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  • 1  原子力显微镜在细胞与生物大分子超微结构和力学研究中的应用
    朱杰 郭连红 王国栋 欧阳五庆
    2012, 27(3):355-360. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.360.
    [摘要](8789) [HTML](0) [PDF 12.98 M](23009)
    摘要:
    作为微纳米科学理论与技术迅猛发展的代表,原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)在其25年的发展过程中极大地推进了生物学在微纳米尺度上的拓展,为微纳米生物学的诞生与发展提供了重要技术手段。本文在介绍AFM基本原理和检测模式的基础上,结合作者在该领域的研究成果和工作经验,从生物结构与形态学研究、表面物化性质表征、生物大分子的力学操纵三方面综述了AFM在细胞与生物大分子超微结构与生物力学特性研究中的具体应用,并重点探讨了AFM在细胞与生物大分子科学研究中亟待改进和解决的科学与技术问题,提出了一些探讨性的见解和建议。
    2  利用有限元研究非贯穿弹道冲击防弹衣后人体躯干的力学响应
    董萍 陈菁 张启宽 康建毅 刘海 张良潮 徐诚
    2012, 27(3):270-275. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.275.
    [摘要](9265) [HTML](0) [PDF 12.44 M](14889)
    摘要:
    目的 通过建立人体躯干有限元计算模型,对弹头非贯穿性弹道冲击下人体躯干主要脏器的力学响应进行数值模拟。方法 利用正常成年男性的CT扫描数据,应用医学图像重建软件Mimics和有限元前处理工具HyperMesh进行人体躯干有限元建模,在显式动力有限元分析软件LS-DYNA中对速度为360 m/s 的9 mm手枪弹弹头撞击装配有软质防弹衣人体躯干的压力、加速度响应进行数值计算。结果 建立了包括胸廓骨骼结构、脏器、纵膈和肌肉/皮肤的人体躯干有限元模型,通过数值计算获得了心脏、肺脏、肝脏、胃的压力响应以及胸骨的加速度响应,发现不同脏器之间或同一脏器的不同位置,离弹头撞击点位置的远近决定了压力峰值的大小和出现压力峰值的时间。结论 装配有软质防弹衣的人体躯干有限元计算模型可作为非贯穿弹道冲击下人体力学响应的仿真分析工具,仿真结果可为防弹衣后钝性损伤机制和防护研究提供依据。
    3  周期性张应变对破骨前体细胞和破骨细胞增殖和抗酒石酸酸性磷酸酶的影响
    郭勇 郭春 闫玉仙 李瑞欣 刘璐 郝庆新 张西正 侍才洪
    2012, 27(3):299-304. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.304.
    [摘要](7686) [HTML](0) [PDF 19.90 M](11301)
    摘要:
    目的 研究不同强度的力学载荷对破骨细胞及其前体细胞增殖、分化和功能的影响。方法 以破骨诱导液培养RAW264.7破骨前体细胞,同时施加3 d的周期性张应变,然后培养4 d;另外一组RAW264.7细胞以破骨诱导液培养4 d,将其诱导为破骨细胞,再施加3 d的周期性张应变。结果 在不同张应变下,两组细胞增殖活性的变化大致相同,但细胞抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatage, TRAP)活性和破骨细胞(TRAP阳性多核细胞)数量的变化明显不同。在2 500 με的中等强度张应变下,第1组的TRAP活性降幅和破骨细胞数量减幅均最高,而后者TRAP活性降幅和破骨细胞数量减幅均最低。 结论 不同张应变对分化初期破骨前体细胞和已分化出破骨细胞的破骨前体细胞的破骨分化和功能状态的影响有明显差异。
    4  人体松质骨矿质密度与弹性模量关系
    王倞 李元超 汪方 王秋根 王冬梅
    2014, 29(5):465-470. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.05.470.
