离子造影剂增强Micro-CT扫描对大鼠关节软骨形态的定量分析

利用Micro-CT技术的较高分辨精度,探索一种新的测量小动物关节软骨形态的方法,为进一步利用小动物模型开展关节软骨的损伤和退变等研究提供基础。选择不同浓度的造影剂及Micro-CT扫描条件,通过造影剂对比增强Micro-CT扫描大鼠膝关节,对大鼠股骨远端关节软骨进行手动分割、重建,得到软骨3D模型,利用重建得到的3D模型,对软骨的厚度和体积等形态学参数进行无创定量分析。根据造影剂、软骨和软骨下骨对X射线吸收的平均相对衰减值差异,确定30%的离子造影剂浓度为最佳。利用该浓度对4个不同的正常大鼠关节软骨进行扫描和重建,分析获得关节软骨的体积和厚度,并求得关节软骨体积和厚度的变异系数均方根分别为7.3%和6.1%。结果提示,利用造影剂增强Micro-CT扫描能够对软骨形态重要参数厚度、体积等进行定量评价。     

静张应力对大鼠髁突软骨细胞增殖效应调节研究

目的　探讨静张应力环境对髁突软骨细胞增殖效应的影响。方法　将第4代大鼠下颌髁突软骨细胞在细胞膜式张应力施加装置上培养,检测不同血清浓度及持续不同的静张应力(5 kPa、10 kPa)在0~12 h内对髁突软骨细胞增殖活性的影响。结果　低血清培养基中,随培养时间的延长,硅胶膜上髁突软骨细胞的增殖活性受到抑制;短期(2h)的静张应力(5 kPa、10 kPa)对髁突软骨细胞细胞周期的调控影响不大;0~10 h内5 kPa静张应力组软骨细胞增殖指数随着张应力作用时间的延长不断上升,增殖指数峰值位于10 h处;0~8 h内10 kPa静张应力组软骨细胞增殖指数随着张应力作用时间的延长不断上升,增殖指数峰值位于8 h处;5 kPa静张应力组较10 kPa静张应力组对髁突软骨细胞具有更大的促增殖作用。结论　静张应力可以调节髁突软骨细胞的增殖活性。     

下颌KennedyⅡ类牙列缺损冠外附着体义齿的三维有限元分析——基牙数目对支持组织应力分布的影响

目的：探讨不同基牙数目下,下颌单侧游离端缺损冠外附着体义齿修复支持组织的应力分布情况。方法：建立下颌KennedyⅡ类牙列缺损冠外附着体义齿修复的三维有限元模型,分析在垂直向和侧向载荷作用下采用不同基牙数目时,基牙牙周组织及缺牙区牙槽嵴的Von Mises应力分布。结果：不同载荷方向,末端基牙均受到较大的非轴向应力,应力主要集中在牙颈部,缺牙区牙槽嵴的应力较大。单侧基牙数由1个增加到2个时,远中基牙牙周的应力略有减小,但当基牙数目从2个增加至3个时,垂直向和颊舌向加载时末端基牙牙周膜和牙槽骨的应力均有明显下降,但在舌颊向加载时,第二前磨牙各部位的应力没有明显下降,部分牙颈部的应力反而有所增加。结论：在下颌单侧游离端缺损修复中,冠外附着体义齿支持组织应力的减小与基牙数目的增加不完全成比例,在临床上应根据具体情况确定联合基牙的数目。     

“微植体-上颌骨”三维有限元模型的建立

目的探索基于Mimics医学图像处理系统的CT法快速建模新思路，建立几何相似性好、可灵活组装、含微植体的上颌骨三维有限元模型。方法以牙列完整的成人上颌骨为标本，作螺旋CT扫描后将图像传输至Mimics系统进行三维重建，再运用Abaqus对三维模型进行网格划分后建立有限元模型。结果获得几何相似性好、可拆卸的三维有限元模型；探索出一条基于Mimics的生物力学模型快速建模新方法。结论应用高精度螺旋CT成像、Mimics和Abaqus相结合的方法建立含微植体的上颌骨三维有限元模型是切实有效和可行的。Mimics系统有助于快速建模及提高模型的几何相似性。     

