• 2023年第2期文章目次
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      2023, 38(2). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0000

      摘要 (132) HTML (0) PDF 96.62 M (814) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 封面

      2023, 38(2). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0000

      摘要 (58) HTML (0) PDF 1.05 M (715) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >述评
    • 细胞分子生物力学专栏评述

      2023, 38(2):209-211. DOI: 10.16156/j.1004-7220.2023.02.001

      摘要 (119) HTML (0) PDF 855.84 K (881) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >专家论坛
    • 细胞力学2022年度研究进展

      2023, 38(2):212-219. DOI: 10.16156/j.1004-7220.2023.02.002

      摘要 (2196) HTML (2) PDF 7.40 M (2571) 评论 (0) 收藏

      摘要:细胞的力学微环境在调控其生理功能方面起关键作用。体内细胞经常受到剪切、拉伸、压缩等多种力学载荷,并且可以通过黏附分子(如整合素-配体素的结合)连接到细胞外基质上,进而可以感知外基质的硬度。细胞力学主要研究活细胞在力学载荷下的力学特性和行为,以及这些特征和行为与细胞功能的关系。本文综述2022年度细胞力学领域的研究进展,主要关注整合素-配体素间的相互作用,以及外基质硬度和力学载荷对细胞生理行为和形态发生的影响。

    • >专栏
    • 流体剪切力下 CD44-HA 介导的 MDA-MB-231细胞及 HL60 细胞的滚动黏附

      2023, 38(2):220-227. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0220

      摘要 (171) HTML (0) PDF 3.95 M (588) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究胞外基质中的透明质酸(hyaluronic acid, HA)如何调控血流中 CD44+肿瘤细胞的黏附滚动行为。方法 采用平行平板流动腔装置,观察记录流场中 MDA-MB-231 细胞及 HL60 细胞在固定 HA 上的运动,提取细胞滚动黏附特征参数。 结果 MDA-MB-231 细胞在 HA 底板上的黏附受到 HA 浓度的正向调控,但不受 HA 分子量影响;与物理吸附相比,生物素-亲和素固定的 HA 可显著提高细胞的黏附比率。 在 30 ~ 50 mPa 剪切力范围内,剪切力的增加加快了细胞的滚动速度,降低了细胞的黏附比率,但对细胞的栓缚时间影响不大。 同样流场中,与 MDAMB-231 细胞比较,CD44 表达水平较低的 HL60 细胞在 HA 底板上的栓缚时间短、滚动速度快、黏附比率低(<1. 5% )。 结论 流体剪切力可能通过调节 CD44-HA 的结合速率而非解离速率来调控 MDA-MB-231 细胞的滚动速度;CD44-HA 相互作用参与 HL60 细胞的初始黏附,但不起主要作用。 研究结果为抗肿瘤药物的开发提供参考。

    • 基于 FRET 成像探究棕榈酰化修饰调节 Fyn 激酶活性

      2023, 38(2):228-235. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0228

      摘要 (252) HTML (0) PDF 7.89 M (591) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨棕榈酰化修饰调节非受体酪氨酸激酶 Fyn 活性的分子机制。 方法 利用荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)技术实时检测细胞中的 Fyn 活性,并结合棕榈酰化位点缺失和共转染蛋白质酪氨酸激酶(C-terminal Src kinase,CSK)表达质粒研究其分子机制。 结果 实验发现,(C3,C6)任一位点的棕榈酰化缺失能引起 Fyn 的高活性表达,且 C6 位点影响更显著。 已知 CSK 激活后发生膜转移,FRET 检测证实其对细胞中的 Fyn 活性有下调作用,但不能有效调控(C3,C6)棕榈酰化位点缺失的 Fyn(GSS)活性。 结论 本文结果初步支持了 Fyn 活性受细胞内的物理空间定位分布的一种调控机制假设,即棕榈酰化缺失的 Fyn(GSS)受细胞膜上 CSK 抑制性的调节作用被减弱,从而促进了组成性的高活性表达。

    • 多肽协同作用下淀粉样成核的粗粒化模拟

      2023, 38(2):236-241. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0236

      摘要 (49) HTML (0) PDF 4.43 M (551) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究考虑协同作用的多肽构象转变能力对多肽成核及相关产物的影响。 方法 基于淀粉样多肽的两态(可溶态和 β 纤维化态)粗粒化模型,分别考虑协同作用(局域浓度)对多肽构象转变能力的两种影响(抑制和促进构象转变),通过蒙特卡罗模拟,分析多肽间协同作用对淀粉样成核的调控。 结果 对于协同作用抑制多肽构象 转变的情况,淀粉样成核只在一定多肽浓度区间内、具有特定大小的寡聚体内才易发生,且出现通路寡聚体和非路寡聚体共存的现象;而对于协同作用促进多肽构象转变的情况,观察到在低至 4 μmol / L 生理浓度下,体系仍然可以形成原纤维。 结论 本文引入局域浓度对淀粉样多肽构象转变的影响,使多肽的粗粒化模型更加接近真实情 况,观察到一些此前未见报道的新奇现象。 研究结果有助于更好理解淀粉样多肽的纤维化机制,行性疾病的治疗策略提供理论借鉴。

