科普内容
人体处于力学环境之中，人体各系统，如循环系统、运动系统、消化系统、呼吸系统和泌尿系统等的生理活动均受力学因素的影响，血管细胞（主要是内皮和血管平滑肌细胞）可以感知各种形式的机械力信号，如切应力和张应变，并将其转化为细胞内生化信号，再经细胞内的级联反应，达到调节血管形态功能、影响血管生理状态。同样血流以及血流和血管的相互作用也涉及很多不同领域的力学问题。心血管生物力学会使用力学的原理的方法分析并解决心血管相关的问题，来帮助研究者更好的了解疾病的形成原理，并找到合适的治疗方法。
心血管生物力学主要研究血流和血管的受力以及变形，血管壁不是单一组织构成的，而是分为三层：最内层也就是与血液接触的一层，主要由内皮细胞构成，起到屏障的作用，便于血液流动以及物质交换；中间的一层主要由血管平滑肌和一些胶原纤维、弹性纤维构成，起到支持、保护以及维持血管弹性的作用；最外侧一层由成纤维细胞构成，同样也起到保护和修复的作用。
血流在血管中流动，但血流并不是缓慢、平静的流动的，而是湍急的流动，并随着有节奏的心跳而时快时慢，这就导致血流和血管壁的受力状态比较复杂。其中周向应力、壁面剪切力是两种较为重要的力。
血流的周向应力就是沿血管的圆周方向产生的压力，周向应力在血管内的分布与血管壁的壁厚相关，如果血管的横截面是标准的圆环形状，那周向应力就都是沿着圆的半径方向的，且每个方向力的大小也相同。简单来说，周向应力可以将血管壁压扁，当心室收缩泵血时，动脉的周向应力大，血流将血管微微撑大，当心室舒张时，动脉的周向应力减小，血管恢复到原来的形状，随着每次心脏的跳动，血管这种有节律的形状变化就构成了我们熟知的脉搏。
壁面剪切力简单来说，可以理解为血流对其流经的血管壁表面产生的摩擦力。由于血流是有粘性的，与血管壁接触的血流在继续向前流动时，会与血管壁产生粘附力，这种粘附力在宏观上的表现就是壁面剪切力。大体而言壁面剪切力与血流流速、血管内径以及血液黏度有关。
周向应力、壁面剪切力及其他力学因素可以通过影响血管壁细胞的形态和功能，影响它的增殖、凋亡和迁移等，还可以调节细胞外基质的合成及消除，从而参与了血管结构和功能的重建。另一方面，过高或过低的力学因素则会引起血管损伤，还会通过多种不同的路径诱发心血管疾病。深入了解心脑血管生理病理过程中的生物力学机制，对于探索动脉粥样硬化等疾病的治疗方法有重要的意义。
那壁面剪切力是怎样影响冠脉粥样硬化的？
在解释这其中的原理之前，大家需要先了解一个流体力学中的重要方程——连续性方程。下面列出该方程的形式之一。
这个方程描述的是密度不变、无粘的理想流体，通过一定的区域时，在每个截面处的横截面积乘上该截面处的速度所得到的结果都相等。假设这个区域是一个上图这样的管子，那截面1处的横截面积A1乘上该处流体的速度v1，就等于截面2处的横截面积A2乘速度v2。由于截面2的横截面积要比1处小，就使得2处的流速比1处快。
如果这样还是不好理解，那可以这样想：一条河流，当从窄的河道流入宽的河道时，是不是水流会变得平稳许多？连续性方程描述的就是这种现象。
其实，由于硬化斑块而堵塞的血管，就相当于一条河道逐渐变窄的河流，当血流经过堵塞的部位时，流速会变快。但是又由于血液有粘性、血管有弹性，并不完全符合连续性方程的条件，所以当血流通过狭窄的部位之后，流速会比通过之间有所减缓。
同时，在流过凸起的硬化斑块之后，血流会在斑块与血管壁之间的角落里陷入一种不规则的流动状态，我们可以称之为涡流。斑块后的涡流同样也会减慢那里的血流速度。
所以总的来看，斑块附近的血流状态相比于正常血管中的血流，既有流速加快的位置，也有流速减慢的位置。而壁面剪切力恰恰就与血流的流速有关，血液流速越快，壁面剪切力越大；反之当血液流速减慢，壁面剪切力也变小。
然而壁面剪切力并不是越大越好，也不是越小越好。想要血管保持在一个正常、健康的状态，壁面剪切力需要不大也不小，刚刚好就好。
由于血小板不但有止血的功能，它的不正常聚集也会导致血栓的形成。而刚刚好的壁面剪切力可以带走黏附在血管壁上的血小板，同时也可以带走其他具有粘性的物质，可以保障血液的正常流动，防止血栓的形成。
当血流经过狭窄部位时，流速大，壁面剪切力也就大，过大的壁面剪切力会使得血管壁细胞发生形变，进而诱导中间介质细胞大量分泌血管性血友病因子（vWF），这种因子进入血液，会和附近的血小板结合，促进血小板与血管壁胶原纤维结合，从而导致血小板在流速快的部位迅速聚集而形成血栓。
当血流通过了狭窄部位，或是陷入斑块后的涡流中时，血流速度变慢，壁面剪切力也变小，过小的壁面剪切力会导致血流无法将黏附在血管壁上的血小板带走，同样也无法带走其他具有粘性的物质，如脂质、糖类物质等。当这些小碎块在斑块后的血管壁上逐渐堆积，就会形成血栓，并且随着血栓的形成，会扩大血流的低速区域，进一步促进血栓的形成。同时堆积在斑块后的脂质、糖类等物质也会透过血管内皮，加快斑块的生长，也会促进血栓的形成，导致冠心病的症状加剧，形成恶性循环。
血管支架的植入，使得原本狭窄或堵塞的血管重新开放，也使得壁面剪切力、壁面压力等血流动力学参数恢复到正常状态，同时配合溶栓药物的使用，使得血管内的血栓快速溶解，血液流动重新畅通，冠心病的风险大大降低。
作品来源
本作品是在中国科协生物力学科学传播专家团队、中国生物材料学会生物力学科学传播团队樊瑜波教授、王丽珍教授指导下完成
作者：梁明凯、孙沛、岳艳鲜、黄慧雯
支持单位：北京市生物医学工程高精尖创新中心科普教育基地、中国生物材料学会材料生物力学分会
资助
本作品由中国生物材料学会精品科普项目资助
参考文献：
[1] 姜宗来. 心血管生物力学研究的新进展[J]. 医用生物力学, 2010, 25(05): 313-315+351.
[2] 张昭华, 庞敏. 动脉粥样硬化的发病机制综述[J]. 基层医学论坛, 2018, 22(34): 4918-4919.
[3] 邱越, 卿铭, 董世明, 郑庭辉. 腹主动脉瘤血流动力学数值模拟研究现状[J]. 医疗卫生装备, 2020, 41(10): 87-92+98.
[4] 李梅, 赵雪芹, 王同兆, 王磊. 动脉粥样硬化的发病机制及治疗的综述[J]. 科技视界, 2017(26): 35-36+52.
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