心血管生物力学与力学生物学2022年研究进展

心血管系统对整个生物体起着至关重要的作用。它执行许多重要功能,如为器官和组织提供营养、激素、向细胞输送氧气和维持生理温度。长期以来,准确识别机体血管壁的体内非线性、各向异性的力学特性一直被认为是心血管生物力学领域的关键挑战之一,因为这些特性是整个心脏功能的关键决定因素。目前,机械力和组织力学特性在动脉瘤、动脉粥样硬化等心血管疾病中的作用仍然是基础与临床研究的热点。本综述总结了2022年心血管生物力学与力学生物学领域的最新研究进展。在心血管生物力学方面,研究者关注心血管系统的结构、功能和病理生理学,并利用力学模型等方法来研究这些问题;主要包括动脉粥样硬化、动脉瘤和心肌梗死等疾病的生物力学特性研究,以及基于心血管系统动力学的治疗方法的开发和测试。在力学生物学方面,研究者探索了心血管细胞的力学特性和细胞外基质力学特性等;主要包括基于机器学习的细胞力学性质预测、生物材料力学性能研究以及力学特性在心血管细胞表型变化中的作用。这些研究成果为心血管疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法,并为生物力学和力学生物学领域的研究提供新的启示。     

血管生物力学与力学生物学研究进展

血管生物力学主要探讨血管细胞如何感知力学刺激、力学如何影响疾病发生发展以及开发多种数理模型来分析力学因素对疾病的作用。近年来,血管生物力学领域的研究蓬勃发展,各科研团队从不同方向解析血管的力学生物学过程,以期深入了解血管生物力学因素影响各种血管疾病进程的调控机制,为心脑血管疾病的防治提供基于力学生物学的理论基础。本文基于国内外专家团队并结合本团队研究工作,对血管力学生物学领域近期的研究热点和新兴趋势进行总结探讨,为把握血管力学生物学领域热点和探索新的研究方向提供系统框架。     

组合式外固定器治疗股骨干骨折的生物力学研究

骨折治疗的关键是牢稳的固定,固定的目的不仅是保证复位后各断骨间已整复的位置能得以继续维持以避免畸形,而且应提供一个良好的生物力学环境以促进骨折的愈合。一个公认的观点认为骨折愈合乃是一个骨组织的重新塑建过程,而活体骨重建的目标是骨是其结构适应于其载荷环境的变化,所以骨折固定的原则就是为断骨的重建创造一个理想的生物学和力学环境。近年来,大量生物力学试验和临床应用的研究使人们逐渐扬弃了坚强固定的原则,而提倡弹性固定;1997年AO派又提出了生物学固定原则,然而,迄今为止,对生物学固定原则却没有一个较完整而…     

航空生物力学

飞行员在飞行中会面临各种复杂载荷,这些复杂载荷会给飞行员肌骨、血液循环等系统产生复杂生理影响,从而导致飞行员损伤。生物力学主要研究生物医学中的力学问题及力的生物学效应。航空生物力学是研究人体在航空动力环境中生理变化规律及其防护措施的学科,其主要研究内容包括:冲击载荷对人体的损伤及其防护;持续性载荷对人体的生理影响及其防护或对抗;振动与噪声对人体的生理影响及其防护等。     

骨重建的力学生物学研究

骨骼的生长、发育和维持都与骨组织重建有着密切的关系,随着生物力学、组织工程、细胞生物学等学科的迅速发展,骨科相关疾病及其治疗的研究形成了多学科交叉、渗透的趋势,力学生物学已经成为研究骨重建的重要方法。本文对近年来骨重建的力学生物学相关研究工作进行整理和总结,希望为骨重建的研究、骨组织工程修复骨缺损和临床治疗相关骨科疾病的诊治提供理论基础。     

骨科中的细胞力学研究进展

细胞力学是生物力学领域的重要组成部分,细胞力学在骨科中的应用十分广泛.骨科的细胞力学是细胞在力学载荷作用下,通过测量骨细胞膜和细胞骨架的形变、弹性常数、粘弹性、粘附力等力学参数,进而研究力学因素对细胞生长、发育、成熟、增殖、衰老和死亡等过程的影响.我们通过系统阐述现阶段细胞力学对骨组织细胞的研究现状,为今后相关领域的科...     

