心血管疾病是现代社会中的首要死因,力学刺激在血管组织的重建和病变中发挥着重要作用。近些年,许多学者一直致力于研究心血管系统的疾病机理和健康管理,分别在血管力学生物学和生物力学两个领域开展了大量的工作。一方面,细胞力传导的研究表明,血管细胞在不同力学环境下会表现出不同的生物学响应,然而,这些体外实验与血管生理和病理条件的定量相关性目前尚不清楚,所得到的结果在多大程度上揭示心血管的发病机理仍然有待考察;另一方面,基于非线性连续介质力学的数值方法被广泛用于评估健康和病变血管的在体机械应力,但是,现阶段还缺乏高效、可靠的手段来模拟血管中的残余应力,这影响了在体应力预测的准确性。针对以上问题,本研究聚焦血管细胞的力学微环境以及病变血管组织的在体应力响应。本研究首先通过半解析法,定量探究了生理位置以及老化对血管细胞周围力学环境的影响,为血管力学生物学研究提供了空间和时间两个维度上的力学参考。本研究提出并验证了数值重建血管残余应力的热膨胀法,并基于该数值方法参数化分析了动脉粥样硬化斑块的在体应力,帮助完善动脉狭窄的临床诊断和风险评估。本研究的主要内容如下:(1)围绕血管组织细胞在体力学微环境的特性问题,本研究选取中年人体九处动脉为研究对象,基于非线性连续介质力学解析了不同血压条件下管壁的应力/应变以及刚度。研究发现,管壁中内皮细胞、血管平滑肌细胞以及成纤维细胞的在体力学环境存在“位点特异性”,不同生理位置处细胞感知的应力/应变和基质刚度存在显著差异。并且,在高血压条件下内膜并不总是承受严重的机械牵拉,主动脉外膜上的高拉伸力支持了由外膜主导的、由外向内的炎症假说,升主动脉内膜上的负应变和压缩力解释了主动脉夹层的内膜屈曲现象,这些结果表明体外实验研究应该考虑细胞力学微环境的“疾病特异性”。此外,管壁中存在相当大的应力梯度,这表明血管细胞周围存在微尺度的力学变化,也暗示血管病变不是发生在孤立区域的静态过程,而是涉及细胞迁移等动态过程。研究结果表明,机械应力/应变、应力梯度和基质刚度是构成细胞力学微环境的重要因素,在体负应变以及力学环境空间梯度的发现将会给“多力学因素特异性”的血管力学生物学实验研究带来新的思路。(2)围绕血管老化情况下细胞力学环境变化的问题,本研究解析了不同年龄段人体股腘动脉(femoropopliteal artery,FPA)的机械应力/应变和管壁刚度。研究发现,高应力出现在年轻FPA的内膜层以及老年FPA的外膜层;管壁生物力学特征的分析表明,在整个生命周期中,中年FPA最能够抵抗高血压的作用,并能维持管壁的力学稳态(mechanical homeostasis);管壁中应力/应变的变化情况(而不是管壁刚度)可以作为表征FPA老化进程的指标。本研究为血管力学生物学研究提供了年龄特异性(age-specific)的力学参考,为进一步揭示血管老化过程中的发病机理提供了力学基础。(3)为了评估健康和病理条件下血管中的在体应力,本研究基于热-结构耦合的有限元法提出了热膨胀法,该方法作为一种相对简单、便捷的数值手段,能够准确模拟血管中的残余应力。通过模拟单层和多层血管的张开过程以及压力-半径响应,本研究首先验证了该方法的可靠性,然后应用于高血压以及血管狭窄条件下管壁的应力分析。研究发现,对于不同的血压条件,存在特定/最优的张开角,保证管壁中形成均匀的应力分布;斑块的肩部具有较高的弹性剪切应力,该弹性剪切应力在斑块破裂过程中起到了撕扯效应。研究证实,当前的数值方法能够高效地应用于评估病人个体化血管的在体应力。(4)围绕日常活动中动脉狭窄患者的健康管理问题,本研究构建了带有斑块的颈动脉分叉在体应力模型,分析了血压和血流、斑块硬度和狭窄率对斑块上弹性应力和流体粘性应力的影响,根据斑块上机械应力最大值定义了风险指数,用于评估不同运动强度下斑块破裂的风险等级。结果表明,对具有血流分配功能的颈动脉分叉而言,狭窄率的大小决定了弹性剪切应力和粘性剪切应力在斑块破裂中的贡献比重。斑块硬度的增加会提升斑块上的最大弹性剪切应力,相同狭窄率下高硬度斑块更容易发生破裂。高弹性剪切应力和高粘性剪切应力都趋于分布在斑块肩部区域,这一共定位特征与斑块损伤的临床观察结果相符。由于应力遮挡效应,高硬度斑块的破裂风险在高狭窄率下趋于降低,这表明存在一个使破裂风险最大的临界狭窄率。本研究从狭窄率、斑块力学特性方面为心血管的健康管理提供了血压控制参考。