摘要:力学生物学研究力学环境对生物体健康、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。本刊报道了国内心血管力学生物学研究的一些新进展。心血管力学生物学探讨血管的“应力-生长”关系,阐明力学因素如何产生生物学效应而导致血管重建;基于心血管系统建模与定量分析,建立精确规范的心血管功能新的无创检测和分析技术。这些研究不仅对于揭示正常血液循环的生物力学机理,认识血管生长、衰老的自然规律,而且对于阐明血管疾病的发病机理以及提供诊断、治疗的一些基本原理包括心血管新型药物和新技术的研发都将有重要的理论和实际意义。

摘要:目的探讨切应力对与血管平滑肌细胞(VSMCs)联合培养的内皮细胞(ECs)中微管的聚集重构的影响,为阐明应力诱导血管重建的分子机制提供一些实验证据。方法应用ECs与VSMCs联合培养的平行平板流动腔系统,给ECs面施加15dyne/cm2的层流切应力,以静态条件下联合培养的ECs为对照组,用WesternBlot、免疫荧光细胞化学和图像分析等技术,研究切应力作用下与VSMCs联合培养的ECs的微管聚集的变化。结果静态联合培养组,ECs微管骨架的排列是稀疏、发散和无规律的。切应力诱导了ECs的微管的重构,,微管骨架变得有序,朝切应力的方向规律的排列。切应力能够促进ECs的微管聚集,与对照组相比,切应力作用下的ECs内多聚微管的数量增加,切应力作用3h,ECs内多聚微管的数量达到峰值,之后开始下降。结论切应力诱导和促进了EC的微管骨架发生重构(聚集)。结果提示:微管可能是机械应力刺激作用的靶标,应力可能通过它改变ECs的形态,影响细胞的黏附与迁移等功能。

摘要:目的研究机械张应变诱导蛋白激酶B活化对大鼠血管平滑肌细胞迁移能力的影响。方法应用FX-4000T细胞应变加载系统,对大鼠血管平滑肌细胞施加牵拉幅度为15%、频率为1Hz的张应变。以Transwell和Westernblot等方法观察张应变作用下蛋白激酶B磷酸化和血管平滑肌细胞迁移能力的变化,以未加载张应变的血管平滑肌细胞为对照组。结果与对照组相比,机械张应变增加细胞中蛋白激酶B磷酸化水平,促进血管平滑肌细胞的迁移;PI3K的特异性抑制剂Wortmannin抑制张应变诱导的蛋白激酶B的磷酸化,降低了血管平滑肌细胞迁移能力。结论机械张应变通过上调蛋白激酶B磷酸化水平促进了血管平滑肌细胞迁移,提示蛋白激酶B信号通路参与机械张应变条件下血管平滑肌细胞迁移过程的信号传导。

摘要:目的确定自发性高血压大鼠(SHR)颈总动脉的平均壁面切应力(WSS)和周向应力(CS),并与同龄正常血压大鼠(WKY)相对比,观察SHR和WKY大鼠颈总动脉平均WSS和CS的特征。方法选取12周龄SHR作为动物模型,同龄WKY为对照组;通过在体测定颈总动脉的平均血流量与平均血压,离体测量颈总动脉的无载荷状态形态学数据,以及在体轴向伸长比条件下颈总动脉段的压力(p)-容积(V)关系,确定颈总动脉平均WSS和CS;同时比较SHR和WKY颈总动脉的平均血压和血流量、无载荷和载荷状态几何尺寸以及平均WSS和CS的特征。结果与正常血压的WKY组相比,SHR组颈总动脉血压明显增高、流量明显降低;无载荷和载荷状态下SHR组动脉的内外半径均增大,载荷状态下SHR组动脉壁厚减小;SHR颈总动脉平均WSS明显降低,而CS明显增高。结论高血压和低流量引起了SHR颈总动脉重建;低WSS和高CS是SHR颈总动脉血液动力学参数的重要特征;WSS和CS的协同作用可能是反映动脉重建的敏感指标之一。

