• 2015年第30卷第5期文章目次
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      2015, 30(5).

      摘要 (3686) HTML (0) PDF 0.00 Byte (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >力学生物学
    • TNF-α促进内皮源性微体的数量与ICAM-1表达

      2015, 30(5):385-391. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.385

      摘要 (2486) HTML (0) PDF 1.31 M (920) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨高张应变调控的肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)对内皮源性微体(endothelial microparticles,EMPs)数量与表面细胞间黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1)表达的作用。方法 采用Flexercell细胞张应变加载系统对大鼠胸主动脉内皮细胞(endothelial cells,ECs)分别施加5%(模拟正常生理状态)和18%(模拟高血压状态)幅度的周期性张应变,加载频率均为1.25 Hz,加载持续时间为24 h,实时PCR检测不同幅度张应变条件下ECs的TNF-α mRNA表达水平。之后应用TNF-α刺激大鼠胸主动脉ECs,收集上清液,超速离心提取得到内皮源性微体(endothelial microparticles,EMPs);用亲脂性苯乙烯基(lipophilic styryl)以及透射电镜对EMPs进行形态鉴定;流式细胞术对TNF-α刺激产生的Annexin V 阳性EMPs进行计数,并检测EMPs表面ICAM-1的表达。结果 与5%正常张应变组相比,18%高张应变条件下ECs的TNF-α表达水平显著上升。TNF-α能够显著上调ECs产生Annexin V阳性的EMPs数量,且TNF-α刺激ECs产生的EMPs表面ICAM-1表达量显著增加。结论 高张应变条件下ECs高表达TNF-α可能介导了EMPs产生和表面ICAM-1高表达。研究结果为后续探讨EMPs在血管重建力学生物学机制中的作用提供新的实验证据。

    • 细胞浓度比对剪切流中肿瘤细胞黏附的影响

      2015, 30(5):392-396. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.392

      摘要 (2402) HTML (0) PDF 741.37 K (776) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究不同白细胞与肿瘤细胞浓度比对剪切流环境中肿瘤细胞在内皮细胞上黏附过程的影响。方法 在平行平板流动腔中加入不同浓度比的白细胞和肿瘤细胞,分析不同剪切率下(50、100、200 s-1)肿瘤细胞在内皮细胞上瞬时黏附和累积黏附的变化。结果 细胞浓度比为3∶1时,肿瘤细胞在内皮细胞上的瞬时黏附和累积黏附均比细胞浓度比为1∶1时有显著提升,且在高剪切率(100、200 s-1)下更为明显。在观察的5 min内,随着剪切率的增加,细胞浓度比增大对肿瘤细胞黏附产生影响的时间点有所提前。结论 在剪切流中白细胞浓度增加对肿瘤细胞在内皮细胞上的黏附起到促进作用,结果为研究肿瘤在血管中转移和靶向治疗提供有意义的探索。

    • 全膝关节置换个体化患者右转步态的骨肌多体动力学仿真

      2015, 30(5):397-403. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.397

      摘要 (3445) HTML (0) PDF 2.52 M (877) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 构建个体化患者全膝关节置换(total knee replacement, TKR)的骨肌多体力学模型,模拟患者下肢右转步态时体内膝关节的生物力学行为。方法 以1位具体患者的相关数据为材料,基于骨肌动力学仿真软件AnyBody及其依赖于力的运动学建模方法,建立与患者相对应的TKR下肢骨肌多体动力学模型,并对患者的右转步态进行模拟。通过逆动力学分析右转步态,同时预测患者膝关节接触力、关节运动、肌肉活性和韧带力。结果 模型预测的胫骨 股骨关节内、外侧接触力的均值均方根误差分别为285、164 N,相关系数分别为0.95和0.61,预测的髌骨接触力均值最大值为250 N。模型预测的接触力和肌肉活性与患者实验测量结果基本一致。此外,模型预测的胫骨 股骨的伸展弯曲、内外旋和内外翻运动的均值分布范围分别为3°~47°、-3.4°~1.5°、0.2°~-1.5°,胫骨 股骨的前后、上下和内外侧平移的运动范围分别为2.6~9.0 mm、1.6~3.2 mm、4.2~5.2 mm。模型还预测了内、外侧旁系韧带力和后交叉韧带力,其最大值分别为190、108、108 N。结论 所开发的模型能够预测人工膝关节体内生物力学行为,为后续研究膝关节假体临床失效问题提供强有力的计算平台。

