随着现代经济技术的发展,人类寿命显著增长,老年性疾病的发生率正逐年升高,与老龄人口健康问题相关的研究已经引起医疗与科研工作者的高度重视。生物力学作为一门交叉学科,不仅在探索和解释各种生命现象方面,还在设计医疗设施改善老龄人口的生活质量方面发挥着重要作用。腹主动脉瘤(abdominal aortic aneurysm,AAA)和青光眼均是多发于老龄人的疾病。AAA是指腹主动脉肾下段局部永久性扩张膨出,达到一定严重程度有破裂出血导致患者猝死的危险。AAA是动脉壁的生物演化进程与作用在动脉壁上的血流激励共同相互作用的结果。从生物力学角度,弹性动脉管内的血液流动应看作反馈系统进行分析,而一旦动脉瘤形成,动脉瘤的形状对血流动力学及血管壁力学参数均具有显著影响。考察AAA的几何参数对相关力学参数的影响,对AAA临床诊断和预防具有重要意义。青光眼是世界范围内仅次于白内障的致盲性眼病,其危害性在于对视神经的损害是渐进且不可逆的。我国最常见的原发性闭角型青光眼(primary angle-closure glaucoma,PACG)发病的主要原因是由于前房角狭窄或眼内结构彼此距离过近,导致房水流出受阻,造成眼内压升高的一类青光眼,其中一种在临床上广泛使用的方法是利用青光眼房水引流植入物(glaucoma drainage devices,GDD)治疗青光眼。因而青光眼房水引流植入物的设计研发成为青光眼治疗领域的关键问题。于洪泉在其国家发明专利“用于治疗青光眼的扩张环”(申请号CN200610017024.3)的基础上,提出了新型青光眼扩张环的设计方案,我们将对该新方案进行相关生物力学研究。本文主要应用流固耦合原理对三维弹性壁腹主动脉瘤和植入人眼前房的青光眼扩张环力学特性进行数值分析、并对青光眼扩张环进行结构优化及生物力学性能的实验研究。主要研究内容和创新性成果如下:(1)研究三维弹性壁腹主动脉瘤模型几何参数对相关力学参数的影响。通过对三维弹性壁腹主动脉瘤模型进行双向流固耦合数值模拟分析,考察在两种血压脉冲激励下几何参数变化对AAA的血流动力学和血管壁力学参数的影响及力学参数对不同几何参数的敏感性。首先,研究几何参数对流线、涡流、壁面切应力和流速发展的影响。研究结果证实在动脉瘤的形成和发展过程中涡动力学是起重要作用的内部力学机制。作用于管壁的涡流沿轴线移动,涡流的强度主要取决于腹主动脉瘤的几何形状,并间接产生一系列交替变化的壁面切应力脉动响应。其次,研究在一个压力脉动周期中弹性血管壁的最大位移和最大等效应力的变化规律和几何参数对其影响。(2)应用混合数值—实验方法得到疏水性丙烯酸酯材料的本构模型参数。通过对疏水性丙烯酸酯材料圆柱试样进行压缩实验和数值模拟计算,分别得到压缩的载荷—位移实验曲线和数值计算曲线,利用非线性最优化方法分析实验值和模拟值的残差并进行迭代,进而反演疏水性丙烯酸酯材料的本构模型参数,为数值模拟分析青光眼扩张环的结构性能提供材料参数。(3)研究青光眼扩张环对人眼前房流场的影响和流体载荷对青光眼扩张环力学性能的影响。考虑到青光眼扩张环的变形比较小,对植入不同青光眼扩张环的人眼前房模型进行单向流固耦合数值分析。首先,在商业软件ANSYS FLUENT中利用多孔介质模型模拟小梁网的阻力特性,分别对正常人眼前房和植入青光眼扩张环的人眼前房的流场进行数值分析,研究结果表明:在保证青光眼扩张环的安全性和结构耐久性的条件下,扩张环径向通孔的个数越多,圆孔直径越大,前房内流场的流动特征越均匀,越接近真实的生理情况,结构设计更为合理。其次,分别考虑眼内压和房水动压力对青光眼扩张环力学性能的影响。研究结果表明:前房中眼内压对青光眼扩张环的最大等效应力起主要作用;而房水动压力对青光眼扩张环变形的影响与圆孔个数显著相关,其影响与眼内压的影响在同一量级。(4)对圆孔青光眼扩张环进行优化设计,并提出新型椭圆孔青光眼扩张环设计方案。应用ANSYS Workbench软件的Design Explorer模块采用多目标遗传算法(MOGA)对青光眼扩张环的结构进行仿真优化分析。首先,通过灵敏度分析确定对结构质量、最大等效应力和最大变形有影响的主要几何参数,得到圆孔青光眼扩张环优化后的设计方案。其次,提出新型椭圆孔青光眼扩张环的设计方案,进一步确定椭圆孔青光眼扩张环优化后的几何尺寸。数值模拟结果表明椭圆孔青光眼扩张环比圆孔青光眼扩张环的效果更好。(5)对疏水性丙烯酸酯材料的青光眼扩张环进行压缩实验、压缩作用力松弛实验和压缩蠕变实验研究。青光眼扩张环的生物力学性能直接影响其临床治疗效果,本文应用岛津AG-X plus系列精密电子万能材料试验机对疏水性丙烯酸酯材料的青光眼扩张环进行了压缩实验、压缩作用力松弛实验和压缩蠕变实验,以评估其生物力学性能。研究结果表明:在不同加载速率情况下,青光眼扩张环压缩的载荷—变形之间存在非线性的本构关系,其刚度对加载速率十分敏感,并表现出显著的超弹性和粘弹性特征。通过对青光眼扩张环进行粘弹性实验研究,得到在不同的初始条件下青光眼扩张环的压缩作用力松弛和压缩蠕变数据,以及归一化作用力松弛函数、蠕变函数和回归系数。