摘要:黏附细胞的细胞骨架是自然界中最为复杂的软体材料，他由上百种蛋白质构成，不同蛋白质之间存在相互作用，蛋白质分子聚合成链并团聚成致密的网络结构。细胞骨架的化学与物理结构如此复杂，理解其动力学行为自然具有巨大的挑战性，并且需要生物学、化学、物理学、生理学等多学科的共同努力。近年来，关于细胞骨架动力学的研究已经成为了新的热点，并正在逐步揭示出一些重要的细胞骨架动力学行为规律。例如，细胞骨架是远离热力学平衡状态的物理系统，内部结构存在显著的预应力，流变学行为与时间尺度无关，在短暂拉伸后会迅速流态化等。这些行为规律很可能对于细胞的许多重要功能，如黏附、迁移、分化等，发挥重要的调控甚至决定作用，进而参与相关疾病的病理生物学过程。这篇综述里将简要地介绍上述若干细胞骨架动力学行为，分析和讨论相关的研究结果及其重要意义。

摘要:细胞与分子生物力学是生物力学的前沿领域，也是力学与生命科学的前沿交叉领域，其基础性和复杂性对生物力学的研究提出了很多挑战性的问题。本文将围绕细胞的力学性质及模型，力学与化学的耦合问题，以及多尺度的力学建模等几个问题进行简要论述和思考，同时对本专栏中的论文进行了简要的介绍和评述，以期引起生物力学工作者以及广大力学工作者的兴趣和共鸣。

摘要:目的 研究由表达于人中性粒细胞表面的β2整合素与胞间黏附分子-1（intercellular adhesion molecule-1, ICAM-1）裱衬表面相互作用介导人中性粒细胞铺展的动力学过程。方法 以裱衬2%人血清白蛋白（human serum albumin, HSA）和空白的底板为对照，分别考察裱衬了10、20和100 μg/mL ICAM-1的底板上人中性粒细胞铺展比例随时间的变化规律。通过流式细胞仪检测人中性粒细胞β2整合素的表达量，以及采用抗体阻断β2整合素的CD11a或CD11b亚基，观察其在100 μg/mL ICAM-1裱衬表面细胞铺展比例随时间的改变情况。结果 中性粒细胞在裱衬2% HSA的表面不铺展，在裱衬ICAM 1表面的铺展动力学依赖于ICAM-1浓度，并与β2整合素表达量相关；抗CD11b抗体阻断后，中性粒细胞在裱衬ICAM-1表面的铺展明显减少。结论 人中性粒细胞在ICAM-1表面的铺展是由β2整合素与其配体ICAM-1特异性相互作用介导的，并且CD11b亚基对铺展过程起主要调控作用。

摘要:目的 研究剪切应力与心肌细胞裂解液联合应用对骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）心肌向分化的影响。方法 分离新生乳鼠的心肌细胞并制成心肌细胞裂解液，自成年大鼠骨髓中分离培养BMSCs，分为对照组（A组）、剪切应力组（B组）、心肌细胞裂解液组（C组）和剪切应力+心肌细胞裂解液组（D组）。用RT RCR、免疫细胞化学染色和Western blotting检测诱导后BMSCs心肌细胞相关因子的表达。结果 B、C、D组均表达心肌细胞相关因子的mRNA和蛋白，D组表达明显高于B组或C组。结论 剪切应力与心肌细胞裂解液联合应用可以更好地诱导BMSCs分化为心肌样细胞，为科研和临床应用提供种子细胞，有助于生物反应器的合理设计。

摘要:目的 研究周期机械拉伸加载对大鼠骨髓间充质干细胞增殖的影响及其相关力信号转导分子。方法 应用周期机械拉伸加载装置研究不同参数的周期机械拉伸加载对大鼠骨髓间充质干细胞生长的影响。RT-PCR法检测c-fos mRNA表达的变化，Western blotting分析细胞外信号调节激酶（ERK1/2）磷酸化水平及c-fos蛋白表达的变化。结果 适宜的机械拉伸加载可以明显促进大鼠骨髓间充质干细胞增殖，在频率1 Hz、形变量10％、拉伸15 min且静止6 h的条件下可以使细胞数量增加到对照组的1.4倍，c-fos mRNA和蛋白的表达显著增加。Western blotting检测证实，周期性机械拉伸加载明显促进ERK1/2磷酸化，却不影响ERK1/2总蛋白（t-ERK1/2）的表达水平。抑制剂PD98059显著抑制了机械拉伸对细胞增殖的促进作用，同时抑制拉伸诱导的ERK1/2磷酸化及c-fos基因和蛋白的表达水平。结论 ERK1/2信号分子的活化在周期性机械拉伸加载调控大鼠骨髓间充质干细胞增殖的过程中起着重要作用，且该通路可能通过转录因子的调节促进rBMSCs的增殖。

