合成高分子心脏瓣膜几何构型和结构优化

目的生物瓣膜在抗疲劳性能和长期耐久性上存在不足,合成高分子心脏瓣膜为瓣膜疾病提供了新的解决方案。本研究旨在通过优化设计,提高其综合性能和耐久性。方法使用流固耦合(FSI)数值模拟,获得瓣膜应力分布、流速分布、有效开口面积(EOA)和反流量(RF)。结合多目标优化算法,研究厚度和高度对纳米复合材料性能的影响,设置约束条件和优化目标,通过多目标遗传算法搜寻最优解。研究不同纤维取向组合的高分子瓣膜,设计分形几何的瓣膜加强筋结构,在不同基质材料上测试其效应,通过迭代增厚瓣膜子区域,优化瓣膜厚度分布。结果通过Workbench多目标优化工具,分别针对瓣膜厚度和高度进行优化,能达到EOA增加和RF减少的目的,但应力分布略有增加。联合瓣膜高度和厚度进行优化时,能使EOA和RF均得到显著改善。纤维取向设计对应力分布、EOA和RF有显著影响;加强筋设计展示了更均匀的应力分布,选择更软的基质材料,可克服开口面积减小的缺陷;局部区域变厚度设计降低了应力集中,但弯曲刚度更低。结论FSI模拟与多目标优化算法结合展示出确定最优设计的可行性。合理纤维排列显著提高了瓣膜的承载能力,减少了反流并优化了血流动力学性能,分形结构加强筋优化了瓣膜的稳定性和耐久性,局部区域变厚度设计展示了提高聚合物心脏瓣膜耐久性的潜力。