    • 个性化踝关节假体的设计及三维有限元分析

      2015, 30(5):404-409. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.404

      摘要 (2423) HTML (0) PDF 3.45 M (999) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 针对当前踝关节假体失效率高、临床应用风险大的问题,提出一种个性化解剖型踝关节假体的设计。方法 首先建立正常人体足踝系统的三维有限元非线性模型,对模型的有效性进行验证;设计解剖型踝关节假体,对全踝关节假体置换进行几何仿真,建立假体-足踝系统的三维有限元模型;施加步态载荷,计算分析假体的生物力学特性。结果 正常踝关节系统足底最大接触应力为214.6 kPa,足骨最大等效应力为8.96 MPa。对比文献与仿真所得足底反力与足骨应力,验证了正常足踝有限元模型的可靠性。假体植入后,仿真所得距骨钛合金假体、聚乙烯衬垫、胫骨假体等效应力峰值分别为23.88、19.24、73.01 MPa,足踝假体应力相较正常足踝应力有大幅度上升。结论 有限元分析的对比结果考察了个性化踝关节假体的可行性,为进一步假体设计优化以及临床应用提供参考。

    • 两种覆膜支架的生物力学对比分析

      2015, 30(5):410-415. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.410

      摘要 (2328) HTML (0) PDF 1.44 M (912) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 应用数值模拟方法研究两种直管型覆膜支架在植入过程中自膨胀释放、平衡状态、支架弯曲3种工况下的生物力学特性,并对比支架结构变化对其各生物力学指标的影响。方法建立两款环状覆膜支架(支架Ⅰ、II,其中支架II各独立支架单元间添加连杆加固)和目标血管的有限元模型。使用输送鞘将支架输送到目标血管中,释放输送鞘使支架自膨胀释放,并建立血管和覆膜支架的接触关系;释放完全后,在支架内表面施加6.65~19.95 kPa(50~150 mmHg)动脉压;在支架两端施加角位移以使其弯曲变形。最后分析变形血管的等效应力峰值,覆膜支架在各工况下的最大主应变峰值、等效应力峰值及形态的变化。结果 在自膨胀释放过程中,支架Ⅰ、II造成血管壁应力集中的峰值分别为0.349、0.371 MPa;平衡状态中,支架Ⅰ、II平均应变分别为0.086%、0.053%,振荡应变分别为0.049%、0.027%,覆膜应力峰值分别为2.098、2.430 MPa;支架弯曲变形时,支架Ⅰ、II最大主应变峰值分别为0.069%、0.101%,覆膜变化形态上支架Ⅰ褶皱更为严重。结论 两种覆膜支架在各状态下应力应变都满足相应材料屈服极限;支架II由于单元间存在连杆而使其在释放过程中具有更大的径向支撑力,动脉压作用下具有较低应变水平,支架弯曲变形时也能具备更好的贴壁性。研究结果可以为覆膜支架的结构设计以及覆膜材料选择提供一种分析方法,并给临床覆膜支架介入手术操作提供直观、准确的技术指导。

    • 新型内镜连续止血闭合器械的设计与分析

      2015, 30(5):416-420. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.416

      摘要 (2154) HTML (0) PDF 2.21 M (792) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 设计一种新型内镜连续止血闭合器械,并进行有限元分析,验证其是否满足实现组织闭合功能的设计要求。方法 在器械抓钳聚拢目标组织后推送金属夹,使其部分穿透组织,通过金属夹与抓钳内壁的相互挤压强迫金属夹细臂弯曲闭合,完成施夹后金属夹留在组织上,并对金属夹施加2 mm反向位移。设定金属夹材料弹性极限为239.0 MPa,抗拉强度为901.0 MPa。结果 在穿刺组织过程中金属夹没有发生变形,最大应力为212.6 MPa;在闭合过程中变形符合设计预期,最大应力为727.7 MPa;在反向2 mm位移下金属夹最大应力为75.8 MPa。金属夹在施夹过程和2 mm位移作用下材料均未失效,最大总应力为741.0 MPa。结论 设计的新型内镜连续止血闭合器械能够一次性施放4个金属夹,具备用于聚拢组织的独立抓钳,能够减少更换金属夹的时间并提高施夹准确性,同时有限元方法验证了器械在使用过程中是安全可靠的。

