硅橡胶膜细胞载体的应力分析及生物相容性

目的 报道一种自制的硅橡胶膜细胞载体,通过三维有限元方法计算其表面应变分布情况,并作细胞生物相容性分析,对材料进行全面评价,为细胞的应力刺激实验提供理论依据。方法 将硅橡胶材料制作成0.1 cm厚的透明薄膜,结合硅橡胶材料的泊松比以及弹性模量,应用三维有限元分析软件对数据进行处理,模拟硅橡胶受到牵张应变后产生的形变;通过MTT方法比较细胞在硅橡胶和标准培养板上的生长情况,并采取体外皮下包埋实验验证硅橡胶材料是否具有生物学毒性。结果 在对材料加载0.5%~20%的过程中,有效应变范围集中在硅橡胶膜的中心区域,约占总面积的90%;同时,硅橡胶材料虽然在生物相容性方面与标准培养板存在一定差异,但其本身无生物学毒性。结论 这种自制的硅橡胶细胞载体表面应力分布良好,生物相容性尚可满足细胞培养,但表面需进一步改善,可满足细胞的牵张应变实验。     

基于原子力显微镜的细胞破损有限元模型建立与分析

为获得细胞膜受冲击破损的实际应力应变值。应用原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)对Hela细胞进行破膜实验,得到细胞几何参数和加载过程的力-位移曲线。基于实验所得表面形貌与材料参数建立细胞破损有限元模型,并使用ABAQUS进行分析。当针尖位移达到2.35μm时,实验所得破膜力为38.7 nN,模拟所得破膜力为39.3 nN,两者较为吻合,验证了模型的合理性和正确性。通过模拟获得细胞膜被穿破时,应力为24.3 kPa,塑性应变为0.23。本研究基于实验建立的细胞破损有限元模型,为模拟细胞的失效与破损过程提供了方法和参考。     

一种体外贴壁细胞应变加载装置的研制

目的开发一套新型的应变加载装置,用于贴壁细胞力学生物学研究。方法该装置基于基底形变加载技术,采用可控制编程器驱动步进器,引起硅橡胶小室变形,实现多单元大应变的细胞加载;研制该装置,检测机械性能;建立硅橡胶小室的三维模型,利用有限元技术对硅橡胶小室进行仿真,分析该小室的应变场均匀性问题;采用该装置对骨髓间充质干细胞(bone marrow stromal cells,BMSCs)加载5%机械应变,频率0.5 Hz,2 h/d,持续5 d,并在倒置显微镜下观察细胞形态的变化。结果所研制的适用于体外细胞加载装置可对3组细胞加载基底实现最大至50%机械单向应变;在10%应变范围内,硅橡胶小室底部的均匀应变场面积占比保持在50%以上,保证了细胞受力均匀; BMSCs形态发生明显变化,排列方向趋于垂直主应变加载方向。结论该装置运行可靠,应变范围宽,频率可调,操作方便,可同时对多组细胞培养基底进行应变加载,为细胞力学生物学研究提供了便利条件。     

一种新型机械应变细胞加载装置的研制

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。     

正畸力作用下上颌尖牙牙周膜的应力应变分布

背景：口腔临床工作者可以根据牙周膜应力分布控制正畸施力的方式和大小,从而优化正畸力系统设计。 目的：分析正畸力载荷作用下牙周膜的应力应变分布。 方法：将上颌尖牙牙根近似为抛物线形柱体模型,分析上颌尖牙牙根在正畸力作用下牙周膜应力应变分布。对模型加载、求解,对近似模型在剪力、轴力、弯矩以及扭矩分别作用下牙周膜应力应变分布进行分析,并将计算结果应用到正畸力作用下牙周膜应力应变分析。 结果与结论：实验结果显示有限元分析和理论计算结果差别较小,最大为13.4%,并且高应力区出现在牙槽嵴顶部截面。正畸力作用下牙周膜中应力应变分布比较复杂,应力应变分布不仅与牙根长度,还与不同的加载力系统有关。因此临床治疗过程中,口腔医生应适当地考虑这些因素。 关键词：牙周膜;正畸力;应力应变分布;上颌尖牙;生物力学 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.13.009     