    [摘要](5168) [HTML](0) [PDF 866.94 K](7109)
    摘要:
    目的 测量人体多部位松质骨矿质密度、轴向弹性模量,建立矿质密度与轴向弹性模量相关关系的本构方程,为国人有限元材料属性赋值提供依据。方法 采取10例成人新鲜尸体作为样本源,选取胫骨近端、大转子、股骨颈、肱骨头和椎体5个部位的松质骨,加工成直径约6 mm、长约30或40 mm的准试样。测量尺寸并计算体积,CT扫描试样骨矿质密度。对松质骨试样进行力学性能测试,分析不同部位松质骨弹性模量。对矿质密度与轴向弹性模量关系进行线性与幂次回归分析。结果 测试成功的试样来自5个部位,共169枚,其中胫骨近端52枚,大转子31枚,股骨颈15枚,肱骨头17枚,椎体54枚;5个部位松质骨矿质密度、轴向弹性模量均有所差异,线性相关性均较好(0.850>r2>0.785),3个部位(胫骨近端、大转子、椎体)的幂次相关性较好(0.871>r2>0.825),2个部位(肱骨头、股骨颈)的幂次相关性较弱(0.671>r2>0.643)。结论 各个部位骨矿质密度与轴向弹性模量的线性和幂次回归的相关性均较高,且同部位两种回归的r2值之间无明显差异;可应用于体外检测患者的骨骼质量,准确分辨骨质变化的部位,配合有限元建模能够预测骨折的风险。
    5  冠脉支架的疲劳寿命分析
    李建军 罗七一 谢志勇 李雨
    2010, 25(1):68-73. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.01.73.
    [摘要](10243) [HTML](0) [PDF 709.16 K](6912)
    摘要:
    目的 冠脉支架植入后,在血管周期脉动载荷作用下,要求至少经过相当于10年约4亿次的循环后保持完整,维持其预期功能,需要评价其疲劳性能。方法 使用有限元方法分析了支架在使用过程中的应力分布,根据Goodman准则评价了支架的疲劳寿命,同时采用加速疲劳对支架进行疲劳试验。结果 分析发现最危险点始终位于支架弯折位置侧内表面区域。结论 结果表明有限元分析可以很好的模拟支架的疲劳特性,为支架的设计提供理论指导。
    6  腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型的建立与验证
    顾晓民 贾连顺 陈雄生 鲁成林 刘洋 张东升
    2010, 25(1):45-50. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.1.50.
    [摘要](9620) [HTML](0) [PDF 749.69 K](6188)
    摘要:
    目的 建立腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型,通过与生物力学实验比较进行有效性验证。方法 利用临床1例腰椎椎弓峡部裂病例影像学资料,采用Simpleware建模软件分别模拟下腰椎骨性结构、椎间盘组织,并在Ansys软件附加腰椎相关韧带和关节囊,建立L5双侧椎弓峡部裂三维有限元模型,并通过体外力学实验结果验证模型有效性。结果 重建模型构建了椎体皮质骨、松质骨、腰椎关节突关节、椎弓根、椎板、横突、棘突等骨性结构,还构建了纤维环、髓核、上下终板组织,并成功附加了前纵、后纵韧带、黄韧带、棘上、棘间韧带以及关节突的关节囊。模型共计有 281261 个节点和 661150 个单元。腰椎椎弓峡部裂重建成功。通过与体外生物力学在不同工况下L4下关节突、L5上、下关节突、S1上关节突应力/应变趋势以及L4下关节突内外侧力学应力/应变趋势比较,验证了模型的有效性。结论 建立了下腰椎椎弓峡部裂的三维有限元模型,此模型可以用来进一步实施有关峡部裂治疗的力学研究。
    7  组织工程研究的现状与进展
    张西正
    2010, 25(1):1-3. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.1.3.
    [摘要](10142) [HTML](0) [PDF 404.53 K](5830)
    摘要:
    组织工程是目前最有发展前途的学科之一,在再生医学和人类健康方面有着广泛的应用前景。本文结合本期所发表有关组织工程化构建过程中支架材料的制备、力学环境对细胞影响的论文,介绍了目前国内外组织工程研究的现状与进展,指出组织工程研究正在向更深层次和更为广泛的领域发展。
    8  粘接剂厚度对IPS Empress II 全瓷冠应力的影响分析
    刘斌 鲁成林 张修银 张东升
    2010, 25(1):56-62. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.01.62.