    • 钛植入体过盈装配对下颌骨骨重建影响的数值研究

      2015, 30(5):421-426. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.421

      摘要 (2118) HTML (0) PDF 1.84 M (741) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究下颌骨修复手术钛钉植入后由于过盈装配而产生的下颌骨内应力以及骨密度分布变化,探讨不同过盈量对下颌骨骨重建的影响。方法 采用有限元方法,建立8种不同过盈量的钛钉过盈装配模型,利用骨重建理论中的应变能密度算法计算5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%过盈量模型在36个月内下颌骨应力和骨密度的变化。结果 导向孔直径大于钛钉内径时,随着过盈量的增大,骨-钉界面的固定效果逐渐增强;而过盈量超过30%之后,反而会因为过高的过盈量引起大量骨的失效,造成钛钉固定作用的减弱。结论 在下颌骨修复时,建议选择直径大小等于或略小于钛钉内径大小的导向孔。

    • 肝右静脉与下腔静脉位置对布-加综合征产生机制的影响

      2015, 30(5):427-432. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.427

      摘要 (2043) HTML (0) PDF 2.04 M (752) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨不同肝右静脉与下腔静脉夹角变化对布-加综合征患者下腔静脉隔膜发生机制的影响。方法 运用Mimics软件对临床磁共振成像血管造影下腔静脉和主要肝静脉图像进行三维实体模型重建,测得正常模型下腔静脉与肝右静脉夹角为56°。在保持模型基本结构不变基础上,分别构建肝右静脉与下腔静脉夹角为30°和120°的模型,并数值模拟计算3个模型的壁面剪切力、壁面压强、速度分布。结果 3个模型壁面压强、壁面剪切力差异显著。与正常人56°模型相比,30°模型有较高的壁面压强和较低的血液流速,120°模型有较低的壁面剪切力和血液流速,并伴随有涡流的出现,这些血流动力学因素的改变更易于血栓的形成。56°模型血管内血流流速最快。 结论 对下腔静脉与肝右静脉血液流场的数值模拟有助于了解布-加综合征的发病机制,提高下腔静脉阻塞隔膜形成风险的预测,为治疗提供理论依据。

    • 采用分子动力学模拟探究VWF-A1突变体G561S的亲和力变化机制

      2015, 30(5):433-439. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.433

      摘要 (2353) HTML (0) PDF 1.86 M (660) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究血管性血友病因子(von Willebrand factor, VWF)突变体G561S下调VWF-A1与其配体亲和力的分子机制。方法 分别构建2M型突变体G561S-A1(功能减弱型)、WT-A1(野生型)和2B型突变体R543Q-A1(功能增强型)3个分子系统。G561S-A1突变体采用将野生型A1结构的Gly561替换为Ser561的方式构建,WT-A1与R543Q-A1晶体结构取自蛋白质数据库(protein data bank, PDB)。利用自由分子动力学模拟方法对比分析WT-A1、G561S-A1、R543Q-A1三者构象的改变、柔性的变化以及氢键/盐桥的形成与演化。结果 G561S突变通过降低A1结构域α2螺旋的柔性,并增强N末端与body区的相互作用从而减弱其与配体GPIbα的亲和力,R543Q功能增强型突变体则启动了一条相反的调节路径。结论局部动力学性质的改变是A1亲和力调控的潜在机制,研究结果有助于针对激活的A1结构域的变构药物设计以及相关抗血栓药物的研发。

    • 血管支架不定形碳膜脱层现象实验及有限元分析

      2015, 30(5):440-445. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.440

      摘要 (2114) HTML (0) PDF 1.98 M (791) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究不定形碳涂层的血管支架在握压-扩张过程中发生涂层脱层的现象,从材料选择和尺寸设计方面避免脱层的发生。方法 通过化学气相沉积法在金属血管支架上沉积生成不定形碳膜,实验模拟该涂层血管支架的握压-扩张过程,并通过电子扫描显微镜观察涂层发生脱层的情况。采用有限元方法分析不定形碳膜在血管支架握压-扩张过程中发生脱层的受力机制及影响因素。结果 有限元结果能够较好吻合实验现象。不定形碳膜厚度决定了支架各处脱层的难易程度,以及脱层的发生形式。不定形碳膜弹性模量越大,支架越容易发生脱层。此外,支架的弹性模量也会对支架脱层产生影响,且在不同位置处影响规律不同。结论 在血管支架涂层时,需要仔细设计不定形碳膜厚度以及合理匹配不定形碳膜和支架的弹性模量以避免脱层的发生。

