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2015年第30卷第1期文章目次

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    • 1  目录
    医用生物力学编辑部
    2015, 30(1). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01..
    [摘要](3916) [HTML](0) [PDF 353.15 K](3949)
    摘要:
    2  封面
    医用生物力学编辑部
    2015, 30(1). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01..
    [摘要](3896) [HTML](0) [PDF 1.03 M](3788)
    摘要:
    3  在高血压动脉重建中microRNA-21对血管平滑肌细胞细胞外基质表达的调控作用
    沈宝荣 ,  姚庆苹 ,  吴广亮 ,  齐颖新 ,  姜宗来
    2015, 30(1):1-7. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.001.
    [摘要](2562) [HTML](0) [PDF 1.40 M](4111)
    摘要:
    目的 探讨在高血压动脉重建中microRNA-21（miR-21) 对血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells, VSMCs）细胞外基质（extracellular matrix, ECM）的调控作用及其机制。方法 建立腹主动脉缩窄型大鼠高血压模型，大鼠分为假手术对照组、高血压2周组和高血压4周组；对体外培养的大鼠主动脉 VSMCs 施加频率为1.25 Hz周期性张应变，加载幅度分别为0%（静态对照组）、5%（正常张应变组）、15%（模拟高血压状态的高张应变组），加载持续时间均为12 h。采用Western blotting和Real time RT-PCR 技术，分别检测动脉和细胞样品ECM以及miR-21的表达。用miR-21特异干扰片段抑制培养的VSMCs miR-21表达，然后检测VSMCs的ECM、miR-21和Smad 7表达变化。结果 与假手术对照组相比，高血压2周组胸主动脉ECM和miR-21的表达显著上升；高血压4周组胸主动脉的I型胶原、III型胶原和miR-21表达显著上升。与静态对照组和5%张应变组相比，15%张应变组VSMCs的I型胶原表达无显著变化，而III型胶原表达显著升高，Smad 7表达显著下降，周期性张应变增强VSMCs的miR-21表达。干扰miR-21降低周期性张应变状态下VSMCs的miR-21表达以及III型胶原蛋白水平表达，上调VSMCs的Smad 7表达。结论 高血压血管重建导致大鼠胸主动脉ECM和miR-21高表达。周期性高张应变可诱导VSMCs的miR-21高表达，再通过其调节Smad 7蛋白，进而调控VSMCs的ECM，尤其是III型胶原的表达，参与高血压血管重建。
    4  行走过程中不同背包负重方式对人体生理参数的影响
    赵美雅 ,  倪义坤 ,  田山 ,  唐桥虹 ,  王丽珍 ,  樊瑜波
    2015, 30(1):8-13. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.008.
    [摘要](2294) [HTML](0) [PDF 609.74 K](4427)
    摘要:
    目的 针对背包重物集中放置在底部的传统集中式负重方式，研究将重物分散放置的非均匀负重方式对人体生理参数的影响。方法 非均匀负重分布方式主要将背包空间按上、下、左、右分为4个空间，重物按1/2∶1/2、1/4∶3/4和3/4∶1/4三种比例放在左下和右上两个位置，剩余两个空间用对应体积大小的塑料泡沫填充。利用肌电测量系统和三维运动捕捉系统测量10名健康志愿者以1.1 m/s的速度在跑步机上负重10%自身体重行走30 min前后姿势、肌肉疲劳、心率和血压的变化，以及停止行走后0、5、10和15 min时肌电参数变化情况。结果 右上位置负重增加明显，导致斜方肌肌肉疲劳上升和前倾角增大，相同背包重量下非均匀分布方式与传统负重方式对肌肉疲劳的影响区别不大，左下和右上重量比为3/4∶1/4的分布方式对身体姿势影响不明显。此外，将重物同比例左下右上放置比传统负重方式更有利于降低对心率和血压的影响。结论 采取合理的重量分布方式可保证躯干姿势不受影响，同时有利于降低对心率和血压的影响。因此，背包设计可考虑重物交叉分布，且对等式分布质量。
    5  力诱导循环血流中白细胞整合素LFA-1的激活机制
    童洁 ,  刘黎 ,  吴建华 ,  方颖
    2015, 30(1):14-20. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.014.