摘要:目的 针对经典细胞牵引力反演算法的病态特征，发展基于二维傅立叶空间的高分辨率细胞牵引力反演新技术。方法 根据基底表面位移测量数据和积分核函数在二维傅立叶空间各自的分布特点和规律，探讨牵引力反演过程中出现的反卷积病态现象，构建一套自适应加窗滤波算法来约束反演计算过程中出现的高频噪声放大效应。结果 经典细胞牵引力频域反演算法（Fourier transform traction cytometry, FTTC）具有明显的反卷积病态特征，特别是在位移采样网格较密情况下，牵引力反演结果极不可靠。利用本文提出的频域滤波方法则能显著削弱位移场高频噪声对于力反演结果的影响。结论 这种细胞牵引力频域反演新方法可有效抑制反问题病态现象的发生，显著提高力场测量的稳定性和空间分辨率。该方法有望在细胞与胞外基质相互作用研究中得到广泛应用。

摘要:目的 探讨细胞联合培养杯膜的孔径对生物大分子通透的影响，解决血管细胞分子力学生物学实验的关键技术问题。方法 以杯底PET膜孔径为0.4 μm和1.0 μm的两种型号细胞联合培养杯作为研究对象，将大鼠血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells, VSMCs）和内皮细胞（endothelial cells, ECs）分别种植于联合培养杯底PET膜的内外侧面。实验分为EC/VSMC联合培养施加低切应力组、PET膜未接种细胞静止组、PET膜单侧接种细胞静止组和PET膜双侧接种细胞静止组。ELISA检测低切应力组ECs侧和VSMCs侧培养液中血小板源性生长因子（platelet-derived growth factor BB, PDGF BB）含量，Western blotting检测重组PDGF-BB（rPDGF-BB）刺激后，各组细胞内信号转导分子p-ERK1/2和p-Akt以及核骨架蛋白Lamin A的表达变化。结果 EC/VSMC联合培养施加0.5 Pa层流低切应力12 h后，0.4 μm联合培养杯VSMCs侧PDGF BB浓度显著高于ECs侧。0.4 μm和1.0 μm两种孔径的PET膜未接种细胞时，rPDGF-BB上调了隔开培养细胞的p ERK1/2和p-Akt表达，并下调Lamin A表达。PET膜外侧面接种单层细胞时，rPDGF-BB上调了对侧细胞的p-ERK1/2和p-Akt表达，并下调Lamin A表达。PET膜内外侧面均接种细胞时，rPDGF-BB仅能影响0.4 μm PET膜同侧细胞的p ERK1/2、p-Akt和Lamin A表达，对对侧细胞无明显作用；而1.0 μm PET膜两侧细胞的p-ERK1/2、p-Akt和Lamin A表达无显著性差异。结论 两种有孔PET材料本身均允许生物大分子的通透，而细胞接种会影响有孔PET膜对生物大分子的通透。0.4 μm孔径PET膜两侧均接种细胞时，对生物大分子的通透明显减弱，更接近于在体情况。

摘要:目的 在人工髋关节润滑系统研究中，对基于计算流体动力学和流固耦合技术的方法与传统的雷诺方程法进行比较。方法 以金属对金属的全置换髋关节系统为研究对象，使用商业软件Adina作为计算平台，分别建立刚性和弹性流体动力学模型。结果 使用基于计算流体动力学和流固耦合技术得到的润滑膜厚度曲线，中部有比较明显的凹陷现象，相较于传统的雷诺方程法得到的结果更为合理；人工髋关节系统的髋臼杯和股骨头的流固耦合表面在所施加的载荷的作用下发生了明显的弹性变形，且该变形和流体域中的压力分布相一致。结论 使用基于计算流体动力学和流固耦合技术的方法计算人工髋关节系统的流体动力润滑性能比传统的雷诺方程法更为全面合理。