    • 盐离子、聚乙二醇与力对双根 DNA 扭转的影响

      2023, 38(2):242-247. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0242

      摘要 (452) HTML (0) PDF 3.30 M (549) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究不同盐离子浓度、聚乙二醇浓度和力对双根 DNA 扭转超螺旋结构的影响。 方法 以 10 kb DNA为研究对象,利用磁镊的流动腔实验探究不同浓度盐离子(Na+、K+、Mg2+)、聚乙二醇( polyethylene glycol, PEG)和不同大小的力对双根 DNA 扭转编织体长度随圈数变化的影响。 结果 双根 DNA 扭转结构对盐离子浓度敏感,对PEG 不敏感。 离子浓度越大,编织体长度随圈数变化越平缓,且 Mg2+的静电屏蔽饱和浓度远低于单价阳离子。 拥挤环境对 DNA 的影响主要为轮廓长度压缩。 在 4 pN 以上力作用下 DNA 扭转结构更为稳定,2 pN 以下超螺旋结构波动较大。 结论 DNA 的编织体结构与力学性质受所处溶液离子浓度和力的影响。 研究结果有助于进一步探究染色质扭转受溶液环境影响的机制,并为拓扑异构酶在不同溶液条件下的作用效果提供参考。

    • 肿瘤免疫系统的延迟对稳定性的影响

      2023, 38(2):248-254. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0248

      摘要 (57) HTML (1) PDF 2.78 M (576) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 应用线性稳定性分析方法研究延迟确定性肿瘤免疫系统的稳定性。 方法 在肿瘤免疫系统中,由于免疫细胞识别肿瘤细胞到做出合适反应需要一定的时间,在此过程中考虑时间延迟,采用小延迟泰勒展开对模型进行化简,求解出平衡点。 利用线性稳定性分析方法,研究平衡点的稳定性。 再利用数值计算方法模拟系统及平衡点附近的轨线图,用以验证理论分析的结果。 结果 在小延迟条件下,系统共有 4 个有意义的平衡点,分别是1 个稳定焦点、1 个稳定结点和 2 个鞍点,并且这些平衡点的类型和稳定性都不受延迟影响,数值模拟验证了理论分析的结论。 结论 在小延迟条件下,系统平衡点的类型和稳定性不受延迟影响。 研究结果有助于深入理解肿瘤免疫反应的动力学机制,为肿瘤的生长及治疗提供参考

    • 沟槽拓扑基底形貌对宫颈癌 HeLa 细胞迁移行为的影响

      2023, 38(2):255-260. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0255

      摘要 (54) HTML (0) PDF 5.35 M (629) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究沟槽拓扑基底形貌对宫颈癌 HeLa 细胞形态、迁移速率的影响。 方法 在 4 种不同表面特征(平面、槽宽 10 μm 平行沟槽、槽宽 20 μm 平行沟槽、分叉沟槽) PDMS 基底上培养 HeLa 细胞,采用免疫荧光技术对HeLa 细胞转染 F-actin,并用特异性探针标记线粒体,通过活细胞工作站获取细胞在不同时刻的位置、形态、线粒体分布。 结果 槽宽 10 μm 平行沟槽中 HeLa 细胞较槽宽 20 μm 平行沟槽和平面基底排列更加有序,形态更加细长,但平均迁移速率更低;分叉口处 HeLa 细胞向分叉结构中伸出突出,线粒体主要分布在突出处和细胞核周围,分叉口的存在降低了槽宽 10 μm 平行沟槽中 HeLa 细胞的平均迁移速率。 结论 沟槽拓扑基底形貌对 HeLa 细胞的形态和迁移速率有明显影响。 研究结果有助于了解体内微环境中拓扑结构在影响 HeLa 细胞迁移过程中的作用,并为后续关于宫颈癌侵袭与转移的研究提供参考。