    • 基于应力状态的细胞分子水平骨重建力生物学模型

      2015, 30(5):446-451. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.446

      摘要 (1937) HTML (0) PDF 685.69 K (706) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 建立基于应力状态的细胞分子水平骨重建力生物学模型。方法 从工程角度分析骨重建过程和力学激励,吸纳力学强度设计理论思想,选取相当应力作为力学激励,基于应力状态选取合适的力学激励计算公式,提出基于应力状态的细胞分子水平骨重建力生物学模型;应用模型进行口腔临床正畸牙槽骨的模拟预测。结果 张力区孔隙度降低,骨量增加;压力区孔隙度增加,骨量减少,与牙槽骨特性一致。结论 基于应力状态的细胞分子水平骨重建力生物学模型考虑应力状态对骨组织失效形式的影响,体现骨重建过程是力学激励下细胞水平的自优化强度设计,有助于在细胞分子水平探讨应力状态对骨重建的影响,是骨重建理论的补充和完善,可为口腔正畸的治疗提供理论指导。

    • 儿童头部有限元模型的构建及验证

      2015, 30(5):452-457. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.452

      摘要 (2192) HTML (0) PDF 990.68 K (707) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过构建3岁儿童头部有限元模型,研究儿童在交通事故以及跌落冲击过程中的颅脑响应。 方法 基于3岁儿童的头部CT扫描数据,采用计算机图像处理、逆向工程及有限元网格划分技术构建具有详细解剖学结构的儿童头部有限元模型,利用该模型重构儿童尸体实验,并与尸体实验数据进行对比。 结果 头部静态压缩仿真中的3岁儿童头部接触力随压缩位移的增加而增大,头部接触力-位移曲线同尸体实验呈现出同样的变化趋势。在头部跌落仿真中,跌落高度为30 cm、碰撞位置为前额、左顶骨、枕部、右顶骨以及顶部时的冲击加速度峰值分别为72.7、61.3、72.7、60.4和68.1 g,其加速度随时间的变化曲线同尸体实验相一致。结论 所构建的3岁儿童头部有限元模型有效且具有较高的生物仿真度,后续研究可利用该模型分析碰撞条件下儿童颅脑组织的应力应变情况,为临床上通过脑CT影像无法确诊的脑震荡等脑损伤的伤情判断提供参考。

    • 磁耦合驱动搏动式血泵的可行性研究

      2015, 30(5):458-462. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.458

      摘要 (2590) HTML (0) PDF 719.14 K (677) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 提出一种磁耦合驱动搏动式血泵结构并验证其可行性。方法 基于磁场传递往复作用力模型以及推拉互挽式结构设计磁耦合驱动搏动血泵,通过建立磁力驱动模型,计算耦合力大小,制作样机并对样机进行体外循环模拟试验,获得压力和流量实验数据。结果 采用生理盐水作为循环介质,固定后负荷,增加前负荷,血泵输出量减少,没有明显线性趋势;固定前负荷,增加后负荷,血泵输出量减少,且具有一定线性趋势。设置驱动频率为75 次/min时,调节前、后负荷改变范围分别为0.665~3.990 kPa(5~30 mmHg)和5.320~11.970 kPa(5~30 mmHg),可使输出量在保证线性关系条件下达到2.0~3.1 L/min。结论 该搏动式血泵流体力学特性基本满足体外膜肺循环的需要,仍需进一步研究和改进;研究结果具有重要的应用前景,尤其对替代目前临床体外膜肺氧合设备的血泵装置具有重要意义。

    • >感觉系统生物力学
    • 目录

      2015, 30(5):461-466. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2016.05.461