骨组织工程化培养中成骨细胞力学响应的初步研究

由于骨具有支撑、保护、运动的功能,是承力器官,力学环境对骨组织的发生、发展有着十分重要的影响。活体研究表明:载荷可促进成骨细胞的增殖、分化和细胞外基质的分泌,及骨衬细胞的生物学活动;力学因素显著影响骨细胞生物学活动,包括骨细胞的凋亡;力学环境引起骨内细胞的协同反应,对骨组织变化起整合作用。由于骨组织力学环境如此重要,力学环境就有可能是工程化骨培养中的必要因素。由此,笔者尝试建立三维立体条件下成骨细胞力学响应的模型,研究骨内细胞的力学反应。模型包括支架材料、种子细胞和有力学作用的培养环境。支架材料除具有一般生物支架材料的要求外,还应与天然松质骨有相似的结构和力学性能,这里包括生物衍生松质骨、珊瑚支架等。种子细胞可采用乳鼠分离出的成骨细胞或成骨细胞系,接种在支架上进行培养。载荷直接施加在复合体上,复合体的表观应变被精确控制,可形成与骨活体内相似的力学环境,其中载荷可采用不同形状的波形,如正弦波、方波等。加载应变可达到0～10 000,频率0～100 Hz,大大包括了活体骨组织所受的力学环境。载荷形成细胞的力学环境是以支架材料的表观应变衡量,这正对应活体骨研究的力学指标。     

骨内液体流动生物力学的研究进展

骨重建是以骨形成和骨吸收为特征的重要生理过程,人们早已发现骨组织受到力学载荷作用后,会通过骨重建过程优化其结构以适应变化的载荷环境。目前已有大量研究证实,载荷作用下骨内孔隙结构中的液体会发生流动,所产生的流体剪切力是使骨组织细胞产生生物学响应的主要因素。本文综述了近年来骨内液体流动方面的相关研究进展和成果,主要包括流体刺激下骨组织细胞的生物学响应,骨孔隙中的压力及其对液体流动的影响,以及骨内液体流动的实验、理论及数值模拟研究,并对骨内液体流动研究未来的发展趋势加以分析和展望。     

关节软骨生物力学与力学生物学 2022 年研究进展

关节软骨是动关节内骨表面具有弹性的负重结缔组织,能提供低磨损润滑、缓冲震荡、传递载荷等支撑作用,具有层级纤维复合结构和优异的力学性能。软骨内没有血管、神经和淋巴,代谢缓慢,损伤后难以实现自我修复。目前,高发的关节炎疾病仍是基础与临床研究的一大热点。关节软骨是力学敏感组织,力学环境影响着组织不同方向的发展。2022年,学者们继续对关节软骨的生物力学与力学生物学开展大量研究;对软骨形态、功能与力学状态,以及不同条件下软骨力学状态的研究报道较多;研究设计了一些软骨相关的动物、组织及细胞水平的加载装置,也开展了体外及在体力学载荷下软骨退变、损伤的修复研究,获得了重要的修复方法及手段。关节软骨的生物力学与力学生物学研究是关节炎、软骨缺损及修复的基础,关节软骨损伤修复定量力学条件的影响还需体内和体外深入研究。     

