摘要：心血管病是人类健康的第一大疾病，其中心血管系统所承受的冲击和损失最大。因此，研究心脏主动脉血流动力学分析与结构优化具有重要意义。人工血管植入术是治疗主动脉疾病的终极方案。生物3D打印人工血管在主动脉植入领域极具应用前景，但因其自身结构及内部流动状态复杂，目前尚缺乏可从生理层次上考虑个体化需求的三维模型。通过结构优化设计，可以改善人工血管的几何形状和力学性能。

关键词：生物3D打印；心脏主动脉；血流动力学

随着人民生活水平的提高， 拥有不良生活习惯的居民逐渐增多。由于肥胖、吸烟、过度饮酒以及缺乏锻炼导致的高血压、高血脂、高血糖等疾病，都对心血管系统造成了极大的负担。据权威机构统计，全世界心血管疾病总发病人数从 1990 年的 2.71 亿增长至 2019 年的 5.23 亿。与此同时，心血管疾病的死亡率也是居高不下。因此，心血管疾病是世界疾病负担的首要原因。

一、生物 3 打印主动脉模型的构建与验证

（一）材料选择与打印工艺优化

在人工血管 3D 建模过程中，材质的选取和打印过程的优化是保证血管结构仿生和功能的重要步骤。甲基丙烯酸酯修饰明胶具有良好的生物相容性，且机械性质易于调节，其弹性模量可达 1 0-1 0 0 k P a ，人体主动脉瓣 5 0-2 0 0 k P a 的理想选择。通过对 Gel MA预聚合溶液的流变性能研究，使其在 2 5 % 内保持 的存储弹性，从而达到挤压印刷的稳定需求。利用 2 2-2 5 μ m 的喷头，在 0.1-0.3 巴的挤压压力下，对主动脉管进行三维重构，获得具有微米级精度的主动脉管，最小可达到 。个性化的建模离不开对医疗图像的精确处理。利用 Mimics 对患者的 CT 扫描图像（ 0 . 5 m m ）进行门限划分，获取主动脉的3D 外形，并利用 Geo magic Studio 对其进行表面形状的优化，使其在保证壁面厚度一致性的前提下达到 5 % 以内。在一家三级甲等综合医院的临床应用中，应用该方法建立的血管三维重建模型与病人真实的解剖形态吻合率达到 9 3 . 7 % ，比常规方法提高了 2 8 % 。最后，利用 UV 光照 6 0 s （光照强度 ）和 C（光照强度 ）平衡 2 4 h ，最终达到机械强度稳定的目的。最后完成后，经爆炸压强试验，1.5 毫米的主动脉可以经受 2 5 0-3 0 0 m m H g 的脉冲气压，符合人类的正常生理状态[1]。

（二）模型验证与力学性能测试

在人工血管 3D 打印中，机械特性检测是保证人工血管结构的可靠重要步骤。按照GB/T43938.1-2024 中有关材料的机械特性测定方法，在试件进行单轴受拉实验时，在1 m m / m i n 的速度下，实时观测试样的应力－变形全过程，直到试样破裂为止。文献报道，Gel MA-海藻酸钠 3D 打印出的血管杨氏弹性模数达到 1 . 2 ± 0 . 3 M P a ，与人体主动脉壁在 1 . 0-1 . 5 M P a 之间高度一致。采用油压伺服装置，以 0 . 0 2 M P a / s 的升压速度对其进行冲击试验，使其达到 4 5 0 ± 2 5 m m H g ，与人类主动脉壁所能耐受的 相近。基于该材料的机械特性，将其与实际生物材料进行比较。采用 1 Hz 振动动力机械分析装置，将模型损失系数（ ）调整至 0.1-0.3，更接近人体血管的粘弹特性。本项目拟以心脏植入体为研究对象，以 ISO 719 为研究对象，利用高速摄影技术，实时采集不同流速（60 次/min）下心脏瓣膜的动态舒张速率，以保证正常主动脉 8 % ～ 1 2 % 范围内的舒张速率不大于 1 5 % . 。采用 ANSYS Fluent 仿真平台，设定进口速度 （仿真心脏射血周期的最大值）作为边界，得到壁面剪切力的分布图。经实验证实，该方法计算出的最优剪切应力分布与实际 CT 图像的拟合程度达到 0.87，证实该方法的有效性。通过以上研究，建立起一套完整的人工血管 3D 打印模型，为其在人体内的应用奠定基础[2]。

二、血流动力学分析与结构优化

（一）多模态血流动力学实验

在血流动力学研究中，多模态实验方法的整合对于精准分析血管病变区域的流体力学特性至关重要。体外循环模拟系统的搭建是实验的基础环节，采用高精度脉动泵（如 Si mu heart 系统）模拟人体心脏搏动特性，其波形编辑功能可精确复现收缩期峰值流速（正常主动脉平均 1 . 0-1 . 5 m / s ）和舒张期血流特征。系统配置中，压力传感器（精度 ）沿血管模型轴向布设，间距根据雷诺数（ R e=ρ v d /μ ）计算确定，通常为血管直径的 5-8 倍，以确保能捕捉到压力梯度的完整变化。某研究数据显示，在模拟 7 0 % 狭窄的颈动脉模型中，病变远端压力下降幅度可达 3 5-4 5 m m Hg ，这一现象