摘要:目的研究低温条件下心肌细胞形态调节趋向。方法运用低温培养(4℃)和常温培养(37℃)相比较的方法对心肌细胞形态变化及群体细胞间相互作用关系变化过程进行连续定点的显微观察,并运用计算机图像处理技术和统计学方法采集和分析数据,以观察心肌细胞在4牎低温条件下不同培养阶段细胞形态变化及细胞空洞变化的特征。结果(1)低温培养初期,心肌细胞出现明显的收缩行为,并伴有细胞间间隙产生,且间隙取向与细胞长轴一致;(2)低温培养中期,融合细胞层出现椭圆和圆形空洞,空洞周边细胞一部分被拉成细长形,一部分缩短成近方形;(3)低温培养后期,细胞间空洞形态、大小及分布趋于一致,细胞外形调整呈杆状;结论(1)低温可能通过诱发细胞收缩破坏细胞连接而造成组织损伤;(2)低温条件下心肌细胞可通过形变调整和细胞与细胞间连接形式调整实现整体结构稳定性的最大化。

摘要:目的数值模拟抗血管生成因子Angiostatin和Endostatin对肿瘤血管生成的影响。方法建立肿瘤内外血管生成的二维离散数学模型。模型耦合两种抗血管生成因子Angiostatin和Endostatin的抑制效应,数值模拟在促血管生成因子诱导下肿瘤微血管网生成,讨论血管生成抑制因子的影响。结果抗血管生成因子Angiostatin对肿瘤内外血管网络生成的速度和成熟度有抑制作用。抗血管生成因子Angiostatin和Endostatin耦合作用时,在肿瘤血管生成的早期有明显的抑制效应;在肿瘤血管生成的中后期,它们可以降低肿瘤血管化程度。结论本文模型能够较好的模拟抗血管生成因子Angiostatin和Endostatin对内皮细胞迁移和增殖的抑制作用。

摘要:目的改进体外构建的生物化组织工程血管(TEBV),研究其生物力学特性,获得能承载生理血流力学作用的血管替代物。方法用酶消化法制备猪颈总动脉脱细胞支架,加压灌注结合散点注射种植犬胸主动脉平滑肌细胞(VSMC),用自制的血管自动旋转流体培养系统培养3周,随后再用加压灌注法种植犬胸主动脉内皮细胞(EC),继续培养至4周,取材做HE染色。光镜和电镜观察VSMC及EC在支架内的生长情况。用力学测试仪器检测TEBV的应力-应变关系、拉伸弹性回复率以及最大断裂强度和长度。结果在血管自动旋转流体培养系统,VSMC种植3周在中膜层已经大量均匀分布,EC种植7天后已形成连续完整的EC单层;而应用单独的加压灌注法VSMC种植3周时仍不能均匀分布,EC种植1周后仍分布不均匀,未能形成连续的EC单层。TEBV培养至第4周,中膜层有大量VSMC生长,内膜层则形成连续的EC单层;透射电镜下可见VSMC、EC亚微结构与生理状态的细胞结构相似,可见缝隙连接等细胞连接方式,VSMC可产生新的胶原蛋白。扫描电镜可见EC在支架上生长良好,细胞轮廓清晰,形成连续的单层。力学特性检测结果显示:TEBV的粘弹性、拉伸弹性回复率以及最大断裂强度均接近生理血管。结论血管自动旋转流体培养系统在脱细胞血管支架上联合种植VSMC和EC,有利于种子细胞在支架腔面和管壁内均匀生长,改进了TEBV的组织结构。改进构建的TEBV生物力学特性接近生理血管,将有利于TEBV更好地承载血流动力学的作用。