    [摘要](3292) [HTML](0) [PDF 917.12 K](3939)
    摘要:
    目的 探讨白细胞整合素LFA-1活化的力学调控机制。方法 利用Mg2+将LFA-1从静息态趋化为中等亲和态，并结合流动腔实验，在4.5~10 mPa流体壁面剪应力条件下，观察分析LFA-1介导的Jurkat细胞拴缚事件；同时建立整合素亲和态跃迁概率模型。结果 理论模型可以很好地拟合流动腔实验数据。在拉力作用下，LFA-1的亲和态将发生从中到高的跃迁，导致黏附分子键的延长；细胞拴缚事件的发生概率为15%~26%，LFA-1在键存续时间的后26%~40%时段内将处于高亲和态；相较于中等亲和态而言，高亲和态LFA-1的解离速率要慢19%~65%, 两者均呈现力依赖性，前者受逆锁键调控，后者涉及逆锁键到滑移键的转换。结论 力通过诱导循环血流中LFA-1的激活介导白细胞的慢速滚动和稳定黏附。这一力诱导的LFA-1激活过程，将加深对循环白细胞炎症响应事件的理解，并促进相关疾病抗体药物靶标的发现。
    6  巩膜胚后发育过程中巩膜组织结构及生物力学特性变化
    郝爽 ,  邓爱军 ,  王国辉
    2015, 30(1):21-24. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.021.
    [摘要](2423) [HTML](0) [PDF 765.73 K](4174)
    摘要:
    目的 探讨兔巩膜组织在不同月龄期的形态结构及生物力学性能变化。方法 选择1、2、3月龄新西兰大白兔，取眼球，测量眼球直径和眼轴长度；获取巩膜组织，测量巩膜组织厚度，一部分巩膜组织固定后进行HE染色观察巩膜结构，一部分巩膜组织固定后通过电镜观察胶原原纤维，另一部分巩膜组织制成巩膜条带，用Instron 5544试验机检测巩膜的弹性模量。结果 眼球直径、眼轴长度和巩膜的厚度随月龄增加而增大。巩膜组织的弹性模量随月龄增加而增大。巩膜组织中巩膜成纤维细胞数量随月龄增加而减少，纤维束增多变粗。胶原原纤维直径随月龄增加而增大。结论 在巩膜胚后生长过程中，眼球和巩膜的结构不断发生变化，胶原纤维不断增多、变粗，巩膜组织的生物力学性能也随之提高，了解巩膜胚后生长发育机制可为巩膜相关疾病的防治提供理论指导。
    7  膝关节股骨远端软骨硬化前后力学性能分析
    崔晓倩 ,  王辅忠 ,  张惠春
    2015, 30(1):25-29. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.025.
    [摘要](2131) [HTML](0) [PDF 633.11 K](3416)
    摘要:
    目的 建立膝关节有限元模型，研究正常及软骨硬化情况下膝关节的应力、应变变化，为临床治疗膝关节骨性关节炎提供参考。方法 通过Mimics、ANSYS 等软件结合正常膝关节CT 扫描图像数据，建立膝关节三维有限元模型，并施加350 N压力载荷，设定软骨硬化前后相关的材料参数，分析膝关节主要组织的应力、应变改变情况。结果 膝关节股骨远端软骨硬化后，关节软骨的减震和传递负荷等作用基本消失；股骨应力、应变变化量最大，受力分布极不均匀，股骨前端应力、应变较内、外侧髁明显，整体受力也有明显增加；半月板的应力、应变值最大。结论 长期的软骨破坏会影响关节软骨营养代谢，导致骨性关节炎疾病进一步恶化。研究结果可以较好阐释骨性关节炎发病过程和机理，同时为建立参数化研究系统提供相关数据。
    8  冲击载荷作用下运动员下肢动态响应的逆向动力学仿真
    刘述芝 ,  胡志刚 ,  张健
    2015, 30(1):30-37. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.030.
