新型抗栓塞小口径人造血管的生物力学模型及基础设计

目前，大中口径人造血管的研制已取得了令人满意的临床效果，但小口径人造血管却一直不尽人意。自体血管由于其来源，大小和长度等原因，在临床上的应用亦受到一定的限制。因此，小口径人造血管的研制就显得非常重要。本课题拟建立一种新型抗栓塞小口径人造血管的生物力学模型，并对其展开人造血管的基础设计研究。该新型小口径人造血管内置由钴铬合金制成的旋流引导器，表面覆盖携有抗组织增生药物（雷帕霉素）的可降解聚合物。研究内容包括：（1）血液与血管及旋流引导器之间的流固耦合分析；（2）旋流引导器药物释放的多组分传输分析；（3）旋流引导器及药物释放速度的优化。通过以上研究以期为以下临床难题的解决提供一定的理论及实践指导：(1)小口径人造血管的急性栓塞问题；(2)搭桥手术后血管内膜增生引起的再狭窄问题。同时本课题尝试将一种全新的CFD多目标优化方法引入到心血管介入器械的优化中来，为今后该类器械的研究设计提供一定的借鉴。

目前，大、中口径人造血管已取得了令人满意的临床效果，但小口径人造血管却一直不尽人意。自体血管由于其来源，大小和长度等原因，在临床上的应用亦受到一定的限制。因此，小口径人造血管的研制就显得非常重要。本项目首先对传统的小口径人造血管进行了血流动力学分析，发现造成其远期通畅率低的根本原因是不良的壁面血流动力学环境，包括较低的壁面剪切应力以及血液流速都比较容易造成血小板和纤维蛋白的早期沉积，进而在此基础上形成厚达1mm以上的假膜。为了改善传统小口径人造血管的壁面血流动力学环境，本项目在传统小口径人造血管的基础上，内置了一个旋流引导器，期望通过引入旋动流能够改变血管内局部的流场形态，特别是近壁面处的血流动力学环境。课题组随后对该新型小口径人造血管展开了生物力学建模以及相关的血流动力学分析。研究结果显示：旋流引导器的植入的确能够使新型小口径人造血管内的血流产生旋动。与传统小口径旁路搭桥血管相比，距离引导器远端的旋动流显著地改变了当地的流场型态以及速度分布，主要表现为近壁面处的血液流速及壁面剪切率均得到了显著地增强，这将有利于抑制急性栓塞的形成及远期的内膜增生，进而有可能会改善小口径旁路搭桥血管在临床上的远期通畅率。.在明确了（与传统小口径人造血管相比）新型小口径人造血管确能显著地改善局部，特别是近壁面处的血流动力学环境之后，本项目从材料以及药物涂层方面对植入的旋流引导器进行了优化设计，新型的旋流引导器由钴铬合金制成且表面覆盖了携有抗组织增生药物（雷帕霉素）的可降解聚合物。通过优化，旋流引导器将具有更好的柔顺性，更好的显影性以及核磁相容性。.最后，课题组对该新型小口径人造血管的几何参数进行了基于血流动力学的多目标优化设计，即在保证生理血流量一定的条件下，使进入人造血管内的血流产生最强的旋动，最佳的药物释放以及最高的壁面剪切应力，但一切均以不造成血管的内皮损伤为限。结果显示：在保持入口血液流速以及旋流引导器长度不变的条件下，平均壁面剪切率随螺旋支架的个数大致呈抛物线型分布，同时旋动指数与螺旋支架的数目大致上呈线性正相关性。本项目拟通过此举为最终的产品设计提供参考及理论指导。