基于三维有限元仿真模拟的踝骨损伤生物力学分析

采用核磁共振扫描仪和Autodesk三维建模软件构建的踝骨实体模型,导入美国ANSYS生产的大型通用有限元分析软件中,获取踝骨三维仿真有限元数字模型,分析不同载荷下踝骨损伤生物力学的三维有限元模型,通过踝骨位移云图、踝骨应力分布云图以及踝骨应变分布云图,分析踝骨整体的位移变化,判断踝骨的受损位置和踝关节的形变量,得到踝骨在不同荷载下的等效应力、等效弹性应变和总形变情况。实验结果表明,静止中立位踝骨各组成骨发生位移会随着踝骨受到载荷力的增加而增加;内翻位踝骨受到大于1 600 N荷载容易发生骨折;不同踝骨屈服角度下,踝骨中立位随牵引力增加,距骨前移距离最大,且踝骨发生背屈屈服时的距骨位移略大于跖屈屈服。     

一种血管张应力体外加载装置的实验研究

目的研制一种血管张应力体外加载装置,研究弹性基底(硅胶片)上的张应力、张应变分布。方法基于基底形变加载技术,研制一种接近人体血液动力学环境的血管张应力体外加载装置。利用装置中的摄像机拍摄硅胶片拉伸前后硅胶片网格点的图像并转化为数字图像,使用Matlab软件对网格点的位置特征进行计算,从而得到硅胶片的应变分布。利用万能材料试验机对硅胶片进行实验和计算得到硅胶片的力学参数,根据力学参数建立有限元模型,并对硅胶片的张应力、张应变分布进行模拟计算。将实验结果和模拟结果进行比较。结果有限元结果和实验结果基本一致,张应力、张应变的最大值均出现在加载点处,中间区域应力、应变较为均匀。硅胶片中间60%面积区域可视为均匀应变场。结论研究结果可为后期血管壁内皮细胞的动态培养以及细胞力学研究提供实验技术。     

正常髋部与佩戴保护支具髋部的有限元对比分析

背景：有限元法因其具有不受样本量限制,实验误差小,重复性好等优点而成为防滑倒生物力学研究的重要手段。 目的：建立正常骨盆以及佩戴护具骨盆的三维有限元模型,分析滑倒过程中骨盆各部位的应力、应变和位移分布,验证护具的有效性。 方法：以中国数字人原始资料应用Abaqus 6.51软件构建正常骨盆以及佩戴护具骨盆的三维有限元模型,固定约束地面刚体,对整个骨盆模型加载2 m/s的速度载荷,程序运算后观测骨盆模型佩戴护具前后的应力、应变及位移随时间的变化规律和分布云图。 结果与结论：与未佩戴护具比较,佩戴护具时滑倒过程中骨盆与地面的接触力、骨盆与地面产生最大接触力时松质骨最大压缩应变、大转子以及股骨颈周围应变最大值、大转子和股骨颈附近的最大von-Mises应力值、大转子和股骨颈处的平均应力值等均明显减小。提示髋部保护支具对大转子具有保护作用,能有效降低人体滑倒时转子间骨折的发生率。     

种植体长度对即刻负载种植体骨界面生物力学分布的影响

目的　建立包含不同长度标准直径种植体的下颌骨三维有限元模型,分析不同长度种植体对即刻负载种植体骨界面应力应变分布的影响。方法　采用薄层CT扫描下颌骨和自主开发的USIS软件建立直径4.1mm不同长度螺纹种植体即刻负载的三维有限元模型,用ANSYS软件分析长度分别为6、8、10、12、14mm的种植体,在垂直和颊舌向45°加载150N力时种植体骨界面的von Mises应力、应变值。结果　随着种植体长度的增加,种植体骨界面的应力和应变值均呈下降趋势。垂直加载时,骨界面应力值在种植体长度从6mm增加到14mm分别下降14.9%、8.4%、11.3%和11.2%;其应变值分别下降23.4%、12.6%、12.7%和14.4%。颊舌向加载时,骨界面应力值在种植体长度从6mm增加到14mm分别下降19.23%、7.77%、5.2%和3%;其应变值分别下降18.2%、23.6%、10.5%和12.9%。种植体骨界面应力值在长度从6mm增加到8mm时下降最明显,尤其是颊舌向加载时。种植体骨界面应变值也是在长度从6mm增加到8mm及8mm增加到10mm时下降最明显。结论　种植体长度的增加能降低骨界面应力和应变值,呈负相关关系;但只在长度从6mm增加到8mm时应力值降低才较明显。这提示临床上尽量不要采用长度为6mm的种植体,并应适当地选择足够长度的种植体。     

