年龄与性别对动脉壁生物力学特性的协同效应：一项计算模拟研究

本研究通过构建年龄和性别特异性的有限元动脉模型，首次系统评估了性别差异(constitutive properties)与生理参数(morphology, blood pressure)对动脉生物力学的协同影响。结果显示男性模型在年轻组所有力学指标均更高，而老年组呈现性别特异性应力-应变分布，女性模型随年龄增长的力学参数增幅显著高于男性。该研究为心血管疾病(CVD)的性别差异化诊疗及医疗器械设计提供了重要生物力学依据。

　　

心血管疾病(CVD)作为全球首要死因，其发病机制存在显著的性别和年龄差异。尽管欧洲女性CVD死亡率高于男性，但相关研究长期存在性别数据失衡。更值得注意的是，年轻人群CVD风险因素持续上升，而动脉壁生物力学特性的性别特异性变化机制尚不明确。这种差异可能源于激素水平、血管形态、血流动力学和血管顺应性(constitutive properties)等多因素交互作用。虽然既往研究分别探讨过动脉力学特性、形态学和生理学的性别差异，但从未综合考虑这些因素对动脉生物力学的协同效应。

为填补这一空白，研究人员开展了这项计算模拟研究。通过构建年龄和性别特异性的肱动脉有限元模型，系统评估了在生理负荷条件下动脉生物力学的性别和年龄差异。研究团队采用FEBio软件平台建立理想化单层圆柱模型，基于Karlsson等(2023)报告的^{in vivo}
性别特异性HGO模型参数和Green等(2010)提供的年龄-性别匹配生理参数(包括管腔直径D_L
、壁厚t_w
和收缩压)。模型采用8节点六面体单元离散，通过网格收敛性分析确保结果可靠性。主要评估指标包括径向位移、内外壁应变和von Mises应力。

研究结果揭示出四个关键发现：

1. 年轻组男性模型在所有力学指标(径向位移0.81mm vs 0.44mm，内壁应力135.1kPa vs 86.8kPa)均显著高于女性，差异幅度达20.41%-59.2%。
2. 老年组呈现差异化表现：男性模型应力值较高(内壁175.1kPa vs 151.7kPa)，但应变值低于女性(内壁0.70 vs 0.77)。
3. 年龄效应存在性别分化：女性模型各参数增幅显著更大(径向位移106.82% vs 男性35.80%，内壁应力74.77% vs 29.61%)。
4. 这些差异主要源于性别特异的血管形态(D_L
   差异达35.65%)和本构参数(c参数差异25.61%)的协同作用。

在讨论部分，研究强调了三个临床意义：首先，结果与Rossi等(2011)报告的性激素调控动脉僵硬度变化规律一致，女性绝经后生物力学参数剧增可能与雌激素水平骤降相关。其次，性别特异的动脉扩张性差异(男性年轻组径向位移高出59.2%)可能影响血管介入器械的适配性。最后，女性模型随年龄增长的力学参数变化幅度更大，提示CVD诊断中需要性别差异化的生物力学阈值。

该研究的创新性在于首次量化了动脉生物力学中性别与年龄的交互效应，为个性化医疗提供了理论基础。局限性包括采用理想化几何形态和单层假设，未来需要整合患者特异性血管形态和多层本构参数。论文发表于《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》，这些发现将推动性别特异性心血管诊疗策略和医疗器械设计的革新。