    • 模拟低氧微环境中基质硬度对结肠癌细胞上皮-间质转化的影响

      2023, 38(2):261-267. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0261

      摘要 (58) HTML (0) PDF 2.07 M (527) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过模拟人结肠癌组织微环境,研究基质硬度和低氧协同对结肠癌细胞 SW480 上皮-间质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT) 的影响。 方法 制备硬度分别为 4. 5、 20、 40 kPa 聚乙烯醇 ( polyvinylalcohol, PVA)凝胶模拟结肠癌组织各部位的刚度范围。 以氯化钴(CoCl2 )模拟低氧微环境,在不同硬度基底上检测细胞形态变化;利用 Western blot 检测低氧诱导因子(hypoxia inducible factor, HIF-1α)以及 EMT 相关蛋白 E-钙黏蛋白(E-cadherin)、波形蛋白(Vimentin)、转录因子 Snail 1 表达;通过实时荧光定量 PCR 检测 HIF-1α、E-cadherin、Vimentin、Snail 1、基质金属蛋白酶 2(matrix metalloproteinase-2, MMP-2)和 MMP-9 基因表达。 结果 模拟低氧微环境中,随基质硬度增加,细胞铺展面积增大,由圆形逐渐变为纺锤形;通过上调 Vimentin、Snail-1、MMP-2、MMP-9 表达以及下调 E-cadherin 表达,可以促进结肠癌细胞 SW480 EMT 的发生。 结论 研究结果对进一步探索基质硬度和低氧对结肠癌细胞 EMT 协同作用及分子机制具有重要意义。

    • miR-199a-3p 通过靶向 CABLES-1 调控流体剪切力介导的成骨细胞增殖

      2023, 38(2):268-275. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0268

      摘要 (59) HTML (1) PDF 3.05 M (613) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨 miR-199a-3p 在流体剪切力(fluid shear stress, FSS)诱导成骨细胞增殖中的作用及其可能的分子机制。 方法 对成骨细胞 MC3T3-E1 加载 1. 2 Pa FSS,时间分别为 0、15、30、45、60、75、90 min。 使用 miR-199a-3p模拟物或 miR-199a-3p 抑制物转染 MC3T3-E1 细胞。 使用将过表达的 miR-199a-3p 以及其阴性对照分别转染MC3T3-E1 细胞,并以 1. 2 Pa FSS 处理 45 min。 将 pcDNA NC、pcDNA-CABLES-1、si RNA NC、si RNA CABLES-1 转染至 MC3T3-E1 细胞中。 分别共转染 pc DNA-CABLES-1 与 miR-199a-3p mimic 以及 si RNA-CABLES-1 与 miR-199a-3pinhibitor。 CCK-8 实验检测细胞活性;RT-qPCR 检测 CABLES-1、 miR-199a-3p、CDK 6、Cyclin D1、PCNA 表达水平;荧光素酶报告实验检测 CABLES-1 和 miR-199a-3p 的靶向关系。 免疫荧光检测 CABLES-1 蛋白表达。 Western blot 检测 CABLES-1、CDK 6、PCNA、Cyclin D1 的蛋白表达。 结果 FSS 作用下 MC3T3-E1 细胞中的 miR-199a-3p 出现显著下调。 过表达的 miR-199a-3p 抑制成骨细胞增殖,下调 miR-199a-3p 表达促进成骨细胞增殖。 miR-199a-3p 可以逆转 FSS 诱导的成骨细胞增殖。 双荧光素酶实验表明,miR-199a-3p 靶向作用于 CABLES-1,过表达的 miR-199a-3p 可抑制 CBALES-1 蛋白表达。 CABLES-1 能够促进成骨细胞增殖。 miR-199a-3p 通过 CABLES-1 抑制 FSS 诱导的成骨细胞增殖。 结论 FSS 诱导的成骨细胞增殖通过下调 miR-199a-3p 并通过靶向作用于 CABLES-1 实现。 研究结果为 FSS 诱导成骨细胞增殖机制的研究提供新方向,也为未来机械刺激在骨关节疾病治疗中的临床应用研究提供新思路。

    • >论著
    • 聚醚醚酮各向异性 3D 打印对股骨替代物力学性能的影响

      2023, 38(2):276-282. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0276

      摘要 (81) HTML (2) PDF 3.07 M (570) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 针对材料挤出成形 3D 打印聚醚醚酮(polyetheretherketone, PEEK)骨替代物制造工艺存在明显各向异性的问题,以下肢股骨为例,研究不同摆放方式下 3D 打印 PEEK 股骨替代物的力学性能。 方法 在有限元模型中模拟人体步态周期中 5 种姿态,改变正交各向异性,计算不同打印摆放方式下股骨应力与变形,并通过力学实验研 究 3D 打印 PEEK 股骨的安全性与稳定性。 结果 竖直摆放优于水平摆放方式,此时 3D 打印 PEEK 股骨替代物最大应力为 46. 56 MPa,低于 PEEK 材料的屈服强度但变形量大于自然股骨,满足服役过程中力学性能需求,而承载稳定性有待提高。 结论 使用材料挤出成形制造承重骨时应优先采用竖直摆放的方式,3D 打印技术在用于承重 部位骨替代物时应谨慎考虑其各向异性对替代物服役性能的影响。