腓骨重建及小钛板固定下颌骨体部缺损的三维有限元分析

背景：临床研究中进行腓骨重建修复下颌骨缺损的力学研究是不现实的,而有限元分析法为下颌骨缺损修复重建的生物力学研究提供了新的方法。目的：建立腓骨重建小钛板固定下颌骨体部缺损的三维有限元模型,对其进行生物力学分析。方法：建立下颌骨体部缺损腓骨重建三维模型及内固定模型,在前牙、健侧第一磨牙、健侧第二磨牙加载    100 N咬合力,观察下颌骨模型重建前后的最大应力值和最大位移值情况,前牙加载和后牙加载下重建模型钛板、钛钉孔周围骨质的应力情况,前牙加载和后牙加载下腓骨前后端的最大位移值情况。结果与结论：正常下颌骨的最大应力集中在髁突颈部。在重建模型中,最大应力集中在健侧髁突颈部,加载相同咬合力的情况下重建下颌骨的最大应力值均大于正常下颌骨的最大应力值,前牙加载最大应力值大于后牙加载。在每块钛板内侧的两钉孔之间应力值最大,下颌角部位的应力比较集中,加载侧近下颌骨缺损处前上方的第一颗钛钉为下颌骨残端钛钉的最大应力集中部位,近腓骨中段后下方钛钉为腓骨端钛钉的最大应力集中部位。下颌骨残端近缺损处以及腓骨中段上板处的钉孔周围皮质骨为最大应力集中部位,前牙加载时的最大应力大于后牙加载时的最大应力。腓骨在X轴上从上缘到下缘的位移值不断减少,在Y轴上从前下方及后端至中份的位移值逐渐减少,在Z轴上从前端到后端的位移值逐渐减少。腓骨前端的最大位移值在Z轴方向,后端的最大位移值在Y轴方向上,前牙加载时的最大位移值均较后牙加载时的最大位移值大。说明下颌角后上方钛板最易折断,应对其进行加固处理;钛钉尖端和颈部应力比较大,应选择双皮质钛钉;腓骨端和下颌骨残端钛钉和钛板的应力比较大,应重视其稳定性和固位性;前牙咬合时的应力大于后牙咬合时的应力,修复后应避免前牙咬合。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

胫骨平台后外侧柱骨折新型前外侧钢板设计与有限元分析

背景：胫骨平台后外侧柱骨折由于解剖位置的特殊性,手术入路及内固定的选择尚未达成共识。目的：通过有限元分析,比较新型钢板与临床3种常见内固定物固定胫骨平台后外侧柱骨折的生物力学稳定性,验证新型钢板的可行性。方法：收集1名志愿者胫腓骨CT数据,设计新型钢板,导入SolidWorks软件,建立胫骨平台后外侧柱骨折模型,同时建立4组内固定模型(新型钢板、L型锁定钢板、斜T型钢板、拉力螺钉),施加轴向载荷500,1 000,1 500 N,比较不同内固定模型骨折块最大位移及内固定物应力分布与峰值。结果与结论：不同内固定模型骨折块的位移、内固定物的应力峰值均随轴向力的增加近似等比增大,位移云图、应力云图呈现相似的分布特征。(1)在3种载荷下,斜T型钢板组骨折块位移最小,拉力螺钉组骨折块位移最大,新型钢板组骨折块位移较L型锁定钢板组小;新型钢板组、L型锁定钢板组、拉力螺钉组骨折块位移最大值均位于外侧缘近端,从近端至远端位移逐渐减小,斜T型钢板组骨折块位移最大值位于外侧缘中部,从外侧向内侧位移逐渐减小;(2)在3种载荷下,斜T型钢板组内固定物应力峰值最大,L型钢板组内固定物应力峰值最小,新型钢板组内固...     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景：由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。 目的：以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布。 方法：获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics 10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS。再根据解剖部位建立骨盆主要韧带。对S1椎体上终板施加600 N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。 结果与结论：垂直加载600 N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节。此时的坐骨结节处承受较大压应力。有限元模型在静载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反应骨盆特有的力学结构特性,模型的准确性较高。计算结果与文献中报道的结果相近,建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具及满足临床研究的需要。     

