心血管植介入体的生物力学分析和仿生设计

植介入手术是临床治疗心血管疾病的最重要手段之一。然而,血栓形成和血管内膜增生而致的再狭窄限制了血管支架、人造血管、机械瓣膜等植介入体的手术效果。尽管这一系列事件的相关机理并不十分清楚,但是血流动力学因素在其中起着关键的作用已成为不争的事实。为此,开展植介入体与血液和血管组织之间相互作用的研究无疑将利于临床手术方案的制定、促进植介入体的发展、提高植介入效果。另外,人体心血管系统经过长期的进化,在正常生理条件下,血管结构和血流特性已趋于最优,因此,基于血流动力学原理仿生设计的植介入体将符合血管本身的结构和功能。为此,开展了血管植介入体的生物力学分析和仿生设计。首先,使用数值仿真技术,研究了血管支架植入对局部血流的影响,发现支架植入会引起血流的扰动,控制支架局部的一氧化氮的浓度,导致支架植入的区域一氧化氮浓度分布不均,且浓度较低,从而形成促血栓的力学微环境。为了消除支架植入引起的局部扰流,设计了局部带孔的支架,数值仿真结果表明该种支架能够减少涡流区域,提高近壁面的壁面剪切力,降低震荡剪切指数[1]。另一方面,由于高剪切率会促进血小板激活,而低剪切率会加速血小板聚集,一般做法是避免在血管中形成这样的促血栓形成的力学微环境。拟将这样的力学微环境应用在动脉瘤治疗中,使用多层血管支架技术,使得在心脏收缩期血流剪切率提高到激活血小板,而在舒张期降低的血流剪切率促进血小板的聚集和黏附,从而在动脉瘤中形成稳定的血栓结构,希望达到治疗动脉瘤的目的。其次,器械表面的界面设计也是解决血栓形成一个思路,为此,受血管内皮细胞糖萼结构和功能的启发,构建了一种仿糖萼的液体移动界面[2]。血管内皮细胞糖萼是位于内皮细胞顶膜的一层绒毛状多糖蛋白和血浆的复合结构,研究表明糖萼可以作为选择性通透屏障,控制进入血管壁的大分子,还可以抑制血细胞对内皮细胞的黏附。作为初步研究,使用硅润滑剂孵育在多孔膜表面,形成了液体移动界面,该液面可阻止血细胞接触膜表面,防止血栓形成。近年研究发现,动脉系统的血流形态可能大多呈旋动流态。该旋动流态是结构与功能统一在心血管系统的体现。旋动流能使血管壁得到光滑冲刷,减小血液中有害物质在血管壁沉积,增强氧气的传输,抑制血小板和单核细胞的黏附[3]。基于旋动流重要的生理功能,设计了仿生旋动流的锥型螺旋人造血管,数值仿真结果表明,通过锥度可以实现旋动流强度的控调,随着锥度的增加,旋动流强度显著增加。在旋动流强度的增加作用下,搭桥血管和吻合处等容易堵塞的区域,血流的扰动急剧减小[4]。人体器官中的血管从动脉、毛细血管到静脉,其尺寸、结构和成分会连续变化,如何实现这种动态的结构一直是个挑战。基于微流控的三维生物打印技术,仿血管从三层结构到单层结构的动态调控[5]。打印了含有内皮细胞的内膜层和平滑肌细胞的中膜层,打印过程中细胞存活率高。打印完后立即测量细胞的存活率,发现细胞存活率可达93±2%,在培养的7~14 d过程中,细胞的存活率保持在85%~97%。通过对血管细胞的细胞核和细胞骨架进行免疫荧光染色,发现血管细胞在生物墨水中能够很好地铺展和增殖。该方法为制造组织工程人造血管提供了思路,该方法不仅能打印血管,还可以应用在尿道等其他管状结构的生物打印。

基于髋部骨骼属性预测骨折风险研究进展

随着人口寿命不断延长,老年人口所占比例不断增加,老年骨质疏松患者易发生髋部骨折,给家庭和社会带来沉重的经济负担。从股骨近端几何结构、骨密度(bone mineral density,BMD)、骨折风险评估工具(fracture risk assessment tool,FRAX)和基于CT影像的有限元分析(finite element analysis,FEA)等方面阐述髋部骨折风险预测的研究进展,旨在了解骨折风险的影响因素,提高老年人髋部骨折风险预测的准确性,尽量在早期发现易骨折的高危人群,并通过及时干预降低骨折发生概率,同时也为髋部骨折的预防和治疗方法提供理论参考。