失水后干豆荚的结构与力学性能

目的研究失水后豆荚的结构与力学性能,探究豆荚扭转开裂而撒射种子的生物力学机制。方法通过组织学、显微结构材料学观察、力学性能测试和高速摄像,分析绿豆荚的分层情况以及各个细胞层细胞尺寸和方向的区别,观察豆荚弹射过程,并总结豆荚弹射的原理。结果豆荚弹射过程是从豆荚的尾部开始出现裂痕,从下往上逐渐裂开。同一个豆荚的不同两片细胞排布相反,每片豆荚分为4层,其中外层上表面和中层细胞互相正交,且在两层正交的细胞层中间有一层细胞壁破裂的细胞。在豆荚成熟失水过程中,外层纤维发生收缩,中层纤维发生拉伸。结论豆荚纤维在正交方向失水收缩,累积弹性能,产生预应力,最终通过豆荚开裂来释放。     

针对3D打印材料孔洞应力集中计算的映射算法

目的利用映射算法以较小计算成本获得3D打印材料孔洞应力集中分布情况,为3D打印材料疲劳寿命预测及结构优化设计的有限元分析提供新方法。方法提取单个孔洞应力集中影响范围内的节点及应力,并计算出各节点的应力集中系数。以寻找最近点的方式将无孔洞模型相应节点的应力值乘以不同的应力集中系数来体现孔洞的应力集中。若多节点映射到同一节点,则乘以多个应力集中系数的平均值;对距离边界较近的点,则乘以边界影响系数。结果材料内部孔洞的映射结果与实际计算结果误差小于8%;而对于自由边界孔洞聚集的情况,误差小于15%。结论映射算法能够有效表征3D打印材料孔洞的应力集中,以较小的成本获得含孔洞缺陷模型的应力分布。该算法为临床植入体优化设计及疲劳分析提供有限元结果。     

克氏针和绷带固定对微创术后拇外翻的生物力学影响

目的研究第1跖骨远端截骨后克氏针和绷带固定对拇外翻的作用效果。方法通过拇外翻的医学影像数据建立完整的三维足部有限元模型,此模型包括足骨、籽骨、软骨、韧带、软组织、跟腱等;分别建立克氏针和绷带固定的模型,分析拇外翻平衡站立时的足部受载特点。结果绷带固定下截骨之间的压应力(14.9 MPa)大于克氏针峰值应力(6.71 MPa)。从背侧、跖侧、内侧、外侧来看,克氏针固定对截骨面的稳定作用都优于绷带固定,更有利于截骨面的稳定。结论绷带固定可减少截骨端的愈合时间,有利于临床上拇外翻术后固定方式的优化选择。     

血管内皮生长因子对尾吊大鼠后肢胫骨骨丢失的影响

目的探究血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)对废用性骨丢失的影响。方法建立尾吊大鼠的动物模型,并随机平均分为尾吊盐水组、尾吊VEGF组、对照盐水组、对照VEGF组。实验过程中,每周两次对大鼠右腓肠肌注射VEGF或者等量的生理盐水,4周后通过micro-CT对大鼠胫骨近端进行扫描,以松质骨和皮质骨骨密度(bone mineral density,BMD)、骨体积分数(BV/TV)、骨小梁数量(Tb.N)、骨小梁间距(Tb.Sp)和结构模型指数(SMI)等松质骨微结构参数以及皮质骨厚度作为评价指标,探讨VEGF对尾吊大鼠后肢胫骨骨丢失的影响。结果与对照组大鼠相比,尾吊组大鼠松质骨表观BMD、BV/TV、Tb.N以及皮质骨厚度均显著降低,Tb.Sp与SMI显著升高,尾吊会造成大鼠的骨丢失,而注射VEGF能够缓解尾吊大鼠松质骨的骨丢失。结论血供的改变可能与骨重建之间存在着一定的联系,改善血供有助于对抗废用性的骨丢失。     

基于双平行四边形机构多姿态轮椅的设计

目的 设计一种多姿态轮椅,以满足下肢功能障碍者的多种使用需求。 方法 针对现有多姿态轮椅结构笨重、驱动冗余等缺点,基于双平行四边形机构,提出一种简单、可靠的多姿态轮椅机构形式。旋转驱动正反转驱动双平行四边形机构带动轮椅各部分运动,实现三姿态变换,其中,椅背和腿托耦合运动实现坐姿与仰卧姿态的变换,椅座和椅背耦合运动实现坐姿与站立姿态的变换。对轮椅进行基于均布载荷的力学分析,计算旋转力矩。 结果 从坐姿变换为仰卧姿态时,驱动力矩随着转动角度的增大而增大,并达到一个峰值;从坐姿变换为站立姿态时,驱动力矩随着转动角度增大而逐渐减小。在Adams软件中进行动力学仿真验证,计算结果与仿真结果基本一致。 结论 该轮椅机构有助于实现多姿态轮椅的轻量化设计,满足智能多功能轮椅的设计需求。