    [摘要](9904) [HTML](0) [PDF 768.15 K](5457)
    摘要:
    目的 本研究利用数值分析方法研究3M ESPE RelyX ARC粘接剂厚度对IPS Empress II全瓷冠各组成部分应力水平的影响。方法 建立粘接剂厚度分别为60、90、120和150μm的四种全瓷冠数值模型,施加四种不同的载荷加载方式,用数值计算方法分析全瓷冠的各组成部分的应力极值和应力分布进行分析。结果 当粘接剂的厚度从60μm增大到90μm时,全瓷冠饰面瓷和核瓷的张应力极值都有所降低;而当厚度增至120μm时,瓷冠的应力水平有所提高,当厚度继续增大为150μm时,饰面瓷和核瓷的应力极值显著增大。结论 粘接剂内部的正应力在粘接剂厚度为90-120μm时维持在一个较低的水平。当粘接剂厚度达到90μm以上时,剪应力幅值变化不大。当粘接剂厚度维持在90μm附近时,可以降低各瓷层内部的应力水平。粘接剂主要以剪切的方式破坏,粘接剂剪切强度是一个值得注意的问题。
    9  钛合金表面TiO2图案化薄膜的溶胶凝胶法制备及其性能研究
    刘颖 张文光
    2010, 25(1):21-25. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.1.25.
    [摘要](7217) [HTML](0) [PDF 567.23 K](5424)
    摘要:
    目的 改善钛合金植入体的长期生物相容性和机械稳定性。方法 通过溶胶凝胶工艺和浸渍提拉技术,以钛酸丁酯(TEOT)为前躯体,加入聚乙二醇(PEG)作为模板剂,在钛合金基片上制备了TiO2微纳图案化薄膜,通过AFM研究了PEG的加入量对薄膜表面微观形貌的影响,并利用光学接触角测量仪与UMT-2型摩擦磨损试验机对薄膜的浸润性及摩擦学性能进行了研究。结果 当PEG浓度增至3.5g/100mL时,样品表面呈现出较为规则的平行排列的沟槽状结构;具有图案化结构的TiO2薄膜的耐磨性能较未加入模板剂的TiO2溶胶凝胶薄膜有明显提高。结论 可以通过控制模板剂的用量来实现对TiO2薄膜图案化特征的渐变控制,并证明了特定的图案化微观结构可以提高薄膜的抗磨损性能。
    10  NiTi记忆合金骨卡环生物力学特性的三维有限元研究
    陈国平 樊瑜波 张代全
    2010, 25(1):36-39. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.1.39.
    [摘要](7380) [HTML](0) [PDF 448.75 K](5353)
    摘要:
    目的 对临床治疗中存在的骨卡环固定部位愈合不好和松动现象进行基于生物力学的解释和分析,为NiTi形状记忆合金骨卡环在骨科临床治疗上的应用提供参考和建议。方法 通过运用有限元计算软件ANSYS,建立骨科内固定器NiTi形状记忆合金骨卡环和骨组织的有限元计算模型,针对临床上较为普遍采用的骨科内固定器NiTi形状记忆合金骨卡环的生物力学性能进行数值仿真分析。结果 记忆合金骨卡环的抱持力沿骨卡环的两个半圆臂从开口处开始呈逐渐增大的趋势,在开口对称处的应力最大,同时骨骼的变形也靠近开口的对称部位。结论 在实际治疗过程中骨卡环与骨表面发生作用时,成集中力的形式表现,这对选择受力部位尤为重要。
    11  载药敷料体外细胞毒性及释药性评价
    黄姝杰 关静 李志宏 张西正 武继民
    2010, 25(1):32-35. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.01.35.
