基于Wolff定律的各向异性骨再造模型

建立符合各向异性骨再造生理过程的骨再造数值理论模型。基于Wolff定律及骨各向异性的力学性质,在仔细研究了当前各向同性骨结构再造数值模拟预测技术的基础上,将材料方向和主应力方向趋于一致做为骨再造平衡条件,提出一新型各向异性骨再造数值模型。以二维悬臂梁结构为例进行了模拟,得到了二维悬臂梁结构的密度分布图。新型各向异性骨再造数值模型,量化了骨再造过程和骨力学性质的各向异性,实现了骨再造过程数值模拟的各向异性。应用该模型可进行更为准确的骨结构再造数值预测。     

基于损伤修复理论的各向异性骨再造自我组织控制模型

Wolff定律指出 :骨能够响应力学激励来改变其表观密度和骨小梁分布的方向 ,表明骨再造是各项异性行为。本研究基于各项异性损伤修复理论并结合自我组织控制模型 ,提出更符合骨再造实际生理行为的基于损伤修复理论的各向异性自我组织控制骨再造模型 ,并以股骨近端为例进行了模拟 ,得到的结果在密度分布与主应力迹线分布上和实际都非常一致。     

多载荷下带有生理限定应力的松质骨细观结构模拟

松质是骨的重要组成部分，属多胞体结构，由于构成松质骨的小梁骨尺寸较小，形状多变，因此给松质骨的研究增加了困难。本文把负反馈调节的生理特征引入骨再造模拟中，提出带有生理限定应力的骨再造自适应模型。模型具有骨再造局部适应的正反馈调节与整体控制的负反馈调节的生理调整过程，使骨结构内的应力控制在生理限定应力以下，维持骨力学环境的稳定。使用此模型在几种不同的力学环境下模拟了松质骨结构，定量地预测了松质骨细观结构与其力学环境的对应关系，同时表明了松质骨细观结构与力学环境的适应性。模拟结果与真实松质骨细观结构的典型部分相一致。     

老龄引起骨质疏松的模拟

研究老龄对骨质疏松的影响。应用带有力学调控系统的各向异性骨再造模型结合有限元法进行数值模拟。结果表明进入老年期后,由于肌肉力量的降低和活动量的减少而导致外载荷下降,骨量相对于峰值丢失25%以上,产生骨质疏松。力学因素可导致老年性骨质疏松,表明力学因素在预防和治疗骨质疏松起重要作用。     

妇女绝经、老龄对骨质疏松的影响

骨质疏松严重危害妇女绝经后的生活质量.本文介绍了骨质疏松的生理原因和带有力学调控系统的各向异性骨再造模型,应用该模型用有限元方法对妇女绝经骨质疏松进行数值模拟.结果表明:单纯绝经因素骨量降低7%～12%,绝经后载荷下降20%,两种因素共同引起的结果,使骨量下降25%～29%,如载荷下降40%,骨量丢失35%左右.可见,力学因素是导致妇女绝经后骨质疏松的主要因素,生物学因素则加速了骨质疏松的过程.此结果证明了力学因素对于骨量的维持起着重要作用,为骨质疏松的研究开辟了一个新的思路.     

采用自适应模型的骨结构预测

骨的形态是骨长期适应环境的结果,骨能够按着力学环境需要调整其质量和结构。目前,骨再造理论大体可分成两类,一是位置特定理论（Site－Specifictheroy）,二是自优化理论（Selfoptimizaiontheroy）。位置特定理论和自优化理论模型都是在骨代化过程中骨内的每一点适应其力学环境,而不是骨整体结构的优化适应。本文是在当前骨细胞水平的力学感知机理和M．G．Mulender,R．Huskes等人（1994）的骨再造的自我组织控制模型的基础上,引入了W．M．Pnyten工程上的Selfopt方法,我们提出了带有生理限定应力的自适应生理控制模型,形成了局…     

骨功能适应性重建模型及数值模拟

骨骼会受到力学因素的影响和调控,发生骨功能适应性重建。建立模拟骨重建的数值模型,定量地研究骨重建过程,有着重要的临床应用价值。目前,骨功能适应性重建模型可分为两大类：力学模型和生理模型。对这两类重建模型的原理、算法和应用等做详细论述。力学模型通过假设力学环境与骨结构之间的函数关系来预测骨重建,但不考虑其真实的生物学过程。基于不同的重建激励主要有两种力学模型：骨力学稳态模型和骨损伤修复模型。生理模型则试图从微观层次阐明骨重建的力学-生物学机制,骨重建是由破骨细胞、成骨细胞等各种骨组织细胞完成,有以基本多细胞单位的形式作用或细胞独立分开作用两种观点。这些重建模型结合有限元法应用在许多有关骨重建问题的数值计算中。通过比较分析多个数值应用的模拟结果,还讨论了重建控制方程中各参数值的设置对重建结果的影响。     

