肾结石是尿液形成时由于晶体物质（如钙、草酸、尿酸、胱氨酸等）过饱和，在肾脏中异常聚积而成的一种晶体混合物（图1），是泌尿系统的常见疾病，由其引发的腰部剧烈疼痛严重影响人类的正常生活，发病率在全球范围内高达15%。长期以来，基于病例统计分析，国内外临床均认为直径小于5 mm的结石能自发随尿液从输尿管排出，直径大于5 mm的结石则无法自发排出输尿管，需要药物治疗或体外冲击波碎石辅助，甚至手术干预。但是，对结石能否自发排出输尿管的经验判断，缺乏定量化精确分析，从而影响诊断及治疗效果。
图1 肾结石样本（尿酸结石）：(a) 外观；(b) 结石表面微观形貌；(c) 元素含量分析
为了解决该问题，南京航空航天大学卢天健教授带领团队成员，采用理论分析、数值模拟及实验验证等手段，首次分析了梗阻结石排出输尿管的力学机制，给出了输尿管自发排出结石的临界尺寸判据。
首先，针对球形结石堵塞输尿管病态情形建立理论模型（图2a&b）。采用冯元桢超弹性本构模型刻画输尿管变形，建立结石-输尿管接触力学模型，求得结石在输尿管中移动的临界力学条件（图2b），据此计算驱动结石移动的临界尿液压力。其次，设计体外模拟实验，利用橡胶软管和钢球模拟梗阻输尿管，测试驱动钢球在软管内移动的临界压力。实验所得测试结果与理论计算吻合良好。结果表明，人体输尿管不发生损伤情况下（输尿管内最大尿液压力不超过12 kPa），结石自发排出输尿管的临界尺寸范围为大于输尿管内径约 11%~22%，与临床统计数据基本一致（图2c）。结合体外医学检查影像技术，所建立的理论模型可为临床医生诊断肾结石疾病提供定量依据，进而提高肾结石疾病诊断、治疗的准确性和有效性。
图2 理论建模及计算结果：(a) 人体输尿管梗阻结石示意图；(b) 基于结石在输尿管内移动的临界受力状态构建轴对称理论模型；(c) 排出输尿管结石尺寸的理论计算结果
近期，该成果以“Critical size of kidney stone through ureter: A mechanical analysis”为题发表在国际生物材料力学知名期刊Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials上。论文的第一作者为南京航空航天大学博士研究生刘勇岗，卢天健教授为通讯作者，刘少宝副研究员为共同通讯作者。共同作者博士后李墨筱、博士生强鹭升、博士生孙学超也对该论文做出重要贡献。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2022.105432
