外周动脉疾病(PAD)主要是指由动脉粥样硬化引起动脉管腔不同程度的狭窄和闭塞,影响周围组织和器官的血氧供应,继而发生受供器官或肢体的缺血甚至坏死。下肢动脉分支的股动脉是目前PAD中最常见的发病部位。虽然介入治疗后狭窄股动脉的通畅性得以改善,然而根据临床数据显示,与其他部位动脉的介入治疗相比,其通畅率较差,归因于下肢在运动期间经历大范围的机械变形,其中包括扭转、弯曲及压缩等在内的独特的高动态力学环境。目前针对外周血管疾病介入治疗中有关支架与血管相互作用的研究主要集中在准静态环境中进行,而支架与血管在肢体运动过程中高动态力学环境下的力学作用机制以及由于运动屈曲时动脉腔几何变化而引发血流动力学作用的改变,有可能是诱发动脉内支架再狭窄的关键所在。因此开展对上述问题的研究,对支架再狭窄机理的完善及临床治疗策略的选择具有重要的意义。本文主要研究工作如下:(1)开展对动脉结构力学作用机制的研究。建立血管和支架的有限元模型,计算比较了处于不同状态(健康、狭窄、球囊扩张、支架与球囊扩张相结合)下的血管(含残余应力和未含残余应力),在肢体直立和运动过程中高动态力学环境(弯曲和扭转)作用下支架与血管的相互作用以及病变血管球囊预扩张和后扩张状态下支架植入对狭窄动脉壁的影响。结果显示,在生理血压负荷下,残余应力的存在使动脉内膜和中膜间周向应力的分布更加均匀化,外膜应力梯度增加。与不含有残余应力的病变动脉相比,含有残余应力时内膜所受的为周向压应力,且与健康动脉相交处斑块的最大主应力值增加,计算得到的斑块易破裂部位峰值应力升高,因此有必要开展包含残余应力动脉的研究工作。病变动脉经球囊扩张后,斑块的最大主应力发生在其两侧端部,运动时斑块两侧端部受弯区域在循环载荷作用下一直处于疲劳状态,此为斑块中最易出现结构损伤的位置。与支架球囊后扩张相比,球囊预扩张后释放的支架所受到的应力大于后扩张,且更能适应血管的变形;运动时斑块在受弯区域最大主应力值增加且分布范围较广,极易发生损伤破裂。而后扩张中斑块的最大主应力位于支架受弯区域的网孔间,且数值相对较小。(2)探讨斑块钙化程度对血管内介入治疗的影响。通过构建轻度、中度和重度钙化斑块模型,对支架置入到含有钙化程度不同的斑块及残余应力的病变动脉进行了研究,探讨肢体在直立和运动过程中斑块和管壁的受力状态以评估斑块的钙化程度对治疗结果的影响。结果表明:置入支架后,肢体运动中位于动脉弯曲外侧的斑块处于疲劳状态,极有可能发生结构失效而破裂。三种钙化斑块最大塑性等效应变均发生在斑块的最狭窄处,其中重度钙化的斑块在直立和运动状态下均具有最高的塑性应变,狭窄率最低。轻度和重度钙化斑块所在的动脉具有相似的力学特性,中度钙化的斑块主应力峰值最高,其损伤部位位于斑块中间最狭窄处及斑块与健康动脉相连接处。从力学生物学角度对含斑块病变动脉易发生破裂部位机理做了综合评价和阐述,为临床治疗策略的选取及预后提供了参考依据。(3)对外周动脉血流动力学展开了系统的研究。构建处于不同状态(健康、狭窄、球囊扩张、支架与球囊扩张相结合)的动脉模型,利用计算流体力学(CFD)方法,借助于ANSYS CFX对上述四种动脉在肢体直立和运动时血流动力学进行了研究。对动脉血液流动特性及血流速度、壁面压力、时间平均壁面切应力(TAWSS)、振荡剪切指数(OSI)等血流动力学参数进行了计算和分析。结果表明:血液流速及管壁压力与狭窄率密切相关,狭窄率越高的部位流速及其远近端的压差越大,远端形成的流动分离区分布越广。当动脉处于弯曲状态时,其弯曲内侧和外侧间的压力梯度明显增加。低TAWSS和高OSI值位于狭窄斑块与健康动脉连接区域,伴随着肢体的运动,其动力学环境发生很大的变化,高OSI值集中在弯曲动脉的内侧区域。球囊扩张和支架球囊预扩张动脉,狭窄率降低,TAWSS在管壁圆周方向梯度变化减小,分布更为均匀,动脉所受的动力学环境更为稳定,支架所在部位存在血流停滞,形成了一系列不连续的低TAWSS分布区。位于低壁面压力、低TAWSS和高OSI的动脉弯曲内侧区域,血液中的致动脉粥样硬化因子易在此聚集沉积并发展为粥样斑块,极有可能加剧动脉进一步狭窄。(4)开展新型编织复合支架(BCS)力学性能研究。在对支架与血管力学作用及血流动力学认识的基础上,建立编织复合支架BCS有限元模型,计算比较了同一编织模式下BCS和编织镍钛合金支架的力学性能。同时采用正交试验设计的方法,研究了编织复合支架包括支架材料性能(PET弹性模量)和几何结构(初始编织角、镍钛合金丝数目、镍钛合金丝直径和PET厚度)在内的五个因素对支架力学性能的影响。结果表明:BCS结构具有高的径向支撑力和良好的纵向柔顺性,同时具有覆膜支架的优点,在一定程度上对斑块通过支架网孔向内生长提供了屏障。镍钛合金丝径和初始编织角是影响BCS力学性能的两个最主要因素。丝径越大,支架的径向支撑力越好,但柔顺性变差。初始编织角越大,支架的径向支撑力越大,柔顺性越好。当支架处于大变形状态时,初始编织角对其力学性能影响减小。PET数目对支架表面覆盖率起决定性作用。此外阐述了聚酯带的作用以及聚酯带与镍钛丝的相互作用,定量评估BCS的力学性能,对后续支架结构优化设计提供了理论基础和数据支撑。本文对处于不同状态(健康、狭窄、球囊扩张、支架与球囊扩张相结合)的动脉在肢体直立和运动时力学和血流动力学进行了深入系统的研究。研究结果有助于理解动脉粥样硬化形成机制以及支架再狭窄生物力学机理,对支架结构优化设计、临床介入方案的选择以及患者预后的预测提供指导。