改变力学环境后松质骨胞元结构的预测

松质骨是骨的重要组成部分,结构疏松、多孔,由针状、片状骨小梁组成多种胞体,其结构称为胞元结构。正常生理状态下,骨质的形成与吸收呈平衡态,骨结构稳定,当骨所处的力学环境发生变化时,骨的结构形态也随之变化。松质骨细观结构数值模拟变化的力学环境与骨结构的关系目前未见报道,本文是采用带有生理限定应力的自适应生理模型与有限元相结合的方法,在力学环境发生变化后用计算机预测松质骨胞元结构;定量的研究了松质骨胞元结构从一种优化平衡态到另一种平衡态与其力学环境的关系,模拟了松质骨胞元结构的变化与力学环境的适应性。把这种骨结构预测从宏观水平提高到细观水平。     

弹性模量与表观密度的分段函数关系用于股骨近端的结构模拟

目前，在用功能适应性理论与有限元相结合，进行计算机数值模拟骨再造时，大多数研究者对于不同的表观密度，都是将表观密度和弹性模量的关系取为一种形式。由于松质骨的各向异性，其结构形式的多样性、复杂性，认为用一个统一的模型来描述其结构性能存在一定的问题。本研究基于松质骨胞元模型理论，提出与实际更加接近的松质骨弹性模量与表观密度的分段函数关系，使得弹性模量与表观密度关系的确立有一定的理论基础。利用Mullender等提出的骨自我组织控制过程微分方程来控制骨再造过程，与有限元相结合，将这种松质骨的弹性模量与表观密度的分段函数关系应用到股骨近端结构的模拟预测中，不但能根据模拟得到的内部密度分布给出其内部结构的具体胞元结构形式，而且可以大大提高迭代的收敛速度，因此是一项具有一定的理论意义和实际应用价值的工作。     

均匀材料和基于CT灰度值材料的股骨、胫骨有限元分析

为了定量分析骨量分布与载荷环境的关系,基于CT数据建立了大鼠股骨和胫骨的三维有限元模型,并分别赋予均匀的材料特性和基于CT灰度值的材料特性,用描述骨密度与力学刺激关系的算法来评估简单生理载荷下两种材料模型的有限元分析结果。结果表明,基于CT灰度值模型的有效应力和应变能密度分布与CT灰度分布比较相似,相关系数也较均匀材料模型更高;而且,基于CT灰度值模型的抗断裂能力更强;除此之外,这类模型也更符合骨再造平衡时的力学刺激均匀性假设。基于CT灰度值的有限元模型符合骨的功能适应性原理,可用于进行骨骼内部受力、变形和断裂分析,以及骨再造的数值仿真等研究。     

基于损伤修复的骨重建数值模拟

目的 研究不同损伤情况下的骨重建行为.方法 提出一种疲劳机制作用下的骨重建模型,通过建立股骨近端三维有限元模型,并结合有限元法,分别模拟3种载荷工况下的骨重建情况,分析股骨近端的力学性能及密度变化.结果 通过增加载荷循环次数,使损伤不断增加.在不同损伤情况下,骨展现出不同的骨重建行为.骨重建作为一种修复机制,在一定范围...     

弯曲应力作用下兔胫骨骨干皮质骨的骨重建方式

背景：骨所承受的应力变化是骨重建的重要刺激源。目前应力与骨重建关系的研究集中在轴向应力对骨重建的影响,而对弯曲应力环境下的骨重建模式缺乏研究。 目的：观察在长期弯曲应力作用下生长期兔胫骨骨干皮质骨骨重建的方式。 方法：在兔左胫骨近端内侧骨骺线远侧0.5 cm处开一直径2.5 mm骨窗,用冰盐水将兔胫骨及记忆合金片降温,降温后将记忆合金片拉直后经骨窗置入胫骨髓腔。记忆合金置入方向：使其复温后两端抵在外侧骨皮质上,弧形顶点抵向内侧骨皮质,缝合伤口。通过胫骨髓腔内置入的形状记忆合金片,给予兔胫骨骨干内部施加持续弯曲应力,观察胫骨骨干皮质骨在长期弯曲应力环境下骨重建的模式。 结果与结论：在6个月持续弯曲应力作用下,兔胫骨骨干张应力侧骨皮质变薄,压应力侧骨皮质增厚,胫骨未观察到明显弯曲形变,压力侧骨皮质增厚程度与胫骨上的应力分布有关。结构完整的胫骨对弯曲应力表现出一种内在的“抗性”,说明无骨折长骨骨干部分基本上不具备力线矫正潜力。实验结果提示,弯曲应力下