    • 腰椎椎体间镍钛记忆合金支架的生物力学分析

      2023, 38(2):283-289. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0283

      摘要 (108) HTML (0) PDF 3.14 M (673) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 测试镍钛记忆合金支架的力学性能及用于腰椎间融合术的体外生物力学性能。 方法 通过力学测试机测试支架的力学性能,并在新鲜腰椎标本上模拟腰椎间融合术,对比分析镍钛记忆合金支架及其配套的骨粒-可吸收骨水泥混凝物浇注植骨方法、传统盒状融合器用于腰椎间融合术的生物力学性能。 结果 镍钛记忆合金支架最大抗压强度为(12 964±962) N,记忆特性有效范围内最大形变为(4. 68±0. 03) mm,形状恢复率为 99. 86% 。 相比于正常腰椎模型,单独使用镍钛记忆合金支架植入模拟腰椎间融合术后手术节段稳定性在前屈、后伸、侧屈、旋转方向上均有增加,与采用传统盒状融合器相当(P>0. 05)。 而在复合使用配套设计的自体骨粒-可吸收骨水泥混凝物植骨后,手术节活动度进一步降低(P<0. 05),节段稳定性与附加椎弓根螺钉内固定组相当(P>0. 05)。 镍钛记忆合金支架植入后的抗拔出强度弱于传统盒状融合器(P<0. 05),在配合使用自体骨粒-可吸收骨水泥混凝物植骨时的抗拔出强度显著强于传统盒状融合器(P<0. 05)。 结论 本研究的镍钛记忆合金支架同时配套设计了相匹配的骨粒-骨水泥混凝物植骨方式,为腰椎间融合术的进一步优化发展提供了新思路。 镍钛记忆合金支架具有良好的支撑及形变性能,用于腰椎间融合术时与传统盒状融合器具有生物力学等效性,在复合应用骨粒-可吸收骨水泥混凝物浇注植骨后能进一步提升稳定性和抗拔出强度。

    • UKA 关节线安装误差对膝关节接触力学和运动学影响

      2023, 38(2):290-296. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0290

      摘要 (109) HTML (1) PDF 7.46 M (595) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 针对单髁膝关节置换(unicompartmental knee arthroplasty, UKA)内侧假体松动和外侧关节软骨退化问题,通过骨肌多体动力学方法研究不同生理活动中 UKA 关节线安装误差对膝关节接触力学和运动学的影响。方法 以内侧自然关节线为 0 mm 误差,分别考虑±2 mm、±4 mm、±6 mm 共 6 种关节线安装误差情况,建立 7 个内侧 UKA 置换的骨肌多体动力学模型,对比研究步行和下蹲运动中膝关节接触力学和运动学的变化。 结果 在步行步态周期 70% 时,相比于 0 mm 误差 UKA 假体关节线升高 2 mm 时内侧假体接触力增大 127. 3% ,外侧软骨接触力减少 12. 0% ;在 UKA 假体关节线降低 4 mm 时内侧假体接触力接近 0 N,外侧软骨接触力增大 10. 1% ;胫股关节总接触力在关节线升高和降低 2 mm 时分别增大 19. 7% 和减小 14. 2% 。 在下蹲屈膝 100°时,相比于 0 mm 误差关节内侧假体接触力和胫股骨关节总接触力在 UKA 假体关节线升高 2 mm 时分别增大 31. 6% 和 11. 1% ,在 UK假体关节线降低 2 mm 时分别减小 24. 5% 和 8. 5% ,而膝关节外侧软骨接触力变化不大。 同时,在步行步态周期70% 时,随 UKA 假体关节线升高,膝关节外翻运动增大、内旋运动增大、关节前移;随关节线的降低,而呈现相反趋势。 下蹲运动中膝关节内外翻运动和前后平移运动与步行步态趋势一致,但内外旋运动则刚好相反。 结论 为了降低内侧假体失效风险和外侧软骨退化风险,建议医生控制 UKA 假体关节线误差在-2 ~ 2 mm 范围内。 研究结果 为 UKA 假体关节线变化引起的临床失效问题提供理论依据。

    • 不同固定方式治疗儿童肱骨近端骨折的有限元分析

      2023, 38(2):297-302. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0297

      摘要 (108) HTML (0) PDF 3.57 M (547) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过有限元方法比较外固定架、克氏针、弹性髓内钉固定儿童肱骨近端骨折的生物力学特性。 方法 挑选 1 名 8 岁患儿健侧肱骨 CT 数据,将图像数据导入 Mimics 21. 0 软件,建立粗略肱骨模型,再导入 Geomagic 2013 构建得到肱骨松质骨与皮质骨三维模型。 将上述模型在 SolidWorks 2018 中与外固定架、克氏针、弹性髓内钉 3 种固定物完成装配后导入 ANSYS 2019 中,模拟上肢安静以及前屈、后伸、内收、外展、内旋、外旋 7 种工况,分析肱骨远端最大位移、固定物最大应力、远端骨折面最大位移。 结果 外固定架、克氏针、弹性髓内钉固定模型肱骨远端最大位移的最小值分别出现在后伸(2. 406 mm)、外旋(0. 203 mm)、外旋(0. 185 mm)工况下。 结论 外固定架固定儿童肱骨近端骨折最不稳定,弹性髓内钉的生物力学性能优于外固定架以及克氏针固定。