    [摘要](2478) [HTML](0) [PDF 3.05 M](3627)
    摘要:
    目的 分析冲击载荷作用下羽毛球运动员下肢关节肌肉的动态响应变化。方法 基于AnyBody Modeling System软件建立人体肌骨模型，采用实测表面肌电信号进行验证，以运动捕捉系统和测力台测量数据进行模型驱动，对羽毛球右前场蹬跨步上网过程中下肢肌肉肌力、关节力和关节力矩进行逆向动力学仿真与分析。结果 所建人体下肢肌骨模型经肌电信号验证有效。羽毛球蹬跨步上网过程中，髋、踝关节Z方向内力峰值显著高于X和Y方向内力峰值，而膝关节X方向内力峰值显著高于Y和Z方向内力峰值；缓冲期，髋关节X、Y、Z方向依次表现为内收力矩、伸髋力矩和内旋力矩，膝关节X、Y、Z方向依次表现为外展力矩、屈膝力矩、外旋力矩，踝关节X、Y方向依次表现为内翻力矩、跖屈力矩，且髋、膝、踝关节X方向力矩峰值显著高于Y和Z方向；股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧在对抗地面冲击载荷时的肌力发挥较大，股直肌、半膜肌、比目鱼肌发挥的作用相对较小。 结论 建立的下肢肌骨模型可为冲击载荷作用下运动员下肢生物力学特性分析提供技术平台。为避免运动损伤，类似羽毛球前场蹬跨步上网冲击动作中尤其要重视触地瞬间地面反作用力载荷对髋、膝、踝关节前后及内外侧方向生物力学性质的影响，同时在对羽毛球运动员进行专项训练时切勿忽视对股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌的专项力量发展。
    9  不同部位植入微种植钉进行前方牵引时上颌骨旋转趋势
    罗晨 ,  秦晓中 ,  曾照斌 ,  冯雪
    2015, 30(1):38-42. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.038.
    [摘要](2350) [HTML](0) [PDF 2.33 M](3084)
    摘要:
    目的 研究在不同部位植入微种植钉进行前方牵引时上颌骨旋转趋势的差异，以期为临床正畸选择合适的种植钉植入部位提供参考和依据。方法 在建立的微种植钉辅助上颌骨进行前方牵引的三维有限元模型基础上，分别将微种植钉植入在上颌颧牙槽嵴区和前牙区（双侧侧切牙与尖牙牙根上方6 mm），分析500 g牵引力在不同牵引部位及方向条件下上颌骨旋转趋势的差异。结果 在颧牙槽嵴区进行牵引时，上颌骨主要呈逆时针旋转趋势；在前牙区进行牵引时，上颌骨主要呈顺时针旋转趋势。结论 当治疗反覆合较深的患者时，选择在颧牙槽嵴区进行牵引会有较好的效果；当治疗浅覆合伴有开合的反合患者时，选择在前牙区进行牵引会有较好的效果。
    10  骨髓间充质干细胞对不同时长应力刺激的力学响应
    华闻达 ,  韩东 ,  吴迪 ,  冯建涛 ,  许明卿 ,  何飞
    2015, 30(1):43-49. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.043.
    [摘要](2204) [HTML](0) [PDF 2.13 M](2953)
    摘要:
    目的 通过检测骨髓间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）的弹性模量和表征细胞应力纤维结构，研究不同时长应力刺激下MSCs的力学响应特点。方法 利用原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)和激光共聚焦显微镜(laser scanning confocal microscope, LSCM)对体外培养的大鼠MSCs细胞骨架进行高分辨成像，同时使用带有微球的微悬臂实施微区力曲线检测，进针时间分别选择为0.1、0.5、1、5、10 s，计算并比较300 nm压入深度时MSCs的弹性模量。结果 大鼠MSCs的细胞骨架呈现致密交联网状结构。细胞弹性模量随应力刺激时长改变而发生明显变化，MSCs 在作用时间分别为0.1、0.5、1、5、10 s时各组弹性模量中位数和4分位数（QR）间距分别为10.02(QR=9.66)、1.94(QR=7.71)、3.63(QR=19.33)、17.15(QR=35.13)、23.52 kPa(QR=34.87)。除刺激时间极短（0.1 s）的情况，细胞弹性模量有随应力刺激时间增长而增大的趋势。结论 大鼠MSCs具有完善的力学承载结构，与理想弹性体不同，可对较长时间应力刺激做出主动响应，导致弹性模量上升。研究结果可以为组织工程学通过力学刺激调控MSCs行为的研究提供基础数据。
    11  抗剪切力镍钛记忆合金髌骨爪力学性能的有限元分析
    杜东鹏 ,  吴哲 ,  邢娟 ,  龚晓燕 ,  缪祥文 ,  袁成龙
    2015, 30(1):50-55. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.050.