    [摘要](9338) [HTML](0) [PDF 480.67 K](5214)
    摘要:
    目的 评价载药敷料体外细胞毒性和释药性。方法 按国标GB/T14233.2-2005,规定的MTT法操作,通过光学倒置显微镜观察L929细胞形态和增殖状况定性分析载药敷料体外细胞毒性,通过吸光度(OD)值计算细胞相对增殖率定量分析载药敷料体外细胞毒性等级;以磷酸盐缓冲液(PBS7.4)为溶出介质,32℃±0.5℃模拟人体表皮温度,于1/6 h、1/2 h、1h、3h、16h、24h、36h、48h不同时间点取样,采用紫外分光光度法测定载药敷料体外累积释放性能。结果 该载药敷料浸提原液中的细胞形态正常,贴壁生长良好,细胞平均相对增殖率(RGR)为91.25%,毒性为1级。载药敷料的释药动力学符合Higuchi方程:拟合方程为Mt/M∞=0.3271t0.239。结论 该载药敷料细胞相容性良好,并具有一定的缓释性能。
    12  基于脉搏波信号和血管弹性腔模型的动脉血压连续测量方法
    郭维 刘光达 焦阳 杨宇
    2012, 27(1):84-89. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.1.89.
    [摘要](5478) [HTML](0) [PDF 751.77 K](5200)
    摘要:
    目的 为满足健康监护中的连续测量血压的要求,研究并实现一种基于脉搏波信号和血管弹性腔模型的动脉血压拟合计算方法。方法 利用自制的穿戴式人体生理参数监测系统收集测试对象的脉搏波信号、心电信号以及血压数据。根据心电信号与脉搏波信号的时间关系,推导出收缩压和脉搏波传导时间的回归分析方程,而舒张压的测量,则是通过脉搏波的波形系数分析以及血管单弹性腔模型的参数计算完成。结果 试验结果表明,该方法血压测量结果的平均偏差和标准偏差为(0.51±0.74) kPa[(384±5.54) mmHg],达到了美国医疗仪器促进协会建议的(0.665±1.064) kPa[(5±8) mmHg]标准。 结论 结合脉搏波信号和弹性腔模型可以估算人体血压值,为连续血压测量提供了新的实现方法。
    13  基于关节坐标系的肌肉骨骼间附着点坐标转换方法
    唐刚 季文婷 李元超 王成焘
    2010, 25(1):40-44. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.01.44.
    [摘要](7149) [HTML](0) [PDF 480.96 K](5177)
    摘要:
    目的 运动状态下对人体的骨肌系统进行运动学及动力学分析时,应避免对人体的伤害。本研究通过尸体切片、CT或者MRI图像重建等方法构建静态骨肌模型,并将其应用于活体进行分析。方法 采用尸体切片重建了下肢的三维骨肌模型,并对此骨肌模型及活体下肢建立了统一规则的关节坐标系,详细描述了人体骨肌系统模型和活体上相关肌肉骨骼间附着点空间坐标值转换。结果 对研究对象膝关节屈曲运动中股二头肌短头力臂及长度进行了计算和分析。结论 该方法对提高人体运动学和动力学仿真及肌肉力预测具有重要意义。
    14  不同牵拉方式对腰椎的生物力学影响
    项嫔 都承斐 赵美雅 田山 樊瑜波 王丽珍
    2014, 29(5):399-404. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.05.404.
    [摘要](3138) [HTML](0) [PDF 1.90 M](4969)
    摘要:
    目的 采用三维有限元方法研究不同牵拉条件对腰椎生物力学的影响。方法 通过对腰椎L1~5节段扫描,获得CT图像导入Mimics三维重建获得腰椎L1~5的三维几何模型,利用Geomagic Studio和Hypermesh获得腰椎L1~5的网格模型。运用Abaqus进行不同牵拉条件下的腰椎有限元仿真计算。结果 头低位角度与髓核内应力有相关性,头低位角度不超过10°时,髓核内应力随摆动周期规律性变化;头低位角度大于10°时,应力呈降低趋势。摆动模式下,纤维环内环应力增加,促进椎间盘回缩。结论 牵拉治疗有助于缓解腰椎疼痛,摆动作用有助于协调牵拉作用在各方向的效果,牵拉方式结合摆动可更好地梳理和解除后部小关节紊乱。此外,患者在治疗中应选取适当的牵拉作用力以达到良好的治疗效果。
    15  利用Contourlet变换进行双源CT图像中的二尖瓣分割
    马丽丹 杨新 宋薇 邱峻蔚 孙锟
    2009, 24(6):408-413. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2009.6.413.
