流动腔系统的研究进展

流动腔装置广泛用于体外研究流动环境中的细胞力学行为,是研究细胞粘附及应力与生长关系特性的主要手段之一.作者从流动腔系统的分类、数值模拟(包括后向台阶的流动腔数值模拟)、系统构建等三个方面对流动腔系统作一综述.

细胞受体外机械力作用的若干反响

细胞受力后会有很多反响,作者介绍当前对细胞施加机械力的多种试验方法以及受试后的各种反响.其中内容主要包括激活离子通道、对细胞膜上蛋白分子的作用、对内皮细胞ICAM-1表达的影响、对细胞骨架的作用、对内皮细胞ICAM-1表达的影响、剪切力作用原癌基因c-fos和c-myc的表达等.

流体剪切力在骨生长、重建中的重要作用

骨组织具有优化结构,是一个典型的结构-功能受生物力学控制的例子.力学因素在骨的生长、重建和成形中起着十分重要的作用,但力学刺激的本质形式至今无法确认.骨组织存在多孔结构,力学负荷引起的变形会促使流体流动对骨细胞产生作用,离体实验也证实骨细胞能对流体产生响应,因此流体剪切力是研究骨组织受力学调控时考虑的一个重要方面.现有的研究主要体现在流体的有效作用形式,细胞的生物学反应,以及流体剪切力在细胞中的力学转导;各个方面的研究都提示,流体剪切力至少部分的参与了骨组织内的力转导.作者就这方面的研究进展作一综述.

短期机械拉伸加载对人肺腺癌细胞A549细胞的增殖效应

目的测量人肺腺癌细胞株A549对机械拉伸加载的短期响应.方法用加载FlexerceU-4000TTM系统在4h内对A549细胞进行正常生理参数范围的应变刺激,并测量细胞的增殖效应.结果细胞的增殖率均有不同程度的提高,增殖响应系数M(%)为:0.5 h,M=18%;1 h,M=22%;4 h,M=5%.结论研究证明细胞对短期加载的增殖响应与人成骨细胞特征相似,在1800循环数左右有一峰值,间歇式加载能保持长期高增长率,而过去的研究表明连续加载相反,只会抑制细胞的增长.

成骨生长肽羧基端片段及其衍生物对去卵巢大鼠骨生物力学性能的影响

目的探讨成骨生长肽羧基端片段(OGP10-14)及其衍生物G38I和G38K对去卵巢(OVX)骨质疏松大鼠股骨和腰椎生物力学性能的影响.方法56只3月龄SD雌性大鼠分为7组,1～6组行OVX手术,术后1～3组分别给予观察药物OGP(10-14)、G38I和G38K,4、5组分别给予利塞磷酸钠及阿伦磷酸钠作为治疗对照,6组术后给予安慰剂,7组为假手术组.术后第60天处死,分离股骨行三点弯曲实验,腰椎行压缩实验,检测并分析各组生物力学有关指标.结果OVX术后大鼠腰椎强度极限及大应变分别下降为假手术组的80%和65%,变化较股骨明显,说明骨质疏松症早期,以松质骨为主的部位受累更加显著.OGP(10-14)及其衍生物治疗后,G38I,G38K组股骨弹性弯曲应力较OVX组显著升高,大弯曲应力、弹性模量也有升高趋势,但差异无显著性.腰椎强度极限OGP(10-14)组升高达OVX组的1.28倍(P＜0.01),与二磷酸盐治疗组近似,弹性模量OGP(10-14)组为OVX组的1.35倍.结论OGP(10-14)及其衍生物治疗后,在一定程度上提高了骨质疏松大鼠骨组织抗冲击、抗压缩的能力,改善了骨生物力学性能.

BMP-2基因转染的自体骨髓间充质干细胞修复羊股骨头坏死的生物力学研究

目的观察BMP-2基因转染的自体骨髓间充质干细胞(MSCs)修复羊股骨头坏死后的局部生物力学变化.方法11只羊共22侧后肢,其中3只(6侧)作为正常对照,8只(16侧)通过结扎旋股内外侧动脉和液氮灌注等方法建立股骨头无菌性坏死动物模型.8只模型羊中,3只(6侧)不处理作为空白对照;5只共10侧植入分别复合BMP-2基因或β-gal基因转染的自体MSCs的β-磷酸三钙多孔材料,其中左侧为BMP-2治疗组,右侧为β-gal对照组,植入后第16周将所有动物处死,取植入区松质骨标本和软骨下骨进行压缩试验.结果BMP-2组植入区松质骨标本的大抗压强度为(38.35±4.16)MPa,弹性模量为(86.85±7.28)MPa;软骨下骨的大抗压强度为(80.76±5.32)MPa,弹性模量为(126.65±10.88)MPa.这些参数均与正常骨接近,显著大于未治疗组和β-gal组(均为P＜0.05).结论BMP-2基因转染自体干细胞可促进坏死股骨头修复,改善植入区松质骨和软骨下骨的力性能,防止股骨头软骨面的塌陷.

