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人工心脏脉动工作模式调控动脉内皮功能及相关血流动力学机制的体外模型研究

批准号:
32071314
项目类别:
面上项目
资助金额:
55.0 万元
负责人:
王宇
依托单位:
学科分类:
生物力学与生物流变学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王宇

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
连续流人工心脏是治疗终末期心衰的设备。其辅助血泵在恒定转速模式下产生非生理性血流并导致内皮功能失调,而脉动血泵转速可增加动脉血流和血压的脉动性,改善动脉内皮功能。然而,血泵转速的不同脉动工作模式差异调控动脉内皮功能的规律及其机制尚不明确,导致血泵转速工作模式的优化选择缺乏依据。鉴于体外模型能模拟且适于监控细胞微环境信号,本项目利用体外模型研究人工心脏脉动工作模式调控动脉内皮功能及相关的血流动力学机制。首先,通过设计和构建体外模拟循环系统研究人工心脏泵速的不同脉动工作模式与壁面剪应力、血压、牵张应变信号之间的对应关系;其次,搭建能够模拟上述泵速条件下血流动力学信号微环境的微流控内皮细胞培养模型;最后,利用该模型探索上述血流动力学信号的改变差异调控内皮功能的规律及其血流动力学机制。本项目将为连续流人工心脏优化选择泵速工作模式提供科学依据。
英文摘要
Continuous flow artificial hearts have been the devices for the treatment of end-stage heart failure. Its assisted blood pump can generate non-physiologic blood flow and cause endothelial dysfunction due to the constant pump speed. In contrast, the pulsatile pump speed can increase pulsatility of arterial blood flow and pressure, in order to improve arterial endothelial function. However, currently the law and related mechanisms of differentially regulating arterial endothelial function based on the different pulsatile working modes of the pump speed, is still unclear, leading to the lack of basis for the optimal selection of working modes of the pump speed. In view of the fact that the in vitro model can be used to simulate and monitor microenvironmental signals for cells, this project uses in vitro model to study on the arterial endothelial function modulated by pulsatile working modes of the artificial hearts and the related hemodynamic mechanisms. First, an in vitro mock circulatory system is designed and established, to study the corresponding relationship between different pulsatile working modes of the pump speed for the artificial hearts, and the signals of wall shear stress, blood pressure, and strain. Second, a microfluidic endothelial cell culture model is built, which can simulate the microenvironment based on the previously mentioned hemodynamic signals under the conditions of the above pulsatile pump speed. Finally, this microfluidic endothelial cell culture model could be used to explore the law and hemodynamic mechanisms of differentially regulating the endothelial function based on the changes in the above hemodynamic signals. This study could provide the scientific basis for the optimal selection of working modes of the pump speed for the continuous flow artificial hearts.
连续流人工心脏是治疗终末期心衰的设备。其血泵在恒定转速下产生非生理性血流并导致内皮功能失调,而脉动血泵转速可增加血管的脉动性,改善动脉内皮功能。然而,人工心脏的不同工作模式差异调控动脉内皮功能的规律及其机制尚不明确,导致血泵转速工作模式的优化选择缺乏依据。本项目利用体外模型研究人工心脏脉动工作模式调控动脉内皮功能及相关的血流动力学机制。.本研究首先设计了连续流人工心脏的脉动反馈控制系统;其次构建了相应的体外模拟循环系统,分析连续流人工心脏不同脉动工作模式与引起的局部微环境中血流动力学信号幅值和频率之间的定量关系;之后,建立了能够精准模拟动脉内皮微环境血流动力学信号的体外微流控内皮细胞培养系统(ECCS);最后,实验验证连续流人工心脏不同脉动工作模式以及反搏设备支持下血压、壁面剪应力、周向应变对某些重要生物标志物基因和蛋白表达水平的影响。.研究结果表明,设计的反馈控制系统能够在各种条件下产生足够的心输出量、防止抽吸现象、增强血管的脉动性。人工心脏脉动转速下的主动脉脉压和峰值壁面剪应力均大于恒速模式,高平均壁面剪应力区域均出现在左颈总动脉和远端主动脉分支附近,同时这些区域也具有低震荡剪切指数。设计的体外微流控ECCS在细胞培养腔内成功模拟出在体动脉内皮所受的血压、剪应力、周向应变及三者之间的耦合关系。人工心脏的脉动工作模式约为心动周期2-3倍时最有利于改善血管内皮功能,并与动物实验结果一致;反搏设备模式次之。.本研究可为人工心脏不同工作模式引起的血流动力学信号差异性地调控动脉内皮功能的规律及其血流动力学机制提供可靠的平台,从而为不同脉动工作模式的优化选择提供科学依据,提升心衰的治疗和预后效果。
同伦路径跟踪及非线性规划内点法的研究
  • 批准号:
    19301009
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    2.0万元
  • 批准年份:
    1993
  • 负责人:
    王宇
  • 依托单位:
国内基金
海外基金