    [摘要](4641) [HTML](0) [PDF 737.80 K](4808)
    摘要:
    目的 利用双源CT图像对心脏二尖瓣瓣膜进行了增强与分割,为日后进行二尖瓣三维重建和运动分析提供基础。方法 提出了自适应种子填充法和Contourlet小波变换分别用于不同情况下的分割:首先用自适应种子填充法对双源CT胸腔图像进行心脏在造影剂下的区域分割,再用Contourlet小波变换对区域分割后的图像进行二尖瓣的增强和分割。结果 在MATLAB7.0的环境下对双源CT图像成功进行了处理和分割,获取了清晰的心脏二尖瓣图像。结论 本文提出的分割方法对不同情况下的分割非常有效,实验的结论对医生从事二尖瓣瓣膜运动研究和二尖瓣瓣膜外科手术规划提供有益的参考。
    16  溶胶-凝胶生物活性玻璃/胶原复合多孔支架的力学性能研究
    张娟娟 孟永春 陈晓峰 李玉莉 罗小刚 林才
    2010, 25(1):16-20. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.01.20.
    [摘要](7721) [HTML](0) [PDF 703.81 K](4804)
    摘要:
    目的 研究溶胶-凝胶生物活性玻璃/胶原组织工程支架的力学性能及降解性能,为胶原基复合支架的进一步应用,提供理论基础。方法 以纳米溶胶-凝胶生物活性玻璃为添加相,利用冷冻干燥法制备了溶胶-凝胶生物活性玻璃/胶原基复合多孔组织工程支架;通过调整生物活性玻璃添加量来影响溶液中胶原纤维的聚集状态,从而改变复合支架的显微形貌,进而得到了不同力学性能的复合支架。结果 (1)溶液中胶原纤维的聚集状态,制备出具有直径约为400-600nm的粗胶原纤维束支架材料,这种粗胶原纤维束对改善胶原基组织工程支架的力学强度和减慢其降解速度具有重要作用。(2)利用FTIR和Raman等技术综合分析研究了溶胶-凝胶生物活性玻璃对胶原蛋白的二级结构的影响,当复合材料中胶原含量小于20%时,胶原蛋白二级结构破坏严重。结论 当胶原与生物活性玻璃质量比为40:60时,所制备的复合支架具有最好的抗压性能和降解性能,为进一步应用提供了研究基础。
    17  动脉血管中非线性压力波的传播
    张善元 张涛 杨芳
    2010, 25(1):63-67. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.01.67.
    [摘要](6663) [HTML](0) [PDF 535.26 K](4717)
    摘要:
    目的 本文建立了人体动脉血管中血液流动的力学模型,研究了血管中非线性压力波的传播。方法 采用H. Demiray建议的本构关系,计算大变形效应,在现时构形上建立了径向运动方程。 结果 采用约化摄动法由支配血液流动与管壁耦合系统的非线性偏微分方程组得到了KdV方程。结论 在一定条件下系统可能存在着精确周期波解或孤波解。
    18  尿流动力学在前列腺增生症诊断中的价值
    周智华 王亚伟 应亮 罗明 邱丰
    2010, 25(1):74-76. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.01.76.