      摘要 (3638) HTML (0) PDF 0.00 Byte (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:近年来,计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)被广泛应用于脑动脉瘤的基础和临床研究中,其研究方向涉及:① 动脉瘤的形成、生长机制和动脉瘤破裂的血流动力学危险因素,② 通过建立患者个性化模型,评估弹簧圈和支架置入后动脉瘤内流场的变化,评价血管内治疗的效果。从计算流体力学模型的建立、评估动脉瘤破裂风险的形态和血流动力学参数、血流动力学参数评估动脉瘤治疗的手术效果3个方面详细阐述近年来在脑动脉瘤的诊治中血流动力学研究的进展。

    • >力学生物学
    • 螺旋形长型PHILOS接骨板治疗肱骨中上段骨折的生物力学研究

      2015, 30(5):463-467. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.463

      摘要 (63888) HTML (0) PDF 1.24 M (1540) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 比较长型PHILOS接骨板(Synthes公司, 瑞士)扭转成螺旋形前后的生物力学特性,为临床治疗肱骨中上段骨折提供生物力学依据。方法 12例Synbone人工骨(SYNBONE公司,瑞士)的右侧肱骨平均分为两组,对照组(n=6)采用10孔的长型PHILOS接骨板固定,实验组(n=6)采用相同的接骨板扭转成螺旋形后固定。肱骨中上段骨折造模后,利用万能力学试验机分别检测并比较两组接骨板固定后的整体构件在轴向拉伸和压缩、同向和反向扭转、前后及内外向三点弯曲6种加载方式下的生物力学特性。结果 在100~500 N拉伸和压缩载荷下,实验组骨折断端位移分别较对照组增加约95%和58%;在0.6~3 N?m反向扭矩下,实验组扭转角度始终明显小于对照组,减少幅度达到55%~64%;在0.6 ~3 N?m的同向扭矩和1.5 ~7.5 N?m的前后向弯矩下,实验组的扭转角度和桡度均大于对照组,差异有显著性意义(P<0.05);当内外向弯矩为1.5、3 N?m时,实验组与对照组的桡度差别无显著性意义(P>0.05),而内外向弯矩为4.5、6、7.5 N?m时,实验组的桡度较对照组小20%~30%。实验组与对照组构件相比,拉伸和压缩刚度分别低49%和36%,同向和反向扭转刚度分别低19%和高150%,内外向和前后向弯曲刚度分别高18%和低70%,差异均有显著性意义(P<0.05)。结论 长型PHILOS接骨板扭转成螺旋形后固定肱骨中上段骨折的总体力学性能有所改善,可以满足临床对该类骨折的手术固定和术后康复需要。结合微创手术的优势,该技术有望在临床得到广泛应用。

    • >感觉系统生物力学
    • 基于脉搏波检测技术的心血管健康评测

      2015, 30(5):468-473. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.468

      摘要 (2057) HTML (0) PDF 661.08 K (986) 评论 (0) 收藏

      摘要:脉搏波中蕴含丰富的生理病理信息,能反映心功能参数的早期变化趋势。因此,脉搏波信息的量化对心血管疾病具有重要的参考价值。从脉搏波的形成机制角度,阐述脉搏波与心血管生理病理信息的关系;从脉搏波的波形分析,阐述临床中应用脉搏波技术的心血管无创检测指标;将心血管的生理病理信息和脉搏波理论相结合,建立评测心功能健康状况的评价指标。基于脉搏波理论建立的心血管无创检测方法,有助于全面维护心血管健康,为心血管系统疾病的早发现、早预防、早治疗提供重要医疗手段;其次,可以简化临床检测过程,降低检测成本,实现心血管疾病适时地健康普检,降低心血管疾病的致死率和致残率。

    • 炎症体及相关蛋白在力诱导牙周炎症反应中的作用

      2015, 30(5):474-477. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.05.474

      摘要 (2197) HTML (0) PDF 654.07 K (708) 评论 (0) 收藏

      摘要:炎症体是一种多蛋白复合体,能介导IL-1β等多种炎症细胞因子释放,在炎症的发生发展中具有重要的作用。随着对炎症体研究的不断深入,目前已有文献报道炎症体可能参与机械力所诱导的机体炎症性疾病。与此同时,近年来研究显示,机械力可诱导牙周组织发生炎症反应,并伴随IL-1β和caspase-1/-5的表达。然而,炎症体及相关蛋白在力诱导牙周炎症反应中的作用尚不明确。综述炎症体的特点、在力相关炎症性疾病中的作用、机械力诱导的牙周炎症及其与炎症体和相关蛋白关系的研究进展。

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