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医用生物力学 2011年第05期杂志 文档列表

医用生物力学杂志专家论坛

剪切流定量调控细胞钙信号的研究进展389-394

摘要：细胞内的钙信号活动受细胞所处微环境的调控,与细胞的自我更新、分化、增殖和凋亡密切相关。研究细胞钙信号的定量调控不仅有助于精确掌握在微环境影响下细胞内钙信号的动力学规律,更能在细胞的命运控制、行为模拟、系统仿生等方面发挥至关重要的作用。本文总结了剪切流调控细胞钙信号的定量研究进展,包括：（1）剪切流刺激细胞钙响应的实验现象与机制;（2）剪切流刺激细胞钙响应的数学建模与仿真;（3）剪切流对细胞钙信号的反馈控制。

医用生物力学杂志述评

生物材料力学研究新进展395-401

摘要：作为生物力学中一个快速发展的重要研究领域,生物材料力学旨在通过实验研究和理论分析,揭示各种天然生物材料的功能、性能、结构和组分之间的基本关系和机理,并为新材料的仿生设计等提供来自大自然的启示。本文综述了近年来我国学者在该领域取得的一些最新研究进展,主要内容包括珍珠母、牛角等生物复合材料的强韧化机制,生物材料表面浸润特性与微纳米结构之间的关系,以及相关的一些仿生应用。本文还简要介绍了本期专刊所刊登的7篇邀请文章。

祝贺我刊顾问钱煦院士获美国国家科学奖章401-401

摘要：2011年9月27日,美国总统奥巴马公布了2011年度七位美国国家科学奖章（National Medal of Science）获得者名单,其中华人生物学家、美国加州大学圣迭戈分校（University of California,San Diego,UCSD）教授钱煦（Shu Chien）榜上有名。美国国家科学奖章和国家技术与创新奖章分别设立于1959年和1980年,代表美国政府赋予科学家、工程师以及发明人的最高荣誉。

医用生物力学杂志专栏论著

基于纳米压痕法的关节软骨保湿测量技术408-412

摘要：目的在保持关节软骨表面湿润的情况下,进行纳米压痕实验,研究具有一定生物活性的关节软骨微结构的力学性能。方法通过实验的方法,评估冷镶嵌法和保湿法对保持软骨在体力学性能的优劣,并应用保湿法得到不同保护液下软骨微结构的力学性能。结果冷镶嵌法测得的软骨表层的弹性模量远大于保湿法测得的数值,蒸馏水保护下的软骨表层和深层的弹性模量明显高于壳多糖溶液和生理盐水保护下的软骨的弹性模量。结论保湿法更有利于保持生物材料在体时的力学性能和保持生物材料的生物活性,通过保湿法也可以证明壳多糖溶液及生理盐水均可有效保持软骨的力学性能。

利用有限元研究骨中显微损伤发展413-419

摘要：目的研究骨组织中矿物晶体与胶原纤维的相互作用对显微损伤扩展方式的影响。方法在有限元模型的基础之上引入黏性单元,用拉伸-分离理论来模拟离子键、氢键、范德华力等的作用。结合随机场理论以及概率损伤分析方法,研究上述各种相互作用机制对骨组织中显微损伤扩展方式的影响。结果当矿物晶体与胶原纤维通过离子键相结合时,他们之间的界面难以分离,因此骨组织中容易形成线性裂纹。而对于通过范德华力相结合的骨组织,其界面结合不稳定,因此显微损伤容易向着弥散损伤的方式发展。当矿物晶体与胶原纤维之间是通过氢键而相互作用时,发现在显微损伤积累的初始阶段,其发展方式倾向于线性裂纹,而随着显微损伤的逐渐积累,矿物晶体与胶原纤维之间的作用越来约弱,从而整个显微损伤的发展转变为了扩展损伤。结论本研究的结果有助于理解骨组织中不同成分间的相互作用机制对骨后屈服变形中能量耗散过程的影响,从而进一步探索骨质疏松症以及老年性骨折的机理。

胫骨生物复合材料多级微纳米结构的韧性机理420-425

摘要：目的研究胫骨生物复合材料多级优良微纳米结构的韧性机理。方法利用扫描电镜观察胫骨成骨的多级微纳米结构。通过多级微纳米结构模型分析揭示胫骨的韧性机理。结果胫骨是一种由羟基磷灰石和胶原蛋白组成的、具有多级微纳米结构的生物复合材料。在不同尺度下的微纳米结构模型分析表明胫骨多层微纳米结构增加了胫骨的断裂能,而羟基磷灰石纤维片的交叉微结构以及羟基磷灰石纳米纤维片的长细形状尺寸增加了纤维片的拔出能。结论胫骨多级优良微纳米结构赋予胫骨高的断裂韧性,可用于仿生复合材料设计。