    [摘要](2116) [HTML](0) [PDF 6.93 M](2676)
    摘要:
    目的 建立髌骨骨折内固定抗剪切力镍钛记忆合金髌骨爪的三维有限元模型，并对所建模型进行力学性能分析。方法 运用Pro/E 5.0建立髌骨横型骨折髌骨爪的内固定结构模型，导入ABAQUS 10.1中进行有限元力学性能分析。分别对人体屈膝30°、60°、90° 时不同髌骨关节作用力FQ下髌骨爪力学性能及变形情况进行分析。结果 在相同边界条件下，当FQ分别为367.5和3 675 N时，不同屈膝角度下最大位移变形量的位置不同。与张力带固定分析相比，髌骨爪固定稳定性更佳，抗张力更强，且抗剪切力。结论 髌骨爪的变形和位移符合临床所需的生物力学研究结果，其稳定性能够满足临床尽早进行功能锻炼的要求。
    12  脊柱颈胸结合部C5~T2三维有限元建模与验证
    赵改平 ,  方新果 ,  王晨曦 ,  柏磊磊 ,  赵庆华 ,  许世雄 ,  陈二云
    2015, 30(1):56-61. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.056.
    [摘要](2364) [HTML](0) [PDF 3.22 M](2626)
    摘要:
    目的 基于CT图像数据建立人体脊柱颈胸结合部C5~T2的三维有限元模型，并验证模型的正确性和有效性。方法 采用Mimics、Geomagic和Hypermesh软件对人体脊柱颈胸结合部C5~T2椎体进行三维重建、模型修复和有限元前处理，对模型顶面施加±0.5、1、1.5、2 N?m扭矩，用于模拟人体前屈和后伸活动时所产生的载荷作用，使用ANSYS软件计算脊柱颈胸结合部C5~T2节段在前屈和后伸承受扭矩载荷作用时的关节活动度（range of motion, ROM），将计算结果与前人研究结果进行对比分析。结果 人体脊柱颈胸结合部C5~T2三维模型中C5~6、C6~7、C7~T1和 T1~2各节段椎体在1 N?m载荷作用下，前屈时ROM分别为4.30°、3.21°、1.66°和1.41°，后伸时ROM分别为3.47°、2.86°、0.96°和0.92°。前屈时最大应力出现在椎体前缘，后伸时椎体后缘出现较大应力。ROM和应力分布的趋势与前人研究结果相一致。结论 建立的脊柱颈胸结合部三维模型精确逼真，符合脊柱颈胸结合部的生物力学特性，模拟结果可为临床病理研究和颈胸部手术术式的评价提供理论依据。
    13  不同载荷下3种固定方式治疗胫骨平台后外侧骨折的有限元分析
    张岩 ,  范鑫斌 ,  梁旭 ,  杨铁毅 ,  叶维光 ,  邵进 ,  龚璐璐
    2015, 30(1):62-67. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.062.
    [摘要](1993) [HTML](0) [PDF 820.63 K](3481)
    摘要:
    目的 探索不同轴向载荷下3种固定方式（外侧钢板螺钉组、后侧钢板螺钉组、前后拉力螺钉组）治疗胫骨平台后外侧骨折的生物力学特性差异。方法 利用胫骨平台CT图片的相关数据建立胫骨平台后外侧1/2和1/4骨折3种固定方式的实体模型，进行网格划分。分析不同轴向载荷作用下，3种固定方式治疗胫骨平台后外侧1/2和1/4骨折模型的受力状况。结果 1 kN轴向载荷下，对于1/2骨折固定模型，外侧钢板螺钉组、后侧钢板螺钉组、前后拉力螺钉组骨折块的位移分别为552.082、67.964、54.085 μm，内固定物的应力分别为306.745、231.844、73.047 MPa；对于1/4骨折固定模型，外侧钢板螺钉组、后侧钢板螺钉组、前后拉力螺钉组骨折块的位移分别为416.072、302.107、150.639 μm, 内固定的应力分别为306.673、208.467、73.607 MPa。1.5 kN轴向载荷下，各种固定方式下骨折块的位移和内固定物的应力都相应增加，数据的变化趋势同1 kN载荷情况相似。结论 两种载荷下，不同骨折模型均显示前后拉力螺钉组的生物力学稳定性最具优势，后侧钢板螺钉亦可以获得相近的力学特性。在临床工作中，对于移位不明显的胫骨平台后外侧骨折，前后拉力螺钉固定方式可以作为首选。
    14  骨质疏松症对松质骨骨小梁应力与微损伤关系的影响
    丁海 ,  朱振安 ,  薛晶 ,  贠晓飞
    2015, 30(1):68-73. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.068.