与临床观测高度吻合。

粒子图像测速（PIV）技术的实施需要严格的光学与流体匹配条件。实验采用直径1 0-5 0 μ m 的荧光示踪粒子（折射率 1.49-1.52），其浓度控制在 0 . 5 % ～ 1 % 体积分数以保证图像信噪比。双脉冲激光器（波长 5 3 2 n m ，能量 5 0-2 0 0 m J / p u l s e ）以 1ms 间隔触发，配合高速相机（ 2 0 0 0 f p s ）捕获流场瞬态图像。通过互相关算法处理连续帧图像，可获得空间分辨率达 0 . 1 m m 的速度矢量场。在颈动脉分叉模型的 PIV 实验中，数据显示外侧壁区域存在明显的流动分离，涡流核心区速度降至主流区的 2 0 % ～ 3 0 % ，这与动脉粥样硬化好发部位高度相关。

壁面剪切力（WSS）的分析需结合流场数据与血管几何特征。利用三维重建软件（如 Mimics）从 PIV 数据中提取血管内壁曲面，通过近壁面曲度梯度计算 WSS 分布。临床研究表明，低 WSS 区域（ ）易导致内皮细胞功能紊乱，而高 WSS（7Pa）则可能引发斑块破裂。某主动脉瘤模型的 CFD-PIV 对比实验显示，瘤体颈部 WSS 波动范围达 1 . 5-6 . 2 P a ，这种力学环境的不稳定性是瘤体扩张的重要诱因。实验过程中，需定期用标准流场（如泊肃叶流）校准系统，确 WSS 计算误差控制在 ± 5 % 以内。这种多模态联用的研究方法，为血管病变的机制研究和治疗器械优化提供了可靠的实验依据[3]。

（二）基于仿真与实验数据的结构优化

在构建主动脉流场模型的基础上，采用参数化模型和试验验证的方法，对主动脉流场进行优化。在前期工作基础上，利用 Solid Works 与 ANSYS 建立主动脉三维建模方法，从病人的 CT 图像中抽取出主动脉的形态结构，选取升主动脉内径（ 2 8 - 3 5 m m ）、弓曲率（ 4 5-6 5 m m ）等重要参数作为可调节的变量。我们前期研究发现主动脉弓角由120＼～150 度调节可使主动脉弓处的湍流能下降 2 7 % 左右，符合《Journal of Biomechanics》上已有的研究结果。在此基础上，重点研究壁面剪切力（WSS）的空间分配，采用迭代法将原有的低剪切区（ <0 . 4 P a ）比例由原来的 3 2 % 减少到 1 8 % ，有效减少了血栓的发生。

该方法主要利用 Geo magic Wrap 对点云数据进行拓扑结构的优化，实现对动脉分支的尖锐边界的光滑处理；然后在 ANSYS 有限元软件中设定好临界值，以 1 2 0 m m H g 的收缩压力、80 次/min 的心跳速度来仿真脉冲血流，保证结果的稳定；利用 FDM 对其进行 3D 打印，选择 60-80 Shore A 作为 TPU 的最佳材质，保证其机械性能。通过对三家三甲医院心血管中心的试验，发现该方法可以使最大流量最大偏差小于 5 % ，且最大气压梯度与人体实际情况更为吻合。尤其是，通过 0 . 1 m m 厚度、45 度错层技术，不仅可以实现微米尺度下的图像重建，而且可以抵抗超过 2 0 0 m m H g 的爆炸压强。建立"数值模拟-实物检验"闭环优化模型，为实现个体化治疗计划的制定奠定理论基础[4]。

结语

总而言之，利用 3D 打印的方法，建立具有高度仿生化的主动脉，为临床上防治心脑血管疾病的研究开辟新的途径。从病人图像到精确的个体化血管建模，到系统性的血液动力解析，每个步骤都蕴含着医学与工程领域的创造性智慧，显著提高流体力学性能，减少流体剪切作用引起的管壁损害。

参考文献：

[1]黄文华.生物3D打印在器官再造中的前沿热点和研究进展[].器官移植，2022，13（02）：161-168.

[2]李琳，程帅，郭静，等.3D 打印技术在评估经股动脉经导管主动脉瓣置换术中冠状动脉阻塞风险有效性的分析[J].中国循证心血管医学杂志，2024，16（11）：1314-1317+1322.

[3]周素密，丁惠娜.3D环境解压冥想与心理健康教育改善心脏瓣膜置换术后患者睡眠观察[].世界睡眠医学杂志，2024，11（11）：2557-2559.

[4]胡星宇，徐萌，李恩超，等.3D打印辅助下的漏斗胸患者心脏病纠治1例分析[J].安徽医专学报，2024，23（05）：128-129 132.DOI：10.20072/j.cnki.issn2097-0196.2024.05.042.