功能梯度牙种植体三维有限元力学分析与结构优化

背景：将生物活性陶瓷与钛进行整体的梯度设计,从而能最大程度地起到增强种植体早期骨结合与长期稳定的作用。目的：通过三维有限元方法分析功能梯度牙种植体生物力学特性。方法：建立功能梯度牙种植体及部分颌骨三维有限元模型。整个功能梯度牙种植体从头部到底部的弹性模量梯度变化分别设计为线性、指数函数、对数函数变化3种情况,以钛种植体为对照组。在Abaqus软件中进行三维有限元应力分析。结果与结论：与对照组相比,功能梯度牙种植体每一层面上及相应骨界面上的应力均有减小。从种植体头部到底部,种植体表面应力下降为3%～50%,骨界面上应力下降为10%～30%,均以指数函数变化组下降最为明显。提示功能梯度牙种植体的设计能减小种植体与骨界面之间的应力,尤以指数函数变化的设计方案更为明显。     

力学参数随深度变化的关节软骨数值模拟

目的在软骨数值模拟中,对由于设置均匀和随深度变化的力学参数而导致的结果差异进行评估。方法利用COMSOL多孔介质模块建立软骨非线性两相多孔介质模型。在静载荷下,分别用均匀和随深度变化的两种软骨力学参数对模型进行了计算,并对两者的计算结果差异进行了分析。结果对于软骨总应力,两种参数设置的结果之间差异很小。但在分析软骨的固相应力、液体压力和流动等较深入细致的问题时,两种参数设置结果之间的差异不能忽略。结论不同的软骨力学参数设置对软骨总应力的结果几乎没有影响,但对软骨内流速场则影响很大。所以均匀的力学参数设置可用来简化计算软骨总应力的问题,而其他一些更细致的分析需要立足于随深度变化的软骨力学参数。这些结论可以为今后的软骨建模和数值计算提供参考,为人工关节的设计和计算奠定基础。     

基于定量动态负荷下膝关节骨性关节炎软骨MRIT2时间表现研究

目的通过比较膝关节骨性关节炎（OA）病人定量动态负荷前后膝关节软骨T2时间变化情况,分析MRIT2mapping序列反映软骨基质生物力学变化的灵敏度．并验证高磁场条件下人体关节负荷装置的有效性。方法10例膝关节OA病人,其中男性3例．女性7例：年龄4l～66岁．平均年龄57-3岁。依托人体下肢关节力学负荷装置,对其施加膝关节动态负荷。负荷前后行膝关节MRIT2maDping成像,将膝关节轴向负荷区软骨分为4个部位：胫骨平台内、外侧软骨区及股骨内、外侧髁软骨区．分别测量各部位软骨负荷前后的T,时间。对负荷前膝关节内、外侧软骨分级评估进行卡方检验,对同一软骨区动态负荷前后的T2时间进行配对t检验。结果负荷前膝关节内外侧软骨分级差异无统计学意义（P〉0．05）。OA病人负荷前后T2值,胫骨平台内侧软骨区分别为（39．59±4．17）ms、（40．14±4．49）ms（f=0．426,P=0．680）;胫骨平台外侧软骨区（38．85±6．72）ms、（41．25±6．54）ms（t=1．704,P=0．123）：股骨内侧髁软骨区（36．44±5．72）ms、（40．63±4．90）ms（t=1．783,P=0．108）;股骨外侧髁软骨区（39．30±5．78）ms、（46．14±5．03）ms（t=2．826,P=0．020）。结论OA病人负荷后膝关节局部区域软骨区T2时间延长．自行设计的动态加压装置适合在高磁场条件下完成加压及MRI检查,有一定推广意义。     

