心脏作为人体核心动力器官，每分钟泵血约5升，其中左心室承担80%的泵血任务。其心室壁内的心肌纤维双螺旋结构，其走向角度直接影响收缩效率。虽然现有医学手段能观测心肌纤维排布情况，但对这种结构如何定量影响心脏功能的机制仍不明确。近日，力学所研究团队通过建立先进的数字心脏模型（见图1），首次定量揭示了心肌纤维排列方向对左心室收缩功能的影响规律，为心力衰竭等心血管疾病的机制解析提供了全新的视角。相关研究成果以“Effects of orientation of myocardial fibers on the contractility of left ventricle”为题，发表在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》上。

研究团队发现，当心肌纤维的螺旋角从20°增加到90°时，射血分数（EF）从62%急剧下降至15%，收缩末期容积扩大了2.3倍。这一结果证实，较小的心肌纤维螺旋角更有利于心脏的高效泵血（见图2）。基底区（靠近心房部位）的心肌纤维紊乱对射血分数的影响较大（减少达8.3%），而心尖区的纤维紊乱对射血分数几乎没有影响。这一发现揭示了不同区域心肌纤维排列对心脏功能的重要性差异（见图3）。对于紊乱心肌纤维随机分布的情况，射血分数随紊乱心肌纤维比例呈线性降低的特征，在心肌纤维完全紊乱的情况下，射血分数仅剩8%（见图4）。

该团队研究成果为心衰复杂的发病机理提供了新的解释，同时也为心脏组织工程提供了量化标准。超常环境非线性力学全国重点实验室硕士生李沛锦是论文第一作者，王超副研究员为通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2025.107025

图1. 全心脏模型的构建以及心脏在一个心动周期内的电学“除极-复极”和力学“收缩-舒张”过程

图2. 心肌纤维取向角对左心室收缩行为的影响

图3. 17节段中随机分布的心肌纤维对左心室收缩功能的影响

图4. 随机取向心肌纤维比例对左心室收缩动力学的影响