    • 跟骨骨囊肿病灶范围与病理性骨折的生物力学关系分析

      2023, 38(2):303-309. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0303

      摘要 (53) HTML (0) PDF 2.82 M (537) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究跟骨孤立性骨囊肿(solitary bone cyst,SBC)病灶范围与病理性骨折的关系,为 SBC 治疗提供参考。方法 基于 CT 图像建立足踝三维有限元模型,在病灶好发区构建 4 种梯度球型骨缺损模型,模拟不同的 SBC 病灶范围,分析步态周期不同时相跟骨的生物力学特征。 结果 在步态周期下,随着 SBC 范围增加,跟骨位移无明显变 化,但峰值应力逐渐增大。 当 SBC 直径超过跟骨宽度的 75% 时,的 1. 48 倍和 7. 74 倍。 结论 当 SBC 直径超过跟骨宽度的 75% 时,应力性骨折风险增大,可早期手术干预。 跟骨沟和 SBC 下方骨皮质是应力集中区,可作为评估应力性骨折的重点区域。

    • 内侧开放楔形胫骨高位截骨术治疗膝关节内侧单间室骨关节炎后的足底压力分析

      2023, 38(2):310-316. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0310

      摘要 (168) HTML (0) PDF 2.46 M (518) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 分析内侧单间室膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis,KOA)患者接受内侧开放楔形胫骨高位截骨术(medial opening wedge high tibial osteotomy,MOWHTO)治疗后的足底压力分布情况,为患者的手术治疗和康复提供生物力学参考。 方法 选取 31 例行单侧 MOWHTO 治疗后的内侧单间室 KOA 患者作为实验组,同时以 35 例同年龄健康人群作为对照组,使用 Pedomedic 40?? 足底压力测试系统进行动态足底压力的测试。 通过比较步行状态下实验组(术侧及未术侧)与对照组不同足底分区的峰值压强(pmax)、压力时间积分(force-time integral,FTI)和接触面积(contact area, CA),评估内侧单间室 KOA 患者 MOWHTO 术后的足底压力变化。 结果 与未术侧和对照组相比,术侧第 1 跖骨区(MH1)CA 和 FTI 偏高(P<0. 05),第 4 跖骨区(MH4)CA 偏小(P<0. 001),第 5 跖骨区(MH5)pmax 和 FTI 偏小(P<0. 05),中足部外侧区(MF-L)CA 偏小(P<0. 001),后足部内侧区(RF-M)CA 偏大(P<0. 05)。未术侧与对照组相比,MH1、MH2 的 pmax 偏小(P<0. 05),MH5 的 CA、FTI 偏大(P<0. 05),MF-L 的 pmax 偏大(P<0. 001),后足部外侧区(RF-L)的 FTI 偏大(P<0. 05)。 结论 内侧单间室 KOA 患者在 MOWHTO 术后和健康人相比存在足底压力残余异常。 临床中需要有针对性地强化康复治疗来恢复患者正常的足底压力分布。

    • 女性全身关节过度活动患者跳深着陆时膝关节应力分析

      2023, 38(2):317-323. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0317

      摘要 (57) HTML (1) PDF 2.17 M (594) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 分析全身关节过度活动(generalized joint hypermobility, GJH)女性患者与健康女性在跳深着陆中膝关节软骨、半月板 von Mises 应力分布差异。 方法 采集女性 GJH 患者与女性健康受试者在跳深着陆缓冲阶段垂直地面反作用力(vertical ground reaction force,VGRF)峰值时刻的膝关节运动学与地面反作用力特征,通过逆动力学计算膝关节反作用力,并将膝关节沿股骨长轴方向的合力作为载荷;基于 1 名女性膝关节三维有限元模型,分别对2 组受试者跳深着陆过程进行数值仿真,计算膝关节软骨与半月板 von Mises 应力及应力分布。 结果 在跳深着陆VGRF 峰值时刻,GJH 组和对照组膝关节屈曲、外翻角度具有统计学意义(P<0. 05)。 相比于对照组,GJH 组膝关节屈曲角度降低、外翻角度增加;在跳深着陆中,GJH 组膝关节内部承受应力更大且胫股关节内、外侧室负重区应力分布不均衡,其股骨软骨外侧髁外侧、外侧胫骨软骨前部/ 中部外侧以及外侧半月板前角、体部外侧缘为应力集中部位。 结论 女性 GJH 患者因膝关节活动范围增大、关节囊松弛,导致在跳跃类项目中膝关节稳定性降低、关节力线发生改变,从而使膝关节外侧软骨与半月板损伤风险增加;在跳跃运动中,GJH 女性患者尤其要防止膝关节额状面力线改变造成膝关节的损伤。