跨伤椎与经伤椎固定治疗胸腰椎爆裂性骨折的有限元分析

[摘要]目的 利用三维有限元方法研究跨伤椎4钉内固定与经伤椎6钉内固定两种方法治疗L1椎体爆裂性骨折的应力分布情况。方法 选取1例外伤致L1椎体爆裂性骨折患者,AO分型：L1：A4（N0;M1）。利用CT扫描数据建立T12-L2节段脊柱模型,在此基础上分别建立跨伤椎4钉内固定模型和经伤椎6钉内固定模型,两组模型均未使用横连接。分别对其施加相同载荷以模拟屈伸、侧屈和旋转等动作,记录模型最大位移和螺钉应力峰值。结果 成功建立了跨伤椎4钉与经伤椎6钉两种内固定模型。位移云图显示不同载荷下两种模型最大位移无明显差异,仅右旋时4钉模型较6钉模型最大位移值增加7.0%,而在其他5种姿势下两模型最大位移相差不超1.5%;应力云图显示不同载荷下4钉模型中螺钉应力峰值均较6钉模型明显增加,增加范围为24.6% ～ 38.1%。结论 跨伤椎4钉内固定和经伤椎6钉内固定均可有效恢复节段的稳定性,经伤椎6钉模型应力更加分散,可能减少内固定失败的发生。     

In-vitro biomechanical evaluation of stress shielding and initial stability of a low-modulus hip stem made of β type Ti-33.6Nb-4Sn alloy

Stress shielding-related proximal femoral bone loss after total hip arthroplasty occurs because of the different stiffness of metallic alloy stems and host bone. To overcome this, we fabricated a low-modulus cementless hip stem from β-type Ti-33.6Nb-4Sn alloy (TNS). Then we evaluated its stiffness, stress shielding, and initial stability compared with a similar Ti-6Al-4V alloy stem. Stiffness was determined by axial compression and cantilever-bending tests. Thirteen triaxial strain gages measured cortical strain. Stress shielding was defined as the percentage of intact strain after stem insertion. To evaluate initial stability, displacement transducers measured axial relative displacement and rotation. Intact and implanted femurs underwent single-leg-stance loading. Axial stiffness was 56% lower in the TNS stem than in the Ti-6Al-4V stem, and bending stiffness of the TNS stem decreased gradually from the proximal region to the distal region, being ≤53% that of the Ti-6Al-4V stem, indicating gradation of Young's modulus. The TNS stem decreased stress shielding in the proximal calcar region (A1: 83%, B1: 85% relative to intact cortical strain) without affecting the proximal lateral region (B3: 53%). The initial stabilities of the stems were comparable. These findings indicate that the TNS stem with gradation of Young's modulus minimizes proximal femoral bone loss and biological fixation, improving long-term stability.     

一种新型人工颞下颌关节的生物力学分析

目的　建立下颌骨髁突缺损有限元模型,研究新型人工颞下颌关节的应力分布及位移改变。 方法　运用Mimics、Geomagic、Solidworks、ANSYS软件建立含完整牙列的下颌骨右侧髁突缺损有限元模型并分析新型人工颞下颌关节在模拟咬合力加载的情况下假体及下颌骨硬组织的应力分布和位移情况。 结果　下颌骨整体等效应力值均低于20 MPa,最大形变值不超过0.05 mm。 结论　新型人工颞下颌关节能避免过大应力导致的假体断裂和骨质吸收,具有良好的生物力学特性。     

基于有限元模型的踝关节生物力学分析*

背景：有限元力学分析在生物力学领域广泛应用。 目的：采用大型有限元软件ANSYS对踝关节三维有限元数字模型进行生物力学分析,探讨踝关节各组成骨的应力分布规律及其发生形变、位移情况。 方法：把经MIMICS、Geomagic和ANSYS处理后生成的踝关节三维数字模型导入软件ANSYS中,经过约束条件、施加载荷、求解试算等阶段,对其各组成骨进行有限元分析。 结果与结论：①静止直立位时,踝关节各组成骨最大应力区集中在内踝与距骨相关节处、胫骨远端关节面髁间线前部、胫骨中下段前缘皮质区及距骨滑车外侧部;最小应力区集中在外踝、胫骨远端内侧皮质区、距骨头、距骨颈;最大位移发生在距骨头,位移自下而上逐步减小;最小位移发生在胫骨、腓骨中下段1/3处。②高空坠落时,最大应力区集中在胫骨中下段前缘皮质区、距骨滑车前外侧、内踝内侧皮质区以及胫骨远端关节面髁间线前部。其中胫骨中下段应力集中区随着压力的增加,稍向内侧移位。距骨滑车外侧部最大应力集中区位置无明显变化,范围逐渐加大。最小应力区集中在外踝、胫骨远端关节面外侧部、距骨头、内踝的外侧皮质;随着压力不断加大,内踝外侧皮质的小应力蓝色区域范围逐渐减小;外踝逐渐出现应力稍大的淡蓝色区域,提示所受应力加大。最大位移发生的部位自距骨头向上,经距骨颈、胫距关节面到胫腓骨中下段逐渐减小,到胫腓骨中下段时减到最小。     

