量高、无毒、无刺激、生物相容性好的优良特性亦被开发用作人工气管的原料。韩健等通过分析原料性能、不同制作方法的尝试，在大量动物实验的基础上提出最好的碳纤维人工气管类型是：使用碳纤维制成管状物，然后在管腔内壁涂医用硅橡胶，气管假体无孔且两端无沿。王福忠、戚良晨等un根据犬气管的生物力学性能的测定结果，提出人工气管的几点制造要求，并设计制造出由碳纤维、硅橡胶复合材料制成的人工气管，其结构包括：(1)以碳纤维网管为基本骨架，两端有环，环间为双层碳纤维网，环外为单层碳纤维网，并有一斜坡。(2)人工气管的环是用碳纤维束缠绕在碳纤维网管上，且距管端5mm，并用医用涤纶线缝合固定在碳纤维网管上。(3)人工气管内壁涂以硅橡胶，但不能透过外层碳纤维网，环外侧内环壁均涂以硅橡胶。(4)碳纤维与硅橡胶永久留于体内相互不分离。其优点是碳纤维与周围组织的相容性好，碳纤维编织物的表面不光滑，利于固定，还可以刺激周围组织再生气管环。

生物复合材料人工气管的研制：近年来，随着高分子生物材料和生物医学工

程的迅速发展，高分子生物材料的优良特性得到了人们的进一步认识，并将其引入医学领域，已应用于外科材料领域，使得利用生物高分子复合材料研制人工气管已经成为可能。

（1）生物降解材料PGLA的结构与性能：聚乙丙交酯(PGLA)是由羟乙酸(又称乙醇酸)和乳酸聚合而成，且多采用开环聚合法，它兼有两种聚酯材料的优势，被广泛应用于生物医学领域，如手术缝合线、骨科固定、组织修复材料及药物控制释放体系等。

PGLA在37℃活体内降解时，其代谢产物无毒，且产物可以通过肾脏等排泄系统排出体外，或能够进一步参与体内的新陈代谢循环，因此具有良好的生物相容性和可降解性。

一般认为PGLA聚合物的降解要经过两个阶段，首先在有水环境中，PGLA聚合物表面在微生物或细胞释放的酶的促进下，酯键发生水解，大分子链逐渐断裂，转变成低分子聚合物；接着按完全分解过程，使一次分解产生的低分子量中间生成物逐渐脱落溶解，转变成生物体自身所含并能代谢的乳酸、α-羟基乙酸，最终生成二氧化碳及水等产物。影响聚合物降解的因素很多，就材料本身而言，聚合物分子量越大，分子结构排列越规整，生物降解速度就越慢。另外，也有实验测定聚合物的降解速度随聚合原料比例的不同而不同，其变化规律为：随着共聚物中GA含量的增加聚合物的降解速度有所加快，当GA含量为70％时聚合物降解速度最快。其生物降解速度除与材料本身特性有关外，还与材料接触到的微生物种类等环境因素有关。因为环境因素与微生物的生长代谢密切相关，进而也影响为之分解的PGLA降解速度，这些因素包括微生物所需的营养物质、pH值、光、氧气等，其中，就温度而言，20-45℃为PGLA最易于降解的温度范围；而在pH值为5—9时微生物较易生长，同时实验证明碱性条件下，PGLA降解速度最快。

（2）生物涂层材料的应用：除了人工气管假体材料的改进外，还可以在原有的假体材料上涂以生物材料，以提高其组织亲和力，并促进受体呼吸道粘膜上皮细胞长入。一般认为，胶原具有较好的生物相容性和一定的生物降解性，能促进细胞生长和粘附，且抗原性弱，炎症反映轻微，无细胞毒性。将胶原涂在聚丙烯纤维网表面，既改善了假体的生物相容性，使吻合处无漏气，又促进了受体呼吸道上皮长人，减少了管腔狭窄。

（3）针织成形生物复合材料人工气管的研制：近年来，针织成形技术的发展为模拟人体内气管的成形，也为编织人体各种器官的骨架开辟了又一新途径。针织结构编织的器官骨架能符合人体器官柔顺性、顺应性和屈曲性的要求，并且此种人工气管的优越性是用机织结构、膜结构、布条包绕等方法所制成的人工气管所无法比拟的。

东华大学纺织学院生物医用纺织品研究开发中心已初步研制成功采用针织成形编织骨架的生物复合材料人工气管，并在犬实验中获得基本成功。其方法为采用可生物降解材料PGLA与不可降解材料聚丙烯为编织原料，利用针织成形加工方法制成人工气管骨架，以聚氨酯作为内壁涂层，骨架表面涂层采用可降解材料聚乳酸，最后再与胶原液复合成壁厚数毫米的海绵状人工气管，这是一种既能保持内壁平滑，同时又不致发生管壁塌陷和管体变形，易于外科缝合，不易脱落的生物复合材料人工气管。人工气管内径为10mm以上，其爆破压力为160kPa，抗拉强度为460N，力学特性适宜于人体纵向蠕动和横向扩张的需求。制成的人工气管还进行了实验犬颈部气管置换的动物实验，所有实验犬术后恢复基本顺利，呼吸平稳，气道通常，无肺部感染等并发症发生。并且，在此基础上进行了其力学性能的进一步专门研究，实验证明：针织结构生物复合材料人工气管的径向强度、拉伸性能均可满足医学上对气管假体的要求。

可见，采用针织结构加工的人工气管骨架，不仅明显提高了人工气管的柔顺性、屈曲性和顺应性，而且由其制成的生物复合材料人工气管的弹性和支撑力能适应气管的要求，置于犬体内能达到维持气道畅通的目的，同时可防止移植材料对周围血管的侵蚀，更符合人工气管在体内实现组织化的要求，有利于组织细胞的长人。证明了此种新型生物复合材料人工气管在犬实验中已基本成功，生物复合材料人工气管技术趋向成熟阶段。