计算中国男性人体体段转动惯量的多元回归方程的研究

目的测算并确定中国男性青年人体惯性参数及其数学模型,建立计算中国男性青年人体体段转动惯量的多元回归方程.方法采用CT-图像分析仪测算法,对50例中国男性样本(18～23岁)进行体态参数测定、全身CT横断层扫描、影像分析、测算,并进行逐步回归分析.结果获得了50例中国男性青年人体样本各体段转动惯量数据,设计了由15个体段组成的中国男性青年人体数学模型,并据此推导、建立了以身高,体重,体段长度、宽度、围度等为自变量的直接计算中国男性青年人体转动惯量的多元回归方程.结论为直接从个体的体态参数来推算人体各体段的转动惯量参数提供了可靠的手段.

生物活性陶瓷涂层假体植入股骨初期的界面生物力学分析

目的对具有生物活性的羟基磷灰石陶瓷涂层假体植入股骨初期进行界面生物力学分析,以优化金属表面生物活性陶瓷涂层厚度.方法建立生物活性陶瓷涂层假体紧压配合植入股骨初期的生物力学模型,应用非均质层状材料弹性力学理论,定量计算不同厚度涂层钛合金假体与股骨峡部界面的紧压配合力及环向应力.结果无涂层钛合金假体与骨结合的紧压配合力大,随着涂层厚度增加,紧压配合力逐渐减小.环向应力在界面的骨皮质上有较大的拉应力,在涂层和钛合金假体柄上为压应力.结论生物活性陶瓷涂层较薄的假体与股骨结合的抗剪切强度较大.

人脊柱腰椎松质骨归一化应力松弛蠕变函数

目的研究正常国人新鲜尸体腰椎L5椎体松质骨的粘弹性力学性质,为临床提供生物力学参数.方法在Shimadzu AUTOGRAPH电子万能试验机上对L5椎体松质骨试样进行压缩应力松弛、蠕变实验.结果得到了L5椎体应力松弛、蠕变数据和曲线,还得出了归一化应力松弛、归一化蠕变函数及曲线取得了回归系数a、b、c、d值.结论L5椎体7200s应力松弛量为0.261 MPa、7200 s蠕变量为0.217%.

天鹅型记忆接骨器治疗肱骨骨折的生物力学研究

目的阐明天鹅型记忆接骨器(swan-like memory compressive connector,SMC)应用于肱骨骨折治疗的生物力学基础.方法通过轴向拉伸试验、三点弯曲试验、扭转试验三种生物力学测试方法建模,对比分析肱骨中段骨折天鹅型记忆接骨器和8孔钢板治疗的生物力学稳定性.结果轴向拉伸试验得出载荷-应变曲线及拉伸强度,加载1000 N时的SMC与钢板固定的强度分别为2.21 MPa和2.35 MPa,两组之间差异无统计学意义(P＞0.05);测定位移与刚度得出载荷-位移曲线及轴向刚度,加载1000 N时的SMC与钢板固定的轴向刚度分别为465 N/mm和424 N/mm,两组之间差异无统计学意义(P＞0.05);三点弯曲试验得出弯矩-挠度曲线及弯曲刚度,弯矩在5 N·m时SMC固定组与钢板固定组的刚度分别为18.59 N·cm/(.)和17.84 N·cm/(°),两组之间差异无统计学意义(P＞0.05);扭转试验得出扭矩-扭角曲线及扭转刚度,SMC固定组与钢板固定组在大扭矩下的扭转刚度分别为302.11 N·cm/(°)和287.07N·crm/(°),两组之间差异无统计学意义(P＞0.05)其固定的稳定性接近钢板组.结论天鹅型记忆接骨器治疗肱骨骨折具有良好的生物力学稳定性.

改良环扣式传感器用于兔在体跟腱的生物力学测试

目的探讨在体跟腱的生物力学行为.方法对环扣式传感器进行改良;选用45只家兔均分三组,A组(正常左侧跟腱),B组(正常右侧跟腱),C组(失胫神经支配的左侧跟腱),以改良环式传感器对A、B、C三组的跟腱进行生物力学测试.结果家兔跑跳时的张力曲线主要有4种,即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ;失胫神经支配状态下的一侧跟腱的生物力学参数明显低于常态(P＜0.05).结论改良环扣式传感器用于在体跟腱的生物力学测试具有可行、稳定、灵敏等优点.