天然上颌中切牙与种植体应力规律的三维有限元分析

背景：生物力学相容性是保证种植体与骨结合后长期稳定并行使功能的必要条件,因此,了解上颌中切牙与其周围骨组织应力应变分布情况对种植义齿修复尤为重要。 目的：根据天然牙5种不同解剖分型,探讨上颌中切牙牙根与种植体的应力分布规律。 方法：根据天然上颌中切牙5种不同解剖分型,通过UGNX、ANSYS等软件建立种植体及周围局部结构的三维有限元模型(B1、B2、M1、M2、P1),对种植体施加与牙长轴的夹角成0°、30°、45°、60°、90°的100 N静态荷载力,分析5类上颌中切牙牙根与种植体的应力分布情况。 结果与结论：5种分型中,天然中切牙与种植体等效应力随着加载力角度的增大而增大,种植体上升趋势高于天然牙。天然牙等效应力最大值集中在B1,最小值在M1,而种植体等效应力最大值在M1,最小值在M2。天然牙牙根等效应力有2%-31%的差距,种植体等效应力有4%-21%的差距,种植体的应力分布区间小于天然牙牙根的应力分布区间。说明种植体与天然牙随着咬合力角度的增大与受力呈正比,种植体所能承受的咬合力小于天然中切牙。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程全文链接：     

纤维桩核冠修复上颌中切牙三维有限元模型的建立

背景：建立有限元模型对缺损的上颌中切牙进行应力分析可为临床修复方法提供选择依据。 目的：建立纤维桩全瓷冠修复上颌中切牙的三维有限元应力分析模型。 方法：通过螺旋CT扫描、Mimics软件和Ansys软件建立冠缺损1/2的上颌中切牙采用纤维桩全瓷冠修复的三维有限元模型,模拟咬合加载,记录组织的Von Mises应力和最大拉应力。 结果与结论：建立了冠缺损1/2的上颌中切牙三维有限元模型,并模拟纤维桩核全瓷冠修复,与临床实际情况接近。运用螺旋CT、Mimics软件、Ansys软件能有效建立牙齿组织的三维有限元模型,模拟临床实际情况,并能以此演化为其他修复情况的模型。     

以三维非线性有限元法分析融合腰椎的生物力学变化

背景：MATLAB具有大型数值计算、数学绘图和简单有限元分析的能力,建模速度快,能够识别BMP和JPG格式的灰度图,并可将识别的数据直接转换为ANSYS三维有限元软件可识别的格式,避免了常规在Autocad软件中图像的重新定位和二次处理而产生的人为误差。 目的：寻求一种简便、快捷、准确的方法建立各种腰椎融合模型,对腰椎融合后腰椎活动节段的生物力学进行分析。 方法：利用薄层CT技术,结合Matlab(Matrix Laboratory即矩阵实验室)科学计算软件,辅助Ansys有限元分析软件建立各种腰椎融合模型。对所建立的模型施加各种载荷,分析其生物力学变化。 结果与结论：对所建立的融合模型施加轴向、屈曲及伸展载荷后,生物力学分析得出所有的融合模型中椎体间融合稳定性最好。和关节间融合相结合,椎体间,侧后方,后方融合模型的轴向位移较单独的椎体间,侧后方和后方融合模型分别减少5%、1%和4%。在伸展-屈曲载荷条件下旋转角度分别减少23%、11%和45%。应力向融合部位集中的现象表明融合块可增加载荷的转移。说明薄层CT和Matlab软件的辅助使得Ansys有限元软件建立腰椎融合模型的速度和精度提高。小关节融合和椎体间,侧后方,后方融合相结合,可使腰椎获得更好的稳定性,这种稳定性的增加在后方融合中更为显著。后方融合模型的应力分布更加合理。