    • 基于多模态信息融合的肘关节连续运动估计

      2023, 38(2):324-330. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0324

      摘要 (67) HTML (0) PDF 2.78 M (530) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 针对目前上肢康复训练设备多为被动式、训练方式单一、患者主动参与度较低等问题,提出一种基于多模态信息融合的上肢连续运动估计算法,实现对肘关节力矩的准确估计。方法 首先,在4种角速度下,采集受试者的表面肌电信号和姿态信号,提取信号的时域特征并利用主成分分析方法进行特征融合;其次,通过附加动量法和自适应学习率对BP神经网络(back propagation neural network,BPNN)进行改进,使用粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)对神经网络进行优化,构建基于PSO-BPNN的连续运动估计模型;最后,以第2类拉格朗日方程计算的关节力矩作为准确值,对模型进行训练,并与传统BP神经网络模型进行性能对比。结果 传统BP神经网络模型均方根误差为558.9 mN·m,R2系数为77.19%,优化模型后的均方根误差和R2系数分别为113.6 N·m、99.12%,力矩估计准确度进一步提高。结论 本文提出的肘关节连续运动估计方法能够准确地识别运动意图,为上肢外骨骼康复机器人的主动控制提供切实可行的方案。

    • 不同降解周期下Ⅱ型胶原-丝素蛋白复合软骨支架的应力松弛行为

      2023, 38(2):331-337. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0331

      摘要 (47) HTML (0) PDF 4.50 M (540) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 利用有限元分析与理论模型相结合的方法,研究软骨支架在不同降解周期下的应力松弛行为。 方法 基于已建立的降解本构模型计算不同降解周期下支架弹性模量;建立软骨支架有限元模型,并进行应力松弛仿真,分析支架松弛应力随时间的变化。 建立应力松弛本构模型,对支架力学性能进行预测。 结果 软骨支架降解14、28、42、56 d 时,弹性模量分别为 32. 35、31. 12、29. 91、28. 74 kPa。 软骨支架各层的应力分布表现为上层受力最大;支架整体松弛应力随着时间增加先快速下降,然后趋于平稳;降解 56 d 时,支架能承受的应力仍在软骨的生理载荷范围内。 应力松弛本构模型预测结果与有限元模拟结果吻合较好。 结论 随降解时间的增加,支架弹性模量逐渐减小。 降解时间越长,支架能承受的应力越小。 相同降解时间下,施加的压缩应变越大,支架受力越大。 有限元仿真和应力松弛本构模型可以有效预测支架降解时的应力变化。

    • 不规则形貌纳米 Fe3O4 介导的磁场机械力杀伤肿瘤细胞

      2023, 38(2):338-345. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0338

      摘要 (362) HTML (0) PDF 7.69 M (505) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 考察 Fe3O4 纳米颗粒在低频振动磁场( low-frequency vibrating magnetic field,VMF)驱动下通过磁场机械力杀伤肿瘤细胞的效果。 方法 通过共沉淀法合成一种磁性强、具有不规则形貌的立方相 Fe3O4 纳米颗粒。 将其置于本课题组自制的 VMF 中,研究其介导的磁场机械力对肿瘤细胞的杀伤效果。 结果 单纯施加 VMF 对细胞活力无影响;加入 Fe3O4 纳米颗粒后,细胞活力随 VMF 处理时间和 Fe3O4 纳米颗粒浓度的增加而降低,受损细胞释放的乳酸脱氢酶也随磁场处理时间延长而增加。 结论 不规则形貌 Fe3O4 纳米颗粒在 VMF 下可将机械力转移到肿瘤细胞,破坏细胞结构,导致细胞死亡;所采用的 VMF 装置结构简单、使用安全、操作方便。 所采用的磁性粒子及其杀伤肿瘤细胞的方法,有临床转化潜力。

    • 基于多种优化算法的交通事故精准化重建与颅脑损伤风险评估

      2023, 38(2):346-352. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0346

      摘要 (41) HTML (0) PDF 5.70 M (531) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究不同优化算法对精准化重建交通事故的影响。 方法 应用非支配排序遗传算法( non-dominated sorting genetic algorithm-II, NSGA-II)、邻域培养遗传算法( neighborhood cultivation genetic algorithm, NCGA)以及多目标粒子群优化算法(multi-objective particle swarm optimization, MOPSO)对 1 例真实案件的多刚体动力学重建进行优化,研究不同优化算法对收敛速度与最优近似解的影响,并将优化所得的最优初始碰撞参数作为有限元模拟的边界条件,将仿真得到的颅脑损伤预测结果与实际损伤进行比较。 结果 NCGA 算法在优化过程中收敛速度更快,结果更优,最优近似解重建所得行人-车辆碰撞的运动学响应与监控视频相符,颅脑损伤预测情况与尸体检验基本一致。 结论 通过优化算法和多刚体、有限元方法结合可以完成交通事故精确化重建,减少人为因素的影响。

