• 2011年第26卷第6期文章目次
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    • >专栏
    • 人造微针与生物微针研究进展

      2011, 26(6):487-493. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.493.

      摘要 (2883) HTML (0) PDF 5.82 M (3582) 评论 (0) 收藏

      摘要:微针经皮给药技术是一种新型无痛输药技术,具有广泛的应用前景。本文首先介绍了微针技术的发展历史和现状,分析了人造微针所面临的主要问题,然后介绍了生物微针的研究概况,讨论了人造微针与生物微针存在的差距。由于受现有加工技术的限制,人造微针无法加工出像生物微针那样完美的微纳结构,在材料上也无法像生物微针那样的优化设计;此外,人造微针在刺入方式上也与生物微针有差异,不能像生物微针那样在刺入过程中可以根据各种条件实现主动控制。人造微针要真正达到生物微针那样完美,还有很多问题需要解决。

    • >力学生物学
    • 第二代数字化人体骶骨纵形骨折微创内固定的有限元分析

      2011, 26(6):494-501. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.501.

      摘要 (2817) HTML (0) PDF 10.26 M (2681) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 比较经皮骨盆后方张力带钢板和经皮骶髂螺钉固定Denis 3类骶骨纵行骨折的术后稳定性和力学相容性,为不同类型骨折的内固定术式选择提供依据。方法 采用第2代中国数字化人体“男性第23号”CT和MRI,构建完整骨盆有限元模型,骶骨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区纵形骨折伴同侧耻骨上下支骨折的经皮后方张力带钢板内固定有限元模型,以及这3类骨折的经皮骶髂螺钉内固定有限元模型。根据腰骶脊柱三柱加载模式和骶髂关节生理运动模式采用多方案有限元分析及实验验证。结果 骶骨Ⅰ区骨折时,张力带钢板组(P组)的后环与前环器械应力均比骶髂螺钉组(S组)明显增加,骶骨位移也增加。骶骨Ⅱ区骨折时,P组后环与前环器械应力均比S组减小,骶骨位移明显减小。骶骨Ⅲ区骨折时,P组后环与前环器械应力以及骶骨位移均比S组明显减小。结论 从内固定术后稳定性、骨折愈合的力学相容性及手术操作的安全性等方面考虑,经皮骶髂螺钉比较适合治疗骶骨Ⅰ区纵形骨折的垂直不稳定型骨盆,而经皮后方张力带钢板比较适合治疗骶骨Ⅱ区和Ⅲ区纵形骨折的垂直不稳定型骨盆。

    • 侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应

      2011, 26(6):502-507. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.6.507.

      摘要 (2665) HTML (0) PDF 7.80 M (2652) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 利用三维有限元分析方法研究股骨 骨盆复合体在人体侧向摔倒时冲击载荷作用下的生物力学行为特性。方法 基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织;同时,构建一个刚体平面仿真地面。约束地面刚体,对整个股骨-骨盆-软组织复合体模型施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms。通过三维有限元分析计算获得股骨-骨盆侧摔冲击过程中应力应变变化特性。结果 在13 ms时,股骨大转子处软组织与地面的接触力达到最大值7 656 N,对应的骨盆软组织上的最大等效应力值为2.64 MPa。冲击过程中,耻骨联合处骨皮质上等效应力出现极大值,为142.64 MPa,接近其屈服强度; 股骨颈和大转子处应力水平较高,股骨颈处皮质骨上的最大等效应力值为76.49 MPa;股骨颈处松质骨上的最大等效应力值为8.44 MPa,最大压缩应变值为0.94%;股骨大转子处松质骨上的最大等效应力值为8.50 MPa,最大压缩应变值为0.93%。结论 人体股骨-骨盆复合体在侧摔减速冲击载荷作用下股骨颈、大转子及耻骨联合处易出现骨折。

    • 金属对金属人工髋关节边缘接触效应

      2011, 26(6):508-513. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.513.

      摘要 (2703) HTML (0) PDF 6.16 M (2547) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究金属对金属人工髋关节不同行走姿态下的接触力学行为,特别是大幅度运动可能导致的边缘接触效应。方法 建立球面共型接触的髋关节有限元模型,通过改变髋臼相对股骨头的倾斜状态和对股骨头施加恒定竖直方向载荷相结合,等效模拟分析人工髋关节不同行走姿态下的接触状态。结果 髋臼相对股骨头倾角在小于约60°范围内增加时,其对应的最大接触压力呈下降趋势,接触面积有所增大;当倾角超过80°范围时,关节接触区域因靠近髋臼边缘,最大接触压力位置由初始接触点向髋臼倾斜方向移动了约6°~9°的位置,用以满足压力分布合力与外载荷的平衡,接触压力和分布范围有所增加。结论 髋臼相对股骨头较大倾斜状态极易引起不同的边缘接触现象,置换人体髋关节产生的边缘接触问题需要引起临床外科和关节制造上的重视。

    • 松质骨吸能特性分析

      2011, 26(6):514-520. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.520.