摘要:目的 设计一种新型动态力加载装置，研究牙合力对镍铬烤瓷合金中镍离子释放的影响。方法 依据人咀嚼的平均力(45 N)和频率(80次/min)设计一种动态牙合力加载装置。运用该装置研究3种常用镍铬烤瓷合金（上齿牌、Stellite、BEGO）分别在pH 2.3和pH 7.0的人工唾液中镍离子的释放量。结果 新型动态牙合力加载装置能够模拟咀嚼频率进行人体平均力的加载。当pH 2.3时，上齿牌、Stellite和BEGO 3种镍铬烤瓷合金镍离子释放量分别为 6.9(2.07) μg/cm2、3.7(0.662) μg/cm2和5.88(1.57) μg/cm2；当pH 7.0时，分别为0.272(0.059) μg/cm2、0.144(0.014) μg/cm2和0.435(0.053) μg/cm2。同种镍铬烤瓷合金材料在pH 2.3的人工唾液中镍离子的释放量均远大于在pH 7.0环境下的释放量，两者具有显著的统计学差异（P<0.01）。结论 动态力加载装置可有效地被用于体外研究牙合力对镍离子释放的影响。酸性环境可明显加快镍铬烤瓷合金中镍离子释放。本研究中Stellite镍铬烤瓷合金释放的镍离子量相对最少。

摘要:目的 研究大鼠皮质骨上植入物造成的机械性显微损伤的修复机制。方法 30只SD大鼠随机分为两组，一组行卵巢切除术，另一组行假手术。3个月后在右侧胫骨行钻孔术，分别于钻孔后1、2、4周后处死，处死前注射四环素和钙黄绿素进行标记。将含有钻孔的骨段（1 cm）应用大块碱性品红染色，甲基丙烯酸甲酯包埋后切成约50 μm厚的切片。应用Bioquant图象分析系统对切片进行骨形态计量学分析。结果 去卵巢大鼠和假手术大鼠都出现了与显微损伤有关的骨吸收腔，其中去卵巢组的孔隙率和骨吸收腔明显高于假手术组（P＜0.05）；随着术后时间的延长，吸收腔的数目逐渐增加，各时间点之间的差异有明显的统计学意义（P＜0.05）。结论 去卵巢大鼠的孔隙率和骨吸收腔数明显高于假手术大鼠，反映了在雌激素缺乏和较多裂纹形成两种因素刺激下，去卵巢大鼠皮质骨内的重建更为活跃，这会降低骨的强度从而增加骨折的危险性。

摘要:目的 验证自行研制的新型前置肱骨中下段解剖锁定钢板（以下简称新型钢板）的力学特性，为改进设计以及临床应用提供理论依据。方法 采集20例防腐肱骨标本，进行肱骨中下段骨折钢板构件的生物力学测试，比较新型钢板（A组）与4.5 mm有限接触动力加压钢板（limited contact dynamic compression plate, LC DCP）（B组）在压缩、弯曲（正向、侧向）和扭转载荷下的生物力学性能。结果 新型钢板固定肱骨中下段骨折在4种不同载荷下的刚度、强度和应力遮挡的结果均优于4.5 mm LC DCP，具有显著性差异（P＜0.05）。结论 新型钢板能够满足肱骨干中下段骨折固定术后早期功能锻炼需要，具有较大临床应用价值。

摘要:目的 研究上呼吸道内涡结构特征及其演化形式，深入认识上呼吸道内气流运动特性，对于分析气溶胶在人体上呼吸道内的扩散、转捩以及沉积模式具有重要作用。方法 应用大涡模拟的方法，对人体在低强度呼吸条件下上呼吸道内的气流涡结构及其运动特性进行了数值仿真研究，讨论了人体口喉模型以及气管支气管内的涡结构演化过程和涡结构特征。结果 气流在咽部、喉部形成两次射流，导致气流在咽部和喉部出现两个主要的涡量增长区，咽喉部位形成扁平涡，在靠近气管中心偏向前壁的位置出现一个“类壁弯涡”，气管内出现了以接近对称的反向旋转涡对；G0气管末端的涡量由壁面向中心处扩展，并随着流动向G1支气管内延伸，各级支气管中涡量并不是对称分布的。结论 涡结构特征及其演化形式是上呼吸道内气流运动的显著特点，气道结构特点是引起不同尺度涡结构演化的主导因素。