    • 植入位点及轴向对上颌中切牙即刻种植即刻负重应力影响的三维有限元分析

      2023, 38(2):353-359. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0353

      摘要 (73) HTML (1) PDF 2.89 M (443) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨不同牙槽窝形态上颌中切牙即刻种植即刻负重时,植入位点及轴向对种植体周围骨界面应力分布的影响。 方法 参照 1 名健康成年人口腔锥体束计算机断层( cone beam computed tomography,CBCT)影像资料,建立偏唇型、中间型、偏腭型 3 种牙槽窝形态的上颌中切牙即刻种植即刻负重三维有限元模型;模拟不同植入位点(根尖位点、偏腭/ 唇侧位点)及轴向(牙长轴、牙槽骨长轴);对已建模型以 100 N 力进行不同角度(0°、30°、45°、60°、90°)的应力加载;应用 ANSYS 软件分析种植体周围牙槽骨的应力情况。 结果 成功建立 12 个不同牙槽窝形态上颌中切牙即刻种植即刻负重三维有限元模型。 偏唇型及中间型牙槽窝形态行即刻种植即刻负重时,沿牙槽骨长轴方向偏腭位点植入种植体更易获得良好的种植体骨界面生物力学特性;偏腭型牙槽窝形态行即刻种植即刻负重时,在偏唇位点植入,不论是沿牙长轴方向还是沿牙槽骨长轴方向植入种植体,种植体周牙槽骨所受等效应力远小于根尖位点植入。 结论 不同牙槽窝形态、植入位点及轴向都会对上颌中切牙即刻种植即刻负重种植体骨界面生物力学特点产生影响。 临床中,应针对不同牙槽窝形态制定不同植入轴向及植入位点的手术方案。

    • 开窗技术与平行支架技术治疗主动脉弓部病变的血流动力学研究

      2023, 38(2):360-367. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0360

      摘要 (87) HTML (0) PDF 10.33 M (565) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究胸主动脉腔内修复术中开窗技术与平行支架技术对主动脉弓及弓上血管的血流动力学影响,并对比不同术式的差异。 方法 研究 4 例采用不同术式(开窗技术、烟囱技术和潜望镜技术)重建弓上分支的主动脉弓部病变患者,通过随访影像数据建立三维几何模型。 将二维相位对比磁共振成像测量的血流量作为升主动脉入口和弓上血管出口的边界条件。 使用 3 单元 Windkessel 模型获得降主动脉出口的压力波形作为边界条件。 通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真获得弓上血管压力、分支支架入口速度矢量以及相对滞留时间等血流动力学参数。 结果 潜望镜支架的压力变化最大,其次是开窗支架,烟囱支架的压力变化最小。 开窗 支架和潜望镜支架的入口流速不均匀,容易形成涡流,烟囱支架入口流速均匀。 开窗支架外壁远心侧、“沟槽”部位、烟囱支架和潜望镜支架与血管壁贴合处相对滞留时间偏大。 结论 开窗支架和潜望镜支架内外壁压差较大,建议使用球扩支架。 烟囱支架内外壁压差较小,建议使用自膨支架。 本文预测的术后血栓形成位置与临床随访数据较为一致,故有可能用于主动脉弓部病变介入治疗的手术规划和风险评估。

    • 基于皮肤温度信号的糖尿病患者血管舒张功能评价

      2023, 38(2):368-374. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0368

      摘要 (679) HTML (0) PDF 3.49 M (512) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过自主研发的柔性程控加热多点测温装置,对糖尿病患者与健康对照组皮肤进行加热、温度采集和信号分析,进而评定其血管舒张功能。 方法 参考人体微循环的内皮调节频段,对皮肤温度信号进行小波分析,比较糖尿病组与健康对照组在施加热刺激后不同时间段的温度波动幅值变化。 结果 糖尿病组在内皮频段内的温度波动幅值变化较健康对照组更小,而且加热刺激停止后皮肤温度波动下降较小,对热刺激的响应较慢。 结论根据皮肤温度信号在内皮频段内的波动变化能够定量评价血管舒张功能。 本文研发的皮肤热响应测温装置可以应用于对糖尿病患者的健康管理和微血管病变的早期诊断。