人体松质骨矿质密度与弹性模量关系

目的 测量人体多部位松质骨矿质密度、轴向弹性模量,建立矿质密度与轴向弹性模量相关关系的本构方程,为国人有限元材料属性赋值提供依据。方法 采取10例成人新鲜尸体作为样本源,选取胫骨近端、大转子、股骨颈、肱骨头和椎体5个部位的松质骨,加工成直径约6 mm、长约30或40 mm的准试样。测量尺寸并计算体积,CT扫描试样骨矿质密度。对松质骨试样进行力学性能测试,分析不同部位松质骨弹性模量。对矿质密度与轴向弹性模量关系进行线性与幂次回归分析。结果 测试成功的试样来自5个部位,共169枚,其中胫骨近端52枚,大转子31枚,股骨颈15枚,肱骨头17枚,椎体54枚;5个部位松质骨矿质密度、轴向弹性模量均有所差异,线性相关性均较好（0.850>r2>0.785）,3个部位（胫骨近端、大转子、椎体）的幂次相关性较好（0.871>r2>0.825）,2个部位（肱骨头、股骨颈）的幂次相关性较弱(0.671>r2>0.643)。结论 各个部位骨矿质密度与轴向弹性模量的线性和幂次回归的相关性均较高,且同部位两种回归的r2值之间无明显差异;可应用于体外检测患者的骨骼质量,准确分辨骨质变化的部位,配合有限元建模能够预测骨折的风险。     

基于网络药理学和分子对接技术的三七总皂苷治疗糖尿病足作用机制分析

目的 基于网络药理学与分子对接技术探讨三七总皂苷治疗糖尿病足的潜在靶点及作用机制。方法通过本草组鉴数据库、PharmMapper平台收集三七总皂苷主要活性成分及其相关靶点,在GeneCards数据库和比较毒理基因组学数据库收集糖尿病足相关靶点,获得药物与疾病的共同靶点。将共同靶点导入STRING平台,构建蛋白质相互作用（PPI）网络,经拓扑分析确定核心靶点。用R软件对共同靶点进行基因本体论（GO）和京都百科全书基因和基因组（KEGG）富集分析。采用Cytoscape软件绘制成分—靶点—通路网络,拓扑分析筛选PNS治疗糖尿病足的核心成分与核心靶点。采用AutoDock Vina软件对核心靶点和药物进行分子对接模拟,验证网络药理学预测的结果。结果 PNS的主要入血活性成分为三七皂苷R1、人参皂苷Rb1、人参皂苷Rd、人参皂苷Re和人参皂苷Rg1。共筛选得到PNS和糖尿病足的共同靶点56个,涉及多个生物过程和多条通路,包括伤口修复、对脂多糖的反应、对氧化应激的反应、平滑肌细胞增殖的调节、细胞间黏附的调节、神经元死亡调节、上皮细胞迁移等过程和糖尿病并发症AGE-RAGE信号通路、脂质与动脉粥样...     

单侧半椎板及不同程度小关节切除术对羊颈椎生物力学的影响

目的:构建颈椎单侧半椎板以及不同程度小关节切除的动物模型,分析单侧半椎板以及不同程度小关节切除对颈椎生物力学的影响。方法:将20只实验羊随机分为A、B、C、D 4组,每组5只。A组为空白对照组,B组实施C4-C6右侧半椎板切除术,C组实施C4-C6 右侧半椎板+50%右侧C4-C5小关节切除术,D组实施C4-C6右侧半椎板+100%右侧C4-C5小关节切除术,各组常规饲养24周后处死并获得新鲜颈椎标本。比较术后24周生物力学改变:在脊柱三维运动试验机上,模拟生理活动状态对A、B、C和D组颈椎标本进行生物力学测定,并比较颈椎活动度差异。结果:(1)术后24周颈椎总活动度:D组在屈伸下的活动度(60.2° ±8.6°)显著大于A组(40.7°±6.4°)和B组(41.2°±13.1°);D组在侧弯状态下的活动度(81.5°±15.7°)显著大于A组(56.7°±12.2°)和B组(57.7°±12.8°);D组在旋转状态下的活动度(38.5°±17.5°)较A组(26.4°±9.9°)和B组(27.1°±10.9°)无明显增加;C组在屈伸状态的活动度(44.1°±11.7°)、侧弯状态下的活动度(73.6°±11.4°)及旋转状态下的活动度(31.3°±11.5°)较A组和B组无明显增加;(2)术后24周节段间活动度:D组在屈伸状态下的C4-C5活动度(20.3°±4.6°)显著大于A组(11.7°±3.4°)和B组(11.9°±2.1°),在侧弯状态下的C4-C5活动度(26.8°±3.5°)显著大于A组(15.2°±3.1°)和B组(16.2°±3.2°),在旋转状态下的C4-C5活动度(15.2°±3.5°)显著大于A组(6.6°±2.3°)和B组(7.1°±1.9°);C组在侧弯状态下的C4-C5活动度(21.2°±4.1°)显著大于A组和B组,在屈伸状态下的C4-C5活动度(15.7°±3.7°)及旋转状态下的C4-C5活动度(10.3°±3.1°)较A组和B组无明显增加。结论:单纯半椎板切除术不影响颈椎稳定性,半椎板合并50%同侧小关节切除不影响术后远期的颈椎稳定性,半椎板合并100%同侧小关节切除会明显降低术后远期在侧弯和屈伸下的颈椎稳定性。     