摘要:目的 开发小尺度三维形貌测试系统，测量前牙唇面的天然纹理特征，为个性化牙齿修复技术提供实用数据。方法 结合体视显微镜及三维数字图像相关方法，研制适用于小尺度物体三维形貌测量的测试系统及软件，评价系统测量精度，测量人体上颌左侧侧切牙唇面的三维形貌特征。 结果 在17 mm×12 mm的视野范围下，测试系统的精度在面内为0.6 μm，离面为5.4 μm。测得牙列唇面两条横纹的物理尺寸，其中，长横纹深度83 μm，长度5.28 mm;短横纹深度41 μm，长度4.24 mm，两条横纹的间距2.85 mm。结论 小尺度三维形貌测试系统可以精确测量牙唇面的微观纹理特征。

摘要:目的 针对颜面短小患者建立下颌骨及咀嚼肌模型，通过有限元方法研究牵张成骨过程中下颌骨的形变规律，并与患者实际手术效果进行对比，为类似病例的治疗过程提出改进意见。方法 依据临床颜面短小患者原始数据，结合MIMICS医学影像控制系统软件，运用三维重建技术构造患者下颌骨及咀嚼肌的实体结构，最后导入ANSYS有限元软件完成单侧下颌骨延长的有限元模型，并模拟手术效果。结果 所建立的术前术后有限元分析模型具有数字化、个性化特征。结论 数值模拟结果与手术效果进行对比，重合度较好，可以为不同病情的病人术前提供个性化的手术指导。

摘要:目的 为消除传统滑膜算法固有的抖震现象对控制器及被控对象的影响，使主动脉内血泵准确地响应人体的生理需求，本文设计了基于全程滑膜算法(global sliding mode controller, GSMC)的主动脉内血泵控制器。方法 采用动态干扰补偿算法来估算主动脉内血泵控制系统的不确定性, 并利用计算机仿真实验和体外循环实验来验证控制系统的动态特性和稳定性。结果 由于通过动态干扰补偿算法估算系统不确定性，消除了滑膜算法固有的抖震现象。当系统设定流率为5 L/min时，系统的响应时间为80 ms，并且不存在超调和稳态误差。当控制器的负载转矩增加到0.4 N·m时，控制器的响应时间为25 ms。当输入一个搏动的流量信号作为控制系统的设定流率时，其动态响应时间为80 ms，流速最大误差为0.03 L/min。在体外循环实验中，由于实验中转速信号和流速信号的反馈频率低于理想情况，所以控制器的效果相比于计算机模拟有所下降。实验结果显示，当设定流率为5 L/min时，该控制器的响应时间是0.26 s，流率的误差为0.1 L/min。结论 本文提出的控制器可以根据参考流量的要求准确地调节主动脉内血泵，并且对于系统的干扰和不确定性有良好的鲁棒性。由于动态干扰补偿算法的应用，算法的输出不存在抖震现象。

摘要:目的 应用表面肌电比较老年人和年轻人在侧向姿势干扰下的神经肌肉反应，为深入研究老年人侧向姿势控制能力下降的机制提供理论依据。方法 利用足底水平干扰触发平台对14名老年人和14名年轻人进行突发侧向姿势干扰。表面肌电测试系统收集受试者左侧腓骨长肌、胫骨前肌、臀中肌和竖脊肌的肌电反应信号。结果 对于突发侧向姿势干扰，老年人胫骨前肌、臀中肌和竖脊肌的神经肌肉反应时明显延迟，并且腓骨长肌、胫骨前肌和臀中肌肌电振幅达峰值的时间明显延长。结论 应对突发姿势变化时，老年人踝关节、髋关节和躯干肌肉反应延迟以及踝关节和髋关节肌肉收缩效率不高，可能是老年人侧向姿势控制能力下降的主要原因。