血管疾病药物支架治疗的力学机理与优化设计

本课题重点研究血管疾病药物支架治疗中的力学机理和系统优化设计方法。在力学机理方面，建立药物支架全过程仿真计算模型，分析支架植入和服役过程（包括植入膨胀，接触，大变形、使用寿命，血流动力学，支架与血液、血管壁间的相互作用、药物支架的药物释放效应等）中的生物力学响应。在优化设计上，将在以力学机理研究的基础上发展系统优化方法，包括建立优化（支架结构优化，涂层工艺优化，多靶标涂层药物设计等）模型，研究适应于结构大变形、接触以及流固耦合问题和多靶标涂层药物设计的优化方法，改变依赖临床/经验和实验修正的传统设计模式，对从支架结构和涂层药物诸方面进行优化设计。在研究工作上，将立足于研究组形成的多学科交叉研究基础，发挥力学、化学、生物、药物分子设计和计算机科学等相关学科优势，并加强与医药研究机构的合作，取得有特色的研究成果，丰富血管疾病微创介入治疗的理论和技术，为治疗心脑血管疾病服务。

本课题立足当前心血管疾病治疗技术发展的需要，重点研究了药物支架的力学机理与系统优化设计方法，并进行了药物支架多靶点药物分子设计方法的研究。在力学机理研究上，建立了药物支架力学特性分析的一体化仿真计算模型，并分析了支架在狭窄血管内扩张变形、接触与流固耦合、服役期的疲劳寿命分析以及药物支架的药物释放效应等一体化过程，揭示了支架扩张的力学特性、支架内血流动力学状况以及血液与支架和血管的相互作用特征，并在此基础上对冠脉支架在血流作用下的疲劳寿命进行了评估。此外，还考察分析了冠脉支架的弯曲性能，指出连接支柱对支架弯曲性能的重要性，为冠脉支架设计技术研究提供了理论指导。在优化设计上，基于支架力学机理的研究基础建立了支架结构优化和涂层工艺优化的单目标与多目标模型，研究设计了针对高度非线性以及多目标优化问题的求解方法，在此基础上进行了支架结构和药物支架涂层诸方面的多层次以及系统优化设计，显著提高了支架的性能，为冠脉支架的设计提供了新思路和新方法。在药物支架多靶点药物分子设计方法的研究上，首先进行了蛋白质活性区域预测方法的研究，为基于结构的药物设计方法奠定了基础，然后针对支架药物需同时满足多个目标的特点，研究了基于药效团的多靶点药物分子设计方法，这些方法丰富了计算机辅助药物分子设计的理论和方法，并为支架药物的选择提供了依据和工具。本课题立足于传统学科与新兴学科的交叉，通过设计开发新的模拟体系、算法以及模型，使其适应血管支架分析的需要，获得更为合理的模拟结果，并结合现代优化方法用以指导血管支架的设计。本课题的实施为数值模拟计算在心血管疾病治疗领域中的应用提供了有力的支撑。