人类活体髋关节的动态应力评估

目的评估活体人髋关节的应力水平状态,为临床应用提供理论依据.方法基于德国柏林大学生物力学实验室所采集的活体人髋关节数据库,应用赫兹弹性理论,分析活体人髋关节在经常的8种人类活动中(慢速步行、中速步行、快速步行、屈膝、上楼梯、下楼梯、起立、坐下等),髋关节的应力水平状态.结果(1)依照以上活动顺序,大应力峰值依次为:11.25 MPa,11.38 MPa,11.89 MPa,10.32 MPa,11.66 MPa,11.63 MPa,10.37 MPa,10.29 MPa;小应力峰值依次为:5.32 MPa,5.77 MPa,6.54 MPa,7.40 MPa,5.96 MPa,6.41 MPa,6.00 MPa,5.56 MPa;(2)依照以上活动顺序,平均应力峰值依次为:8.72 MPa,8.95 MPa,9.63 MPa,8.70 MPa,8.83 MPa,9.23 MPa,8.01 MPa,7.77 MPa.结论(1)活体人髋关节在这8种日常活动中的峰值应力介于5.32 MPa与11.89 MPa之间;(2)平均应力为8.72 MPa;(3)人类在快速步行过程中,髋关节具有较大的峰值应力.

欢迎订阅《医用生物力学》杂志

《医用生物力学》杂志重要启事

心血管力学生物学与医学工程研究

生物力学不仅是力学的一个分支,而且是生物医学工程的一个重要组成部分.世界著名生物力学大师、中国科学院首批外籍院士、美国国家科学院院士、美国国家工程院院士、美国国家医学科学院院士Y.C.Yung(冯元桢)先生曾指出:"绝大多数生物力学工作的目的是为了丰富生命系统的基本知识并对其进行某种人为干涉".随着细胞分子生物学的深入发展,上世纪九十年代以来,生物力学研究也深入到了细胞分子水平,逐渐形成了一个新兴的交叉学科领域"力学生物学(mechanobiology)".力学生物学是研究力学环境(刺激)对生物体健康、疾病或损伤的影响,研究生物体的力学信号感受和响应机制,阐明机体的力学过程与生物学过程,如生长、重建、适应性变化和修复等之间的相互关系,从而发展有疗效的或有诊断意义的新技术.

椎弓根螺钉螺杆形状对其生物力学性能影响的研究

目的比较椎弓根螺钉螺杆形状对其生物力学性能的影响.方法6具成人新鲜T9-L5脊椎标本分解为54个椎体试验标本,随机选取一侧按标准方法放置特制试验用直径5.5 mm锥形螺钉,然后在MTS力学试验机上先后测量其大扭力矩和大拔出力,在对侧以同样的方法进行5.5 mm柱形螺钉的实验.然后在腰段进行6.25 mm及7.0 mm螺钉的翻修.结果在下胸段,锥形螺钉的大扭力矩(1.445±0.66)N.m显著大于柱形螺钉(1.073±0.42)N.m(P＜0.05);而在腰段,锥形螺钉大扭力矩(1.017±0.43)N.m和柱形螺钉大扭力矩(1.128±0.50)N.m相比没有明显差异(P＞0.05).无论在下胸段还是腰段,锥形螺钉与柱形螺钉的大拔出力相比均无显著性差异.柱形椎弓根螺钉的大扭力矩与大拔出力呈正相关(r=0.629),锥形螺钉的大扭力矩与大轴向拔出力的相关性不显著(r=0.179).不同形状的螺钉在其达到大拔出力时的位移无显著差异.结论相同直径的锥形与柱形螺钉的大拔出力相近,且锥形螺钉在其直径与椎弓根内径相近时具有较高的扭矩.螺钉的大扭力矩与大拔出力的相关关系要视螺钉的类型而定.

计算机辅助组织工程:概况、范围和挑战(第二部分)

(续2005年第20卷第1期第54页)3计算机辅助支架设计和制造组织工程应用中三维组织支架或组织替代物的设计,必须考虑宿主组织和/或支架环境的系统复杂性和结构异质性.除了促进新生细胞长入和细胞组织形成的重要因素外,如孔隙率、孔隙大小、内在交通性和营养运输的特性,所设计的支架也应该具有与宿主环境中相适应的力学性能,以及在负重组织支架或替代物如骨和软骨的设计中,要求在移植后具有力学强度[44,45].