摘要:目的制备“去细胞”羊膜基质(HAAM),观察内皮细胞在HAAM上的种植效果及细胞种植后的一氧化氮(NO)分泌功能和粘附能力,为进一步研究以HAAM覆盖修饰血管内支架并种植内皮细胞治疗再狭窄提供理论和实验依据。方法胰酶消化去除羊膜上皮细胞,保留基底膜作为载体,种植人脐静脉内皮细胞(HUVEC),体外培养形成单层,并进行细胞形态观察、NO分泌功能及细胞粘附力测定。结果HUVEC可在HAAM上粘附生长并增殖,体外培养67天融合形成单层,其形态、分泌NO功能及细胞粘附力均优于对照组培养的内皮细胞。结论羊膜基质可作为内皮细胞生长粘附的载体并增强其功能。

摘要:目的探讨髌骨-髌腱结合部愈合中新骨形成量和力学指标之间的关系。方法15只雌性成年兔,在一侧后肢的髌骨远端1/3处横行截骨,切除远端1/3髌骨。将髌腱与髌骨断端连接。分别于术后第8和16周取材进行生物力学、组织学和新骨形成情况(X线摄片测量和骨密度测定)检测,进行对比研究。结果髌骨-髌腱结合部新骨面积、新骨长度及骨矿密度在第8和16周之间仍未达到显著性水平,但在第16周时的拉断载荷、极限拉应力和拉断能量均明显大于第8周;新骨面积与拉断载荷及极限拉应力呈显著性相关。结论新骨面积与拉断载荷及极限拉应力间显著相关,通过临床无创X线影像学对新骨面积的定量,可有效评估髌骨部分切除后髌骨-髌腱结合部愈合状况,为术后主动康复提供参考。

摘要:目的研究主动脉弓动态图像测量的方法。方法提出基于法线特征匹配的主动脉弓边界动态跟踪方法,首先通过手动选点和曲线拟合的方法确定第一帧图像的边界,从而克服了阈值分割法的边界不连续的缺点,然后使用法线特征匹配的方法对主动脉弓序列图像进行边缘检测,得到平滑的主动脉弓边界曲线,实现了主动脉弓序列图像的动态跟踪。结果准确测量了主动脉弓的运动变形参数。结论成功得出了主动脉弓的运动变形规律,为主动脉弓的有限元计算打下了良好的基础。

摘要:目的股骨头缺血坏死早中期手术中,为防止股骨头的进一步塌陷,常需要植骨填充坏死区。本文研究不同结构植入物填充股骨头负重区缺损后对股骨头力学性能的影响。方法选取人正常股骨近段4例,在股骨头负重区沿压力骨小梁方向制造直径20mm,深30mm的骨缺损,并在缺损区内植入三种不同结构的植入物。Ⅰ组为取自异体股骨头负重区骨块;Ⅱ组为取自异体股骨髁负重区骨块;Ⅲ组为松质骨粒打压植骨。模拟单腿站立相加载,记录股骨头颈结合部的应变分布。结果直径20mm深30mm骨缺损的股骨近段与正常相比,头颈结合部上方拉应变平均增加93.0%,下方压应变平均增加203.4%。植入不同结构的植入物后,Ⅰ组头颈结合部上方应变较正常平均增加6.6%,下方应变平均增加67.6%;Ⅱ组上方应变较正常平均增加33.7%,下方应变平均增加136.9%;Ⅲ组上方应变平均增加150.4%,下方应变平均增加206.1%。结论股骨头负重区的缺损会改变头颈结合部应力分布,其中结合部下方和上方出现应力的集中。植入与缺损区的骨小梁结构相似的异体股骨头骨块后,股骨头下方和上方头颈结合部的应力集中得到缓解,其植入效果优于骨小梁结构不同的股骨髁骨块;松质骨粒打压植骨不能改变股骨头头颈结合部的应变分布。

摘要:目的研究药物注射方式对二维实体肿瘤中药物输运的影响,确定较适当的注射方式。方法根据数值生成的肿瘤二维血管网,研究药物的输运。采用肿瘤中各部位药物浓度维持在最小药物浓度MEC水平以上的时间曲面下体积VUS来衡量药物的效果。对不同的施药注射方式进行了探讨。结果MEC较小时各种注射方式效果接近;MEC较大时,比较适合采用短时间集中注射方式。结论对肿瘤进行药物注射策略选取时,应根据肿瘤具体特性,以及药物施加方式对肿瘤细胞产生的不同作用来组合设计相应的优化施药方案。