      摘要 (2595) HTML (0) PDF 6.08 M (2630) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 对不同位置、具有不同受力特性的4种松质骨细观模型进行吸能特性分析。方法 使用有限单元法计算在单向冲击荷载下4种模型的吸能特性。结果 根据各个模型的比吸能值,发现棱柱形细观结构模型为理想的吸能模型。为全面了解棱柱形细观结构模型的力学特性,进一步对其进行屈曲分析和扩展分析,发现1阶屈曲荷载为248.11 Mpa,单元间的影响对棱柱模型影响很小。结论 处于不同位置松质骨的4种细观结构模型,可根据受力特点,作为吸能材料的细观结构模型,特别是可作为缓冲吸能复合材料夹层的细观模型。

    • 全脊柱终板抗压强度分布规律的生物力学研究

      2011, 26(6):521-526. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.526.

      摘要 (2726) HTML (0) PDF 4.18 M (2408) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过测量全脊柱不同椎体上下终板不同位点的抗压强度,研究全脊柱终板抗压强度的分布规律。方法 选用5具成年男性新鲜脊柱标本(C3~S1),共225个终板。对终板平面49个测试点用平底压头进行压缩加载试验,获得最大破坏载荷。结果 (1) 全脊柱终板抗压强度呈颈腰椎较强、胸椎较弱趋势(P<0.01)。抗压强度自C3~7逐渐减小,在T1水平增大,然后再次逐渐减小,至T7降至最低,自T8开始增强,至L4达到强度最大值,L5复又降低后,S1再次增大。(2) 除C5 和T1外,下终板抗压强度大于上终板(P<0.01)。(3) 除C5/6, T12/L1 和L5/S1间隙外,椎间隙相邻面上一椎体下终板的抗压强度大于下一椎体上终板。(4)中央至外周抗压强度逐渐增大(P<0.05)。(5)处于不同角度组的压力点,其抗压强度存在差异(P<0.01)。(6) 全脊柱终板不同节段前后强度分布不同(P<0.01)。C3/4后侧终板强度大于前部,C5~7前后部大体持平,至T1再次后部大于前部,经过T2~5过渡段后,自T6~L3出现前部抗压强度大于后部,L4再次相对均衡,至L5、S1出现后部抗压强度大于前部。结论 全脊柱不同节段终板和终板不同部位的强度分布与脊柱生理弯曲关系密切。抗压强度下终板高于上终板,外周大于中央,椎间隙相邻面上一椎体下终板大于下一椎体上终板。

    • 脱钙过程中松质骨骨量、微结构和声学参数的相关性研究

      2011, 26(6):527-533. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.533.

      摘要 (2696) HTML (0) PDF 5.35 M (2623) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究脱钙过程中松质骨的超声声学参数、骨量和骨微结构的变化,以及骨量、骨微结构和声学参数的相关性。方法 15块长方体松质骨样本经脱脂后进行分阶段脱钙,对脱钙前样本和经每一阶段脱钙的样本进行Micro CT扫描和超声测量,计算得到脱钙过程中骨量与骨微结构参数和超声声学参数,对超声声学参数与骨量和骨微结构参数进行相关性分析。结果 随着松质骨样本钙的流失,骨密度、骨表面密度和骨小梁体积比不断降低,骨小梁形态参数(结构模型因子和骨小梁面积比)上升,骨小梁的厚度和数目下降,骨小梁间隙增大,各向异性程度上升;声传导速度先升后降,宽带超声衰减呈现轻微的下降趋势;松质骨的声学参数与骨密度和骨微结构都有较强的相关性。结论 超声声学参数不但与骨密度,而且和骨微结构相关,定量超声技术有望为基于超声的骨质疏松早期诊断技术的发展提供参考。

    • 一种新型机械应变细胞加载装置的研制

      2011, 26(6):534-539. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.539.

