心脏是人体的重要器官之一,为血液的循环提供动力。心脏的功能一旦出现故障,常常导致严重的疾病产生。在心脏疾病中,窦房结功能不全、房室传导阻滞等心电传导疾病是一类高发的心脏病,容易导致胸闷、晕厥甚至猝死等症状。现在,植入电子起搏器是治疗此类疾病的唯一手段。然而,电子起搏器在大大提高患者生活质量的同时,也存在很多不容忽视的问题,比如感染、需要手术更换电池等。由于这些弊端,人们期待能够研发出更先进的起搏器来代替电子起搏器。现在,作为前沿的生物起搏器被认为具有克服电子起搏器弊端的潜力。然而,生物实验往往比较耗时、费力且花费昂贵。本文借助计算机和数学等学科的交叉优势,建立计算模型,从单细胞到组织级别多尺度地探索生物起搏器的起搏机制及其可能导致的疾病风险,为生物起搏器的发展及早日临床应用提供理论指导。论文的主要内容如下:首先,应用非线性动力学理论对单细胞的起搏机制进行分析,找出能够影响细胞起搏的跨膜电流;调整这些跨膜电流,使心室工作细胞具有起搏功能,为生成生物起搏器提供基础。在正常情况下,心室工作细胞是非起搏细胞,受到来自窦房结的阈上电信号的刺激,才产生一个完整的动作电位,然后又回到静息状态;在下一次阈上刺激来临之前,细胞的电位将保持不变,不会自发产生电兴奋。通过非线性动力学理论的分析,结合实验验证,找出能使心室单细胞起搏的条件,使细胞具有起搏功能。传统上,寻找起搏的条件,需要不断地手动尝试不同的条件;而应用非线性动力学理论,可以通过计算即可得出细胞起搏条件的数值范围。其次,在心室工作细胞能够起搏之后、在起搏器生成之前,研究心室工作细胞被改变后对心室功能的影响。实验结果表明,当心室大面积的细胞有起搏能力时,心室组织的起搏能力增强,窦性节律对心室的控制减弱;但同时心电在心室内的传导速度减慢,导致心电图的QT间期增长,更容易诱发折返波的产生而导致心律失常。因此,在心室内生成生物起搏器时,应该避免简单地靠增加起搏细胞的数量来提高起搏器的起搏能力。接着,研究生物起搏器和心室组织之间适当的电隔离(绝缘)对生物起搏器驱动能力的影响。简单地增加起搏细胞的数目,可以提高起搏器的起搏能力,但过多的起搏细胞容易诱发心室的心律失常;而起搏细胞太少,起搏器根本不能起搏。本文设置起搏器与心室组织之间大部分区域绝缘,只保留部分区域与心室组织保持电传导。实验结果表明,在这种情况下,只有少量的起搏细胞即可使起搏器稳健起搏。因此,起搏器和心室组织间的电隔离可以作为生成起搏器的重要手段之一。最后,研究起搏器内细胞之间的解偶联(弱电偶联)对起搏器起搏能力的影响。简单地增加细胞的数量,容易导致心律失常;通过电隔离,可以生成合理的生物起搏器,但该技术手段在生物实验上还不易操作。本文推导各向异性的电传导方程,建立起搏器细胞模型,研究起搏细胞间的弱电偶联对起搏器起搏能力的增强作用。实验结果表明,相同数量的起搏细胞构成的起搏器,起搏能力随细胞间电偶联的减弱而增强;减弱细胞间的电偶联,由较少细胞构成的起搏器即可稳健地驱动心室组织工作。因此,减弱细胞间的电偶联是生成生物起搏器的另一种更为合理的手段。