超重环境对骨组织生物力学性能和形态结构的影响

目的 探讨超重环境对骨组织生物力学性能及骨组织形态结构的影响,为航天员和飞行员安全飞行训练及 最大耐受高重力值的确定提供理论支撑。 方法 采用本课题组自主设计的超重加载平台构建超重动物模型,加载 方式为腹背方向承受向心加速度,加速度分别为 5、10、20 g,离心 45 s,1 次/ d,5 d / 周,连续 4 周。 使用 Instron 5865 材料力学试验机对离体骨组织进行三点弯曲试验,通过测量力学参数的变化,分析超重环境对骨组织生物力学性 能的影响;通过双能 X 线骨密度仪扫描、Micro-CT 扫描、骨组织染色等技术,检测骨矿物质含量、骨密度及骨小梁等 形态学参数的变化,观察超重环境对骨组织形态结构的影响。 结果 超重加载可显著降低小鼠胫骨的断裂应力及 弹性模量。 超重环境导致骨组织中骨体积分数下降,骨小梁厚度以及骨小梁数量显著降低,骨小梁排列紊乱。 结 论 超重环境对骨组织生物力学性能及骨组织形态结构的影响与超重载荷的强度密切相关。 低(5 g)强度超重载 荷能够降低骨小梁厚度,但对其力学性能的影响很小。 中(10 g)、高(20 g)强度超重载荷能够显著触发骨流失以 及骨力学性能的下降。 随着超重载荷的增加,机体的生理调节无法阻止骨量和力学性能下降的趋势     

皮质骨的多级结构与韧化机制研究进展

人体皮质骨是一种主要由胶原蛋白和矿化羟基磷灰石晶体共同构成的生物复合材料,它既具备了高强度、刚度和断裂韧性,同时又具有耐受损伤和自我修复的能力。在长期的进化过程中,骨组织具备了满足其功能需求的生物力学强韧性,其强韧性机制存在于多级结构的各个层面。通过综述皮质骨的多级结构和各层级强韧机制的研究进展,将增强人们对老龄化骨质疏松诊断、预防和治疗以及各种骨病病理机制的认识。     

Biomechanical behaviour of oesophageal tissues: Material and structural configuration,experimental data and constitutive analysis

The aim of the present work is to propose an approach to the biomechanical analysis of oesophagus by defining an appropriate constitutive model and the associated constitutive parameters. The configuration of the different tissues and layers that compose the oesophagus shows very complicated internal anatomy, geometry and mechanical properties. The coupling of these tissues adds to the complexity. The constitutive models must be capable of interpreting the highly non-linear mechanical response. This is done adopting a specific hyperelastic anisotropic formulation. Experimental data are essential for the investigation of the tissues’ biomechanical behaviour and also represent the basis for the definition of constitutive parameters to be adopted within the constitutive formulation developed. This action is provided by using a specific stochastic optimization procedure, addressed to the minimization of a cost function that interprets the discrepancy between experimental data and results from the analytical models developed. Unfortunately, experimental data at disposal do not satisfy all requested information and a particular solution must be provided with regard to definition of the lateral contraction of soft tissues. The anisotropic properties of the tissues are investigated considering the configuration of embedded fibres, according to their mechanical characteristics, quantity and distribution. Collagen and muscular fibres must be considered. The formulation provided on the basis of axiomatic theory of constitutive relationships and the procedure for constitutive parameters identification are described. The evaluation of constitutive parameters requires the analysis of data from experimental tests, that are extracted from the literature. Result validation is performed by comparing the experimental data and model results. In this way a valid basis is provided for the investigation of biomechanical behaviour of oesophagus, looking at deeper information from the experimental point of view that should offer data to be implemented in the procedure for a more detailed and accurate problem definition.     

Biomechanical properties of anuran long bones: correlations with locomotor modes and habitat use