    [摘要](6296) [HTML](0) [PDF 344.72 K](4631)
    摘要:
    目的 评价尿流动力学检查在诊断前列腺增生所致的下尿路症候群中的价值。方法 采用Life-Tech尿流动力学检查仪常规行尿流率、压力-流率测定及尿道测压,并测尿道外括约肌肌电图及残余尿量;记录膀胱逼尿肌情况,膀胱顺应性和尿道外括约肌协调情况,应用A-G图、P-Q图及DS诊断BOO(膀胱出口梗阻)。结果 本组患者427例,348例诊断为BOO,73例可疑,6例无BOO。其中伴膀胱低顺应性162例,膀胱逼尿肌功能受损117例,尿道外括约肌功能失调148例,不稳定膀胱164例。随着BOO程度加重Pdet-Qmax、Popen、DS、IPSS积分及前列腺体积呈升高趋势,膀胱顺应性、Qmax呈下降趋势。结论 尿流动力学检查在前列腺增生症诊断评估中极其重要。BOO程度与Pdet-Qmax、Popen、DS、IPSS积分及前列腺体积呈正相关,与膀胱顺应性、Qmax呈负相关。
    19  壳聚糖-脱细胞真皮三维材料作为骨组织工程支架材料的研究
    张燕 李瑞欣 张西正 郭勇
    2010, 25(1):11-15. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.01.15.
    [摘要](5843) [HTML](0) [PDF 669.96 K](4507)
    摘要:
    目的 观察MC3T3-El成骨前体细胞在壳聚糖-脱细胞真皮三维支架材料上的黏附情况,并评价其细胞相容性。方法 通过冷冻干燥制备壳聚糖-脱细胞真皮三维支架材料,并测试其孔隙率、密度和吸水率,通过扫描电镜分析支架的微观形貌。采用体外培养细胞的方法,将MC3T3-E1细胞直接接种到壳聚糖-脱细胞真皮三维支架材料上,培养2、3、4、5 h,各时间点各取3个样品,测定细胞在支架上的黏附率,确定最佳的细胞贴壁时间。将细胞接种到支架上,共培养1、3、5、7、9、11、13 d,采用MTS方法绘制细胞增殖曲线,组织化学染色观察细胞形态,并利用材料试验机测试不同时间材料细胞复合物的压缩弹性模量。结果 壳聚糖-脱细胞真皮材料具有连通的多孔结构,孔隙率为92.8%,密度为97.96g/L,吸水率为(2169±100)%。细胞相容性实验显示,成骨细胞易于在支架材料上黏附、增殖。结论 壳聚糖-脱细胞真皮材料具有连通的孔隙,孔径较均匀,MC3T3-El成骨前体细胞易在壳聚糖-脱细胞真皮三维支架材料上黏附、增殖,表明该支架材料具有良好的细胞相容性。
    20  可注射磷酸钙骨水泥增强DHS固定骨质疏松性股骨粗隆间骨折的体外生物力学分析
    喻任 张玉发 倪诚 陆纯德 程俊秋 范红松
    2010, 25(1):51-55. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2010.1.55.
    [摘要](5983) [HTML](0) [PDF 597.23 K](4398)
    摘要:
    目的 评价一种可注射磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement, CPC)强化股骨近端对老年骨质疏松性股骨粗隆间骨折内固定的生物力学影响。 方法 选用5对骨质疏松性股骨近端标本制作粗隆间骨折模型,以DHS固定,分为对照组与CPC强化组进行生物力学检测。结果 CPC强化组在500N应力下的轴向刚度为(691.93±18.90)N/mm,水平剪切刚度为(5553.84±27.47)N/mm,内外侧平均强度分别为(5.15±0.35)MPa,(4.13±0.24)MPa,扭转刚度为0.41,极限载荷3580±286N;对照组在500N应力下的轴向刚度为(453.45±19.75)N/mm,水平剪切刚度为3848.87±22.63 N/mm,内外侧平均强度分别(3.12±0.37) MPa ,(1.80±0.21) MPa,扭转刚度为0.35,极限载荷(2512±189)N。CPC强化组的各项力学性能均高于于对照组,差异有显著性意义(P<0.05)。 结论 以CPC对骨质疏松性股骨头内及内后侧缺损处强化可以有效提高骨质疏松性股骨粗隆间骨折内固定稳定性,降低术后并发症的风险。

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