      摘要 (2649) HTML (0) PDF 5.39 M (2569) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究开发一套具有自主知识产权的数控机械应变细胞加载装置,为细胞力学研究提供必要的研究手段。方法 加载装置基于圆形基底形变技术,采用数字式测控系统和基于PC机平台的专用软件,实现对体外培养细胞加载牵张应变。采用MTT比色实验检测人牙周膜细胞在弹性硅橡胶细胞培养膜上的附着生长能力。采用该装置对体外培养人牙周膜细胞加载1%、10%、20%拉伸应变0.5、1和24 h,倒置相差显微镜观察细胞形态、排列的变化。结果 数控机械应变细胞加载装置可对体外培养细胞加载不同强度、频率和时间的拉伸应变,具有输出应变范围大、精度高、操作方便、显示直观等优点。硅橡胶膜和对照细胞培养板接种细胞1、2、4、7、8 d后,MTT比色实验光吸收值之间无统计学差异(P>0.05),显示弹性硅橡胶膜具有良好的细胞附着生长能力。人牙周膜细胞加载10%、20%拉伸应变24 h后,细胞形态、排列发生改变,胞体呈长梭形,并成栅栏状平行排列,细胞长轴垂直于拉伸应变方向。结论 数控机械应变细胞加载装置可有效地对体外培养细胞加载动态机械拉伸应变,为体外细胞力学研究提供了必要的研究手段。

    • 单脉冲和双脉冲液电式体外冲击波粉碎结石术的数值模拟

      2011, 26(6):540-546. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.546.

      摘要 (2697) HTML (0) PDF 5.33 M (2500) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过数值模拟研究体外冲击波粉碎结石术(extracorporeal shock wave lithotripsy,ESWL)中单脉冲与双脉冲两种不同情况下的压力场,并对两者结果进行比较和分析。方法 利用2D轴对称Euler方程和混合网格改进的时空守恒元解元(space time conservation element and solution element,CE/SE)数值格式,对ESWL中冲击波水下传播的压力场进行模拟。结果 CE/SE方法成功地追踪了冲击波波阵面传播情况,数值解较好地展示了ESWL焦点附近的冲击波聚焦特性:在焦点附近双脉冲产生的压力峰值约为单脉冲的两倍,越靠近焦点处双脉冲ESWL所得到的碎石效率相较于单脉冲时越高,且在焦点附近产生正压随后出现了绝对值极高的负压。结论 采用液电双脉冲波源机型能够有效地提高碎石效率,并且冲击波聚焦时出现空化是不可避免的。上述结论为ESWL碎石机的设计制造及临床应用提供了可靠的数值模拟结果。

    • 心肌桥壁冠状动脉血液动力学数值模拟

      2011, 26(6):547-554. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.554.

      摘要 (2745) HTML (0) PDF 6.00 M (2701) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 数值模拟心肌桥壁冠状动脉血液动力学,探索心肌桥壁冠状动脉近心端易发生动脉粥样硬化的血液动力学机理。方法 建立随心搏运动的局部狭窄直圆管模型模拟心肌桥壁冠状动脉形态学,管壁为薄壁线弹性体,血流遵循不可压缩牛顿流体的一维管流方程组,用Lax-Wendroff方法数值求解。 结果 心肌桥壁冠状动脉血液动力学与正常冠状动脉血液动力学相比有很大差异,血流量﹑壁切应力和壁切应力梯度均不同。在心肌桥壁冠状动脉中,近心端壁切应力及壁切应力梯度的变化要远大于远心端。对于有两段心肌桥的情况,它们的壁切应力和壁切应力梯度变化趋势基本一致,但距心室较远的心肌桥,其壁切应力和壁切应力梯度要大于靠近心室的那段心肌桥,且随时间的变化程度也更剧烈。结论 数值模拟结果表明,心肌桥壁冠状动脉血液动力学不同于正常冠状动脉血液动力学,近心端壁切应力及壁切应力梯度的变化要远大于远心端,从而对动脉管内皮细胞产生重要影响,这可能是心肌桥壁冠状动脉近心端易发生动脉粥样硬化的血液动力学机理。

    • 基于时域太赫兹波谱法的降糖类药物分类与分析

      2011, 26(6):555-559. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.559.

      摘要 (2745) HTML (0) PDF 4.45 M (2645) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 根据降糖类药物在太赫兹频域范围的吸收光谱,研究他们各自基团的振动频率及其共振峰,以有效鉴别各种相似药品,同时也为明确不同分子基团振荡在药理上的贡献打下基础。方法 利用时域太赫兹波谱系统对格列喹酮、格列吡嗪、格列齐特、格列美脲、瑞格列奈和二甲双胍6种降糖药进行检测,得到他们在0.3~3.0 THz范围内的吸收谱;同时选取1.5~2.0 THz范围内的分类特征数据,用支持向量机的方法,分别对这些降糖药的特征数据进行鉴别。结果 4种磺脲类降糖药都在1.37 THz处有一明显的共振峰。根据吸收谱,能够很轻易地区分出瑞格列奈和二甲双胍与磺脲类药物的差别;而在支持向量机的帮助下,4类磺脲类药物也可被100%准确区分出来。结论 太赫兹作为一种新的检测手段,在药物鉴别、药物品质控制、化学键/功能基团识别等方面有着积极的意义。

    • 不同基底静态加载方式对兔肌成纤维细胞(前体)表达α-SMA的影响

      2011, 26(6):560-565. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.565.