硅橡胶膜细胞载体的应力分析及生物相容性426-431

摘要：目的报道一种自制的硅橡胶膜细胞载体,通过三维有限元方法计算其表面应变分布情况,并作细胞生物相容性分析,对材料进行全面评价,为细胞的应力刺激实验提供理论依据。方法将硅橡胶材料制作成0.1 cm厚的透明薄膜,结合硅橡胶材料的泊松比以及弹性模量,应用三维有限元分析软件对数据进行处理,模拟硅橡胶受到牵张应变后产生的形变;通过MTT方法比较细胞在硅橡胶和标准培养板上的生长情况,并采取体外皮下包埋实验验证硅橡胶材料是否具有生物学毒性。结果在对材料加载0.5%～20%的过程中,有效应变范围集中在硅橡胶膜的中心区域,约占总面积的90%;同时,硅橡胶材料虽然在生物相容性方面与标准培养板存在一定差异,但其本身无生物学毒性。结论这种自制的硅橡胶细胞载体表面应力分布良好,生物相容性尚可满足细胞培养,但表面需进一步改善,可满足细胞的牵张应变实验。

基于Surface Evolver模拟液桥断裂距离436-440

摘要：目的研究面间液桥断裂距离随着液桥体积、球面半径和固-液接触角的变化规律。方法利用SurfaceEvolver程序模拟介于球形表面和平面间一定体积液桥的拉伸、断裂的演变过程,从模拟结果中得到给定液桥体积、球面半径以及固体表面润湿性质这些参数下的液桥的断裂距离。结果以Lian等和Willett等所给出公式为基础得到液桥断裂距离关于参数液体体积、球面半径和接触角的理论公式,模拟结果与理论预测结果比较,发现当固体表面为亲水性质时,模拟结果与理论结果整体上吻合很好（偏差〈4.3%）;当固体表面为疏水性质时,模拟结果随着疏水性质的增加与理论估计的偏差会增大。结论 Surface Evolver可以很好地模拟液桥准静态拉伸和断裂过程,从而得到液桥断裂距离。Lian等和Willett等所给出的理论公式是由亲水表面数据拟合出来的,这也是在疏水性质表面上本文所给液桥断裂距离的理论公式预测结果与模拟结果偏差增大的原因。

医用生物力学杂志论著

新型动态载荷与循环灌流生物反应器系统的设计441-447

摘要：目的设计一套动态应变加载系统和三维灌流培养系统,并测试其性能。方法明确动态载荷与循环灌流生物反应器的设计原则;设计并构建动态应变加载系统和三维灌流培养系统,研制供三维灌流与加载专用的培养舱;测定培养系统的无菌效果以及其应变加载的精确度和稳定性,进行组织工程骨的初步培养观察。结果该生物反应器可为组织培养物提供不同大小和频率的压应变以及不同流量的灌流条件,可控精度高、操作简单可行、性能稳定;连续运转5 d后,培养液中无细菌生长。初步培养结果表明,体外构建的组织工程骨在生物反应器中培养10 d,其成骨细胞的增殖和成骨活性明显高于静态培养和单纯灌流培养。结论该生物反应器可以成为三维条件下进行骨细胞生物力学研究的一种较理想的动态培养与应变加载装置。

金属对金属人工髋关节的磨损预测448-453

摘要：目的发展复杂动态载荷与瞬态运动条件下的球面共型接触硬对硬人工髋关节的磨损预测模型,并用于典型的金属对金属人工髋关节在复杂三维生理运动条件下的磨损预测研究。方法建立有限元模型用于接触力学问题求解,采用固定-跟踪法（fixed-tracked method）完成具有三维欧拉运动的人工髋关节双侧界面动态磨损几何再现及相应的接触与磨损问题模拟的数值交换。结果磨损预测表明,磨损导致金属对金属人工髋关节接触界面几何由球面向非球面过渡,接触区域随磨损周期而增大,接触压力变化趋于平缓、最大接触压力逐渐减小。结论本研究所发展的三维复杂动态、具有双侧界面几何磨损变化的人工髋关节磨损预测模型,能够很好地进行金属对金属髋关节磨损数值预测模拟实验,为认识人工髋关节磨损机理提供了新的方法。