    • 静脉穿刺机械臂穿刺与挑针动作

      2023, 38(2):375-381. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0375

      摘要 (33) HTML (1) PDF 4.19 M (602) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 提出一种新型多关节串联静脉穿刺系统,探究其穿刺过程中进针、挑针动作涉及的以力学、运动学为基础的相关控制问题,验证此系统的可行性。方法 搭建穿刺机械臂实物,结合穿刺力学模型提出进针位移控制算法。利用DH法进行正运动学解算,得到末端针尖坐标,再利用几何法进行逆运动学解算,正逆过程联系紧密。采用运动学正解-逆解-再正解方法比较挑针前后的末端坐标位置误差,最后结合实物进行实验验证与仿真。结果 经过仿真及实验,验证理论模型的准确性。利用该进针算法可以实现一针见血,为机械臂动作的控制提供理论依据。挑针前后末端位置误差可以控制在1 mm以内。机械臂在挑针过程中末端针尖几乎保持固定,故此套挑针方案可行,基本可以验证机械臂挑针动作满足精度与安全要求。结论 该静脉穿刺机械臂真实模拟穿刺过程的进针、挑针动作,能够安全、准确地实现进针穿刺和以针尖为定点的挑针动作,具有一定的临床使用价值。

    • 个体间支配手指运动的微观神经元特征

      2023, 38(2):382-388. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0382

      摘要 (65) HTML (0) PDF 4.13 M (724) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 分析个体支配单个手指伸展运动的微观神经元特征,得出不同个体微观神经元特征的异同性。 方法通过盲源分离算法分解出支配不同个体在单个手指伸展时的微观运动神经元,对所得神经元进行二维空间特征量化,并利用不同个体分解出的神经元特征进行手指分类,通过特征量化和分类结果验证支配不同个体的运动神经元特征的异同性。 通过共享运动神经元占比分析研究神经支配不同手指协同运动的微观神经元特性在不同个体间的差异性。 结果 不同个体的食指与中指的运动神经元空间分布差异较大,激活面积相似。 利用不同人群数据作为训练集和测试集进行手指分类的平均准确率为 86. 99% ,经迁移成分分析校准后显著提高为 90. 07% 。 通过不同个体共享神经元占比分析发现,食指与其他 3 指(中指、无名指、小指)之间的共享神经元占比较少,而无名指与小指之间的占比最高。 结论 不同个体控制不同手指的运动神经元整体的空间放电特征较为相似,存在较小的个体性差异。 本研究揭示不同个体在进行手指运动时的内在神经机制,为手指运动障碍患者临床神经机制分析以及相关工程应用提供参考。

    • 踝关节人机耦合生物力学特性分析

      2023, 38(2):389-395. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0389

      摘要 (139) HTML (0) PDF 4.82 M (569) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 设计一种 2-PSU/ RR 并联踝关节康复机器人,并对人体肌肉进行生物力学特性分析,研究踝关节康复机器人的康复策略。 方法 采用数值离散搜索法获得机器人的实际工作空间,探究结构参数变化对机器人动平台高度的影响。 通过人体生物力学仿真软件 AnyBody 得到肌肉力、肌肉活动度等人体生物力学响应,研究动平台高度变化对肌肉为的影响。 结果 机器人能够满足踝关节跖屈/ 背屈和内翻/ 外翻运动需求。 适当增大定长杆初始倾角和减小长度,使得踝关节康复机器人具有较低的整体高度。 动平台高度依次递减 10 mm,人体参与运动的肌肉力和肌肉活动度都有一定幅度下降。 结论 本研究为踝关节康复提供一种新的设计方案,为踝康复机器人运动分析提供理论指导,并通过修改机构参数加快患者脚踝康复

    • >综述
    • 肩袖修补的生物力学研究进展

      2023, 38(2):396-401. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0396

      摘要 (144) HTML (0) PDF 981.71 K (728) 评论 (0) 收藏

      摘要:肩袖是维持肩关节运动与动态稳定的重要结构。 肩袖损伤改变了其独特的生物力学作用,导致肩关节疼痛及活动障碍。 尽管缝合技术与固定方法不断改进,术后再撕裂率仍然很高。 理解正常肩袖的生物力学机制以及恢复损伤后肩袖的特殊生物力学作用,是预防再撕裂的关键。 本文对近年来肩袖损伤修补的生物力学相关研究进行综述,以期为临床手术开展提供一定的理论指导。

    • 巨噬细胞力学信号转导通路的研究进展

      2023, 38(2):408-414. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.02.0408

      摘要 (256) HTML (0) PDF 2.25 M (733) 评论 (0) 收藏

      摘要:微环境中的机械力学刺激(如基质刚度、表面形貌、循环牵张),通过细胞膜上受体为巨噬细胞所感知,可沿着黏附蛋白分子链和细胞骨架向细胞核内传递,并转导为生化信号激活基因转录。 机械力学刺激驱动巨噬细胞的黏附、增殖、迁移、极化等生物学行为,在疾病进展和组织再生中发挥相应作用。 本文论述微环境中机械力学刺激对巨噬细胞表型和功能的影响,阐明巨噬细胞机械转导通路的相关机制,为靶向巨噬细胞的免疫调节型生物材料研发提供分子生物力学的新思路。

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