      摘要 (2567) HTML (0) PDF 6.34 M (2753) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过对不同分化阶段的兔肌成纤维细胞及前体施加不同的基底应变刺激,研究此过程中细胞表达α-SMA的时间剂量关系。方法 选取异体蛋白植入法获得5 d和7 d的肌成纤维细胞(前体),培养于弹性膜上;利用基底静态拉伸对其分别施以应变从0%~3%和3%~6%的分段载荷及0%~6%的阶跃式载荷。结果 3 d阶段的肌成纤维细胞(前体)没有表达α-SMA;5~7 d阶段可以监测到α-SMA的表达;在10~15 d阶段则表达显著增强(P<0.01)。两种加载方式下,α-SMA的表达量均显著增加;分段加载作用下SMA的表达量更高。结论 肌成纤维细胞(前体)α-SMA受基底静态拉伸后表达增加,且对不同的加载方式能做出不同的响应,提示在肌成纤维细胞的分化和愈伤反应过程中,力学因素扮演着十分重要的角色。

    • 基底硬度对肝细胞与肝癌细胞迁移行为的影响

      2011, 26(6):566-573. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.573.

      摘要 (2652) HTML (0) PDF 7.73 M (3407) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过比较不同硬度基底对肝细胞和肝癌细胞迁移特征的影响,研究肿瘤细胞迁移行为变化的成因。方法 运用免疫荧光染色、形态学分析法和Transwell侵袭实验,观察不同硬度基底上HCCLM3和L02细胞的形态特征及对细胞运动能力进行检测和定量分析。结果(1)相对于极软(0.5 kPa)和极硬(玻璃)基底,HCCLM3和L02细胞在较软基底(4 kPa)上具有较高的迁移速率和迁移净距离,且L02细胞表现出高的迁移效率。(2) HCCLM3和L02细胞在不同硬度基底上均方位移趋势一致, 较软基底上L02细胞具有较高的方向持续能力。(3) 0.5和1 mg/mL三维胶原基质中, HCCLM3细胞穿透基底膜的个数分别显著多于L02细胞穿透基底膜的个数;加入40 μg/mL水解酶抑制剂GM6001后, HCCLM3细胞穿透基底膜的个数显著增加, 而L02细胞穿透基底膜的个数显著减少。结论 (1) 二维较软基底上,L02细胞因有较高的方向持续能力而表现出高的迁移效率。(2) 三维胶原基质中,HCCLM3细胞以不同迁移模式适应周围环境,从而表现出更大的侵袭能力。

    • 间歇牵拉应变对大鼠骨髓间充质干细胞增殖与成骨分化的影响

      2011, 26(6):574-579. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.06.579.

      摘要 (2605) HTML (0) PDF 4.96 M (2494) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨体外间歇拉伸应变对大鼠骨髓间充质干细胞(rat bone mesenchymal stem cell, rBMSC)的增殖与成骨分化效应。方法 应用Flexcell-4 000应力系统,将间歇拉伸应变(振幅10%,频率0.5 Hz,每天作用2次,4 h/次)作用于体外分离培养的正常rBMSC,加力1、3、5、7 d后检测应力对细胞形态改变、细胞增殖及骨形成核心结合因子Cbfα1、碱性磷酸酶(ALP)和I型胶原等成骨基因和Cbfα1蛋白的影响。结果 rBMSC在间歇牵拉应力作用1 d后即出现增殖速度减缓,一直延续到加力第7 d,ALP和I型胶原等成骨基因的表达自加力3 d后升高了3~6倍(P<0.05),并且Cbfα1的基因和蛋白表达在力学刺激下都出现上调。结论 力学刺激在rBMSC的增殖与分化中起重要作用,适宜的间歇拉伸应变可以减缓BMSC的增殖,促进其成骨分化。

    • >感觉系统生物力学
    • 下肢截肢残端肌肉萎缩的生物力学研究进展

      2011, 26(6):580-584. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.6.584.

      摘要 (2585) HTML (0) PDF 4.11 M (2466) 评论 (0) 收藏

      摘要:下肢截肢后残端的肌肉萎缩现象一直是困扰截肢患者临床康复和运动能力恢复的重要因素。了解其发生发展机理将对截肢手术、训练恢复方式和假肢设计的改进等具有重要意义,这也是目前假肢康复领域非常关注的问题之一。为此,本文围绕肌肉萎缩研究手段和模型、残端力学特征、微观病理特征、以及预防策略等方面,对近年来这一领域的研究进行了综述。残端特殊的生理和力学环境对于肌细胞生长以及肌肉蛋白合成分解代谢动态平衡的影响还有待深入研究和完善,导致残端肌肉萎缩的根本原因还有待进一步证实。

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