脊柱三维运动测试实验装置的研制454-459

摘要：目的研制一套模拟人体脊柱在体运动的离体加载装置,进行脊柱生物力学实验研究。方法利用轴承原理,在加载盘上设计安装旋转锁定装置,加载时旋转于所需测试位置后用螺栓锁定状态,再通过万能材料试验机提供自动加载动力源,在脊柱标本上施加前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转6个方向的纯力矩,模拟脊柱的在体运动,并用三维扫描仪对脊柱标本加载前后位置进行扫描测量。利用该加载装置对6具1岁龄猪颈椎（C2-C6）在6种加载状态下进行运动范围测量,并对该加载装置进行精度验证和误差分析。结果建立了一套人体脊柱三维运动实验装置,6具猪颈椎标本经加载测量得到6个方向的中性区和活动范围数据,总测量误差值小于3.5%。结论该装置巧妙的设计较好地模拟了脊柱在体运动,可实现人体脊柱的快速加载,费用低、方法简单实用,能大大提高实验的效率,在脊柱的离体加载方面具有较大的推广应用价值。

环境温度对大鼠血液流变特性的影响465-470

摘要：目的研究在不同环境温度对大鼠的血液流变学指标的影响。方法将7组大鼠（每组10只）分别在温度为7、12、16、22、28、32、35℃环境下饲养7 d后,用心脏穿刺法采集大鼠血液5 mL,肝素抗凝,血液采集完毕后2 h内检测血液流变学各项指标。结果环境温度在7、12、32、35℃时,血液流变学指标异常,红细胞可变性降低,毛细血管阻力增高,红细胞易聚集,从而引起机体血液循环障碍,使局部血流缓慢,造成缺血缺氧,影响组织的代谢和功能。结论血液流变性指标值在16～28℃的温度范围内最佳,血流的阻力小,红细胞的流变性好。机体保持良好微循环的最低环境温度7℃,最高环境温度32℃。

大鼠胫骨骨折固定术后同侧股骨骨密度和生物力学性能的变化471-475

摘要：目的探讨胫骨骨折后大鼠股骨骨密度及股骨生物力学性能变化及其与胫骨骨折愈合状况的关系。方法将40只3月龄雌性SD大鼠随机分为2组：手术组和对照组,每组20只。手术组实行右侧胫骨中段骨折内固定术。手术前和实行手术后第2、4、6、8、10、12周测量右侧股骨骨密度,第6周和第12周分别处死10只手术组和10只对照组大鼠,进行右侧胫骨和股骨生物力学性能的测量。结果术后6周,胫骨骨折的放射学愈合率为50%,机械愈合率为70%;术后12周胫骨骨折的放射学和机械愈合率均为100%。手术组股骨骨密度与对照组相比,术后2、4、6、8周降低（P〈0.05）,术后10、12周时与对照组差异无统计学意义。术后6周右侧胫骨和股骨的生物力学性能明显低于术后12周（P〈0.05）。相关分析显示胫骨愈合情况与力学性能高度相关（P〈0.01）,胫骨力学性能与股骨骨密度和股骨力学性能高度相关（P〈0.001）。结论胫骨骨折早期同侧股骨骨密度及生物力学性能下降,发生了废用性骨质疏松;但晚期随胫骨骨折愈合,股骨的骨密度和生物力学性能恢复正常。

医用生物力学杂志临床研究

Endobutton治疗肩锁关节脱位术后复位丢失与固定装置力臂的相关性研究476-481

摘要：目的从力学角度分析利用Endobutton治疗肩锁关节脱位术后复位丢失和固定装置力臂之间的相关性。方法在2009年3月～2010年12月间,对24例肩锁关节脱位患者采用了Endobutton技术进行手术治疗。比较术后3 d以及术后6个月的喙锁间距离,观察复位丢失情况。同时将锁骨表面Endobutton钢板中心点到锁骨内缘的长度和整根锁骨长度的比值作为力臂,对复位丢失和固定装置力臂进行相关性分析。结果所有的24例患者在术中都得到良好的复位,肩锁关节和喙锁之间的距离恢复正常。术后3 d测量喙锁间距为（28.2±3.9）mm,术后6个月时为（29.5±4.1）mm,平均丢失（1.3±1.2）mm。平均力臂为（0.79±0.03）。两者之间存在相关性,相关系数为-0.498（P〈0.05）。结论 Endobutton钢板治疗肩锁关节脱位术后的复位丢失和固定物在锁骨上的安放位置存在相关性,随着力臂的缩短,复位的丢失将会增加。固定装置比较合适的力臂为0.80。

医用生物力学杂志综述

力学因素在间充质干细胞构建功能性组织工程化软骨中的作用482-486

摘要：间充质干细胞具有多向分化潜能,可定向分化为软骨组织,并且取材广泛、体外扩增能力强,是广泛应用于软骨组织工程的理想细胞之一。由于关节软骨具有重要的生物力学功能,需要强调和评估间充质干细胞构建组织工程化软骨组织的力学生物学性能。为更好地了解和认识修复软骨的诱导因素、信号通路与力学特性之间的关系,本文回顾了间充质干细胞在功能性软骨组织工程研究中的力学生物学研究进展,并论述了该领域内目前存在的问题及若干可供探索的途径和新方向。