摘要:目的对人体在行走时身体发生扭曲、跌倒等情况下股骨可能发生在弯矩和压力复合荷载作用下的受力问题进行研究,为人工股骨头置换的设计和手术提供指导。方法应用大型通用有限元软件ANSYS进行受力分析,根据人体股骨的实际尺寸,采用plate42单元建立平面模型,将股骨头传递的关节力的作用点向外偏移为0mm、5mm、10mm、15mm,模拟股骨头受弯矩作用的情况下股骨应力分布。结果得出了在弯压复合荷载下股骨的变形、应力云图、股骨颈和股骨干上端的截面应力。结论股骨颈存在较大的应力集中现象,股骨颈外侧承受较大的拉应力,股骨颈内侧承受较大的压应力,股骨干在垂直方向上外侧为拉应力,内侧为压应力。随着弯矩的增加股骨的应力有明显增加。

摘要:目的建立人工髋关节置换术后的三维有限元模型,分析研究人工股骨柄、骨水泥和人体股骨的应力分布。方法应用三维重建软件及Pro/Engineer建模软件和ABAQUS有限元分析软件计算分析人工股骨柄中空形状和柄部预处理范围对置换术后假体和人体股骨应力分布的影响。结果(1)倒立圆锥形中空特征的骨水泥固定型股骨柄的应力最小,其股骨柄周围骨水泥近端应力亦较低。(2)具有上涂层骨水泥的股骨柄可使骨水泥近端产生的应力减小,且股骨柄与骨水泥二者之间的剪力和相对滑动亦较小。(3)随着非骨水泥固定型股骨柄微孔涂层范围的增加,人体股骨上的应力范围下移,人体股骨近端的应力减小。结论(1)采用倒立圆锥形中空特征的人工股骨柄有助于降低人体股骨近端与假体接触区的应力遮挡效应。(2)采用股骨柄上涂层骨水泥的方法,可增强股骨柄与骨水泥界面的结合强度,有利于降低人工髋关节置换术后的假体松动。(3)非骨水泥固定型股骨柄微孔涂层范围对人体股骨的应力有明显的影响,微孔涂层范围过大不利于保持适中的人体股骨的应力和股骨柄的固定。

摘要:目的研究开发人工髋关节术前优选系统,为患者选择最优的人工髋关节。方法综合国内外人工髋关节选择的最新成果,对人工髋关节假体的形状尺寸特征进行了全面分析,结合股骨正位X片,制订了人工髋关节的选择原则,并进行几何和力学评价;使用MATLAB和VB混合编程开发人工髋关节术前优选系统。结果制订了优选准则与评价方法,开发人工髋关节术前优选系统。临床初步应用,已为患者成功进行了人工髋关节置换术。结论根据患者股骨正位X片及其股骨特征尺寸,该系统可以准确的为患者选择最优的假体。

摘要:探讨如何既可达到牢固的固定,同时又可最大限度地保留脊柱的运动功能,这将是未来脊柱内固定生物力学发展的趋势。人工寰齿关节的研制是既能重建寰枢关节稳定性,又能保留寰枢关节旋转功能的可行性技术。作者从人工寰齿关节的生物力学学研究、人工寰齿关节设计要求及原理、人工寰齿关节置入的可行性分析、人工寰齿关节置换术适应证等方面综述了近年来的一些研究进展。

摘要:骨强度依赖于骨质量。骨材料固有的力学特性以及骨组织微结构构建是决定骨质量的重要因素。近年来,各种微纳观技术和显微成像技术的应用,使得骨力学研究深入至微纳观水平。作者复习了骨微纳观力学研究方法的若干重要进展以作综述。