Long bones are subjected to mechanical loads during locomotion that will influence their biomechanical properties through a feedback mechanism (the bone mechanostat). This mechanism adapts the spatial distribution of the mineralized tissue to resist compression, bending and torsion. Among vertebrates, anurans represent an excellent group to study long bone properties because they vary widely in locomotor modes and habitat use, which enforce different skeletal loadings. In this study, we hypothesized that (a) the cortical bone mass, density and design of anuran femur and tibiofibula would reflect the mechanical influences of the different locomotor modes and habitat use, and (b) the relationships between the architectural efficiency of cortical design (cross-sectional moments of inertia) and the intrinsic stiffness of cortical tissue [cortical mineral density; the 'distribution/quality' (d/q) relationship] would describe some inter-specific differences in the efficiency of the bone mechanostat to improve bone design under different mechanical loads. To test this hypothesis, we determined tomographic (peripheral quantitative computed tomography) indicators of bone mass, mineralization, and design along the femur and tibiofibula of four anuran species with different modes of locomotion and use of habitat. We found inter-specific differences in all measures between the distal and proximal ends and mid-diaphysis of the bones. In general, terrestrial-hopper species had the highest values. Arboreal-walker species had the lowest values for all variables except for cortical bone mineral density, which was lowest in aquatic-swimmer species. The d/q relationships showed similar responses of bone modeling as a function of cortical stiffness for aquatic and arboreal species, whereas terrestrial-hoppers had higher values for moments of inertia regardless of the tissue compliance to be deformed. These results provide new evidence regarding the significant role of movement and habitat use in addition to the biomechanical properties of long bones within a morpho-functional and comparative context in anuran species.     

松质骨微观骨小梁结构的生物力学有限元分析

股骨松质骨具有骨小梁的微观结构,其单元特性影响了股骨的整体力学性能.找到适当的单元形状与骨小梁分布特点可以帮助人们有效地进行松质骨及股骨整体的生物力学特性分析.本文采用不同结构的微观骨小梁单元模型,分析各单元的生物力学特性,并采用有限元方法,对由不同骨小梁单元及不同分布形式构成的股骨模型进行生物力学分析,获得了骨小梁单元密度与单元生物力学特性的关系的综合分析结果,找到了较好的微观骨小梁单元模型及总体布局形式,并应用于股骨松质骨建模.仿松质骨的骨小梁结构可以有效提高整体生物力学性能,所获得的微观单元优化结构可以应用于仿生结构材料的制造.     

长骨骨干的力学模型:I轴向变形

基于长骨骨干的生理学特性,建立了长骨骨干的力学模型,其中包括骨膜和骨髓对骨干承载的影响,得到了轴向外载荷作用下的本构形式。为进一步研究长骨的承载特性奠定了基础。     

不同应力环境下生长期大鼠股骨的生物力学试验研究

在同一动物个体中创造两种应力环境,对不同受力条件下生长的大鼠股骨进行三点弯曲试验和压缩试验,研究应力对骨力学性能的影响。切断大鼠右侧坐骨神经,使其右后肢废用,为废用组;其左后肢处于过度负荷状态,为过载组;正常大鼠为对照组。每天早、午、晚鼓励动物运动各0.5h,4周时结束实验观察,测试股骨干的生物力学参数。结果显示:应力环境引起大鼠股骨若干力学参数的改变。本研究表明,活骨组织可以通过改变其力学性能来适应环境,本实验模型实用可靠。     

Dental implant induced bone remodeling and associated algorithms

Numerous studies have shown that human bone has the ability to remodel itself to better adapt to its biomechanical environment by changing both its material properties and geometry. As a consequence of the rapid development and extensive applications of dental implants, the effect of bone remodeling on the success of a dental restorative surgery is becoming critical for implant design and pre-surgical assessment. This article provides an extensive review on the issues of mandibular and maxillary bone remodeling as a result of dental implantation. Following the success of remodeling-driven orthopedic design from the long bone community, substantial clinical/experimental data of implantation have been driving the development of corresponding remodeling laws and algorithms to various dental settings, of which it is believed to contain potential to significantly impact on futuristic dental implant design. In this paper, the published remodeling data is analyzed and different biomechanical remodeling stimuli are assessed. The established relationships between bone density and corresponding mechanical properties are outlined and a range of potential methods of predicting the mandible and maxilla remodeling are critically evaluated and compared. It is anticipated that this will provide a better understanding of implant-induced bone remodeling and help develop a new design framework for patient-specific dental implantation.