    [摘要](2879) [HTML](0) [PDF 658.17 K](3706)
    摘要:
    目的 应用显微CT和微有限元分析评估微损伤、微骨折骨小梁的应力、应变，探讨骨质疏松症对骨小梁应力和微损伤、微骨折之间关系的影响。方法 通过显微CT扫描健康和骨质疏松人体髋臼松质骨，构建松质骨块三维微有限元模型，在无摩擦的位移边界条件下模拟松质骨块的单轴压缩实验，通过非线性微有限元分析得到在不同表观应变下骨小梁的应力、应变、微损伤和微骨折。结果 0.05%~0.50%表观应变下，健康和骨质疏松松质骨未损伤骨小梁的应力在50 MPa以下，微损伤骨小梁应力在110 MPa以上。健康松质骨骨小梁的平均应力相对较高,骨质疏松松质骨骨小梁最高应力值相对较高。健康和骨质疏松松质骨骨小梁均出现微损伤，健康松质骨骨小梁微损伤较多，骨质疏松骨骨小梁出现微骨折。结论 在表观小应变范围内，健康松质骨骨小梁能承受更高的应力，出现较多的微损伤，而骨质疏松松质骨高应力骨小梁群内出现微骨折。
    15  活性维生素D3联合力学拉伸对成骨细胞MC3T3-E1增殖、分化及OPG和RANKL表达的影响（英文）
    刘璐 ,  张新昌 ,  张西正 ,  郭勇 ,  李瑞欣
    2015, 30(1):74-82. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.074.
    [摘要](2026) [HTML](0) [PDF 1.49 M](3291)
    摘要:
    目的 体外模拟成骨细胞在体内的生存环境，考察活性维生素D3（VD3）、力学拉伸以及两者联合对成骨细胞MC3T3-E1增殖、分化及破骨细胞抑制因子（OPG）和破骨细胞分化因子（RANKL）表达的影响。方法 将10 nmol/L VD3、间断性力学拉伸以及两者联合作用于成骨细胞。流式细胞术检测细胞增殖。荧光探针试剂盒检测碱性磷酸酶（ALP）活性。
    16  骨髓间充质干细胞的迁移及其相关力/化学因素调控
    吴克瘟 ,  郭庆 ,  罗庆 ,  杨力 ,  宋关斌
    2015, 30(1):83-88. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.083.
    [摘要](2000) [HTML](0) [PDF 665.59 K](3422)
    摘要:
    骨髓间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）是一类具有自我更新和多向分化潜能的多能干细胞，在损伤组织的修复和再生中起着重要作用。MSCs从骨髓中动员、进入外周血循环向损伤组织位点定向迁移是其行使损伤组织修复功能的关键环节之一。近年来研究证实，多种力学、化学因素在MSCs向损伤组织位点定向迁移过程中起着重要的调节作用。综述MSCs通过外周血循环向损伤组织位点移动过程中相关力学、化学因素对其迁移行为的影响及其可能的分子机理，以期深入认识理化因素及其耦合对MSCs迁移行为的影响特征，为体外调控MSCs的高效迁移从而更好地应用于临床发挥其组织修复功能提供理论指导。
    17  单侧全膝关节置换术后两下肢受力不对称性的影响因素
    马青川 ,  肖丽英 ,  李志昌 ,  董雪 ,  林剑浩
    2015, 30(1):89-93. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.089.
    [摘要](2408) [HTML](0) [PDF 581.95 K](3629)
    摘要:
    全膝关节置换术（total knee arthroplasty, TKA）是晚期膝骨关节炎最常见的手术治疗手段。已有研究发现，单侧TKA术后两下肢受力不对称，对侧膝关节承担更大载荷，从而使骨关节炎加重面临再次置换的风险。综述单侧TKA术后可能引起两下肢受力不对称的影响因素，主要介绍下肢力线、疼痛、肌肉、本体感受、心理原因等；同时探讨这些影响因素对人体总的影响效果、人体对不对称载荷的补偿机制以及临床干预手段。通过对单侧TKA术后两下肢受力影响因素的分析，可以制定针对性的临床干预手段，用以减小患者对侧膝关节发展为骨关节炎甚至置换的风险。
    18  下胫腓联合的生物力学研究进展
    陈大伟 ,  李兵 ,  俞光荣
    2015, 30(1):94-98. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.01.094.
    [摘要](2376) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](0)
    摘要:
    下胫腓联合的各条韧带具有不同的生物力学作用，在踝关节活动过程中下胫腓联合存在微动，并且下胫腓联合的损伤与踝关节体位和受力方式有关。关于下胫腓联合的最优固定仍存有争议，下胫腓联合的畸形复位会导致踝关节压力分布异常，弹性固定可能更符合下胫腓联合的生理活动。回顾下胫腓联合的生物力学研究进展，旨在为下胫腓联合损伤的合理治疗提供参考。

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