电子起搏器在应用于临床的60余年间,挽救了千万心脏起搏障碍患者的生命,但其仍存在易受到电磁干扰、不能响应情绪导致的节律变化等问题。因此有研究者提出一种生物起搏器疗法:通过基因编辑的方式改变细胞膜上离子通道蛋白的表达,从而干预离子通道电流的特性,构建出具有自动节律的生物细胞;将其植入心脏中,来驱动心脏进行跳动,以代替电极的功能。生物起搏器应用于临床前,尚需解决几个问题:（1）离子通道电流如何影响起搏细胞的构建?（2）起搏器耦合方式和空间分布是否影响其功能?这些问题在生物实验中难以系统、定量地进行人体实验研究,因此,本文将采用心脏电生理计算模型研究方法,模拟在人类心室中植入生物起搏器的过程,探究影响生物起搏器构建的关键因素,设计出稳定的生物起搏器模型构建方案,为生物实验提供理论支持和技术平台,以期加速生物起搏器的临床应用。本文的主要研究内容如下:（1）生物实验表明,起搏电流（If）可诱导心室细胞产生自动节律（自律性）,但可能出现不稳定的起搏活动。目前,If对起搏活动的作用机制尚不明确。因此,本文构建了能体现物种差异的If电流模型,将其整合到人类心室模型中,从亚细胞层面解释了其对心室细胞模型自律性发生的影响。通过对细胞膜电位的起搏周期长度、动作电位时程、最大舒张电位等指标进行数值分析,阐明了If促进起搏活动的原因和If导致异常起搏行为的离子作用机制,并据此提出起搏能力优化方案。最后,根据人类起搏细胞窦房结的起搏保护机制,发现了ICa T电流对If诱导的起搏器的双向调节作用。（2）生物实验和本文前述仿真结果均表现出通过单一离子通道电流构建的生物起搏器稳定性欠佳,不能满足基本生理需求。因此,本文提出基于多离子通道协同作用机制构建生物起搏器的方法。通过在人类心室细胞模型中同时重构内向整流钾电流(IK1)和If电流,构建生物起搏器单细胞模型。同时,设计动作电位识别算法和起搏状态分类算法,对仿真结果进行数值计算,进而精准分析不同起搏电信号形态的形成原因,深入解释了IK1和If在诱导产生生物起搏器过程中的差异性及相关性。最终构建出稳定的、符合人类心脏起搏特性的生物起搏器单细胞模型。（3）在目前的生物实验和仿真研究中,生物起搏器对心脏组织的驱动效率均远远低于心脏原生起搏细胞窦房结的起搏能力。因此,本文根据已有的生物实验基础,构建了细胞间弱电耦合和整流耦合的生物起搏器组织模型,探究了起搏细胞耦合方式对其自律性和电兴奋波传导能力的影响。首先,研究了弱电耦合对起搏细胞自律性的保护作用。然后,设计了起搏细胞-心室细胞间的整流耦合模型,降低了心室细胞对起搏细胞的负载作用。最终,仿真结果表明,弱电耦合和整流耦合相结合能够最大程度地释放起搏器的驱动能力。（4）心脏的空间分布对电兴奋波的传导具有重要影响,但何种生物起搏器的空间分布（落巢位置）能够产生最优化的兴奋波传导模式仍不明确。本文系统地研究了生物起搏器在人类心脏组织中的落巢位置和耦合方式对其驱动心肌组织能力的影响。设计了三种具有代表性的起搏器驱动心室组织的空间分布模型,在不同结构下分别采用普通电耦合方式、弱电-整流耦合方式进行心脏组织电信号传导仿真实验。结果表明,起搏器以隔离结构和弱电-整流耦合方式与相邻组织结合时,起搏能力最强。最后基于真实人类心脏二维切片设计了起搏器植入方案,探究了起搏器落巢位置对其同步起搏性能的影响,该研究方法可用于个性化生物起搏器诊疗方案设计。本研究系统地阐明了由非自律细胞模型构建生物起搏器细胞模型的机制和可能的风险,提出了通过改变细胞耦合方式模型和空间落巢位置来提升生物起搏器模型驱动能力的方法,为生物起搏器的临床研究提供了新的见解和未来研究方向。