基于关节坐标系的肌肉骨骼间附着点坐标转换方法

目的运动状态下对人体骨肌系统进行运动学及动力学分析时,应避免对人体造成伤害。本研究通过尸体切片、CT或者MRI图像重建等方法构建静态骨肌模型,并将其应用于活体进行分析。方法采用尸体切片数据重建下肢的三维骨肌模型,并对此骨肌模型及活体下肢建立统一规则的关节坐标系,详细描述人体骨肌系统模型和活体上相关肌肉骨骼间附着点空间坐标值转换。结果对研究对象膝关节屈曲运动中股二头肌短头力臂及长度进行计算和分析。结论该方法对提高人体运动学和动力学仿真及肌肉力预测具有重要意义。     

关节软骨胶原纤维增强特性

目的在COMSOL关节软骨计算中引入胶原纤维增强特性,并分析引入前后模型结果的差异。方法以软骨中胶原纤维的走向为基础,对胶原纤维的应力单独建模,将胶原纤维的应力写入到原来软骨多孔弹性模型中。为避免应变2次项的出现采用了函数调用方式,同时提高求解器的迭代次数以更好收敛。结果胶原纤维增强模型表面的Y方向初始位移仅为15μm,是非增强模型的17.6%。增强模型的X方向正应变仅为非增强模型的10%,而近表面的X方向正应力超过非增强模型的10倍。结论在COMSOL关节软骨计算中实现了胶原纤维增强特性的引入,为软骨胶原纤维损伤提供了计算模型和理论分析。胶原纤维通过横向增强约束了竖直方向的应变,提高了软骨承载能力,改善了软骨的力学性能。     

骨科植入物失效分析

分析了近年来临床常见的骨科植入物失效的因素,包括骨科植入物内在质量、医源性因素以及患者因素．并对如何规避此类事件的发生进行了初步探讨。     

内侧支撑螺钉在锁定钢板治疗肱骨近端骨折中的生物力学优势

目的探讨内侧支撑螺钉在肱骨近端锁定钢板固定肱骨近端骨折中的生物力学性能。方法将30个人工合成左侧肱骨随机分成3组,建立外科颈骨折模型,采用肱骨近端锁定钢板固定:A组,近端内侧骨皮质支撑,无内侧支撑螺钉;B组,3枚内侧支撑螺钉支撑,无内侧骨皮质支撑;C组,无内侧骨皮质和内侧支撑螺钉支撑。分别对3组标本进行轴向压缩、抗扭、剪切力压缩、模型失效测试。结果 A、B、C 3组轴向压缩最大载荷为A组((240.88±19.13)N)>B组((169.04±19.26)N)>C组((128.58±17.53)N),P<0.05);抗压刚度为A组((424.4±101.2)N/mm)>B组((230.7±40.54)N/mm)>C组((147.0±29.2)N/mm,P<0.05);抗扭测试最大扭矩A组((8.92±0.25)N.m)、B组((9.09±0.31)N.m)>C组((7.57±0.53)N.m,P<0.05),抗扭刚度A组((1.80±0.07)N.m/(°))、B组((1.86±0.07)N.m/(°))>C组((1.53±0.10)N.m/(°),P<0.05);剪切力压缩测试最大载荷为A组((444.71±20.87)N)>B组((228.79±28.95)N)>C组((188.73±26.15)N,P<0.05),抗压刚度为A组((470.0±54.4)N/mm)>B组((183.89±29.64)N/mm)>C组((140.2±32.1)N/mm,P<0.05);模型失效载荷A组((2 949.76±355.08)N)>B组((2 448.13±402.39)N)、C组((2 222.55±336.41)N,P<0.05)。结论肱骨近端内侧骨皮质支撑具有最佳的生物力学性能,采用3枚内侧支撑螺钉重建肱骨近端内侧柱支撑的生物力学性能较无内侧柱支撑时明显增强。通过内侧骨皮质支撑或内侧支撑螺钉重建肱骨近端内侧柱支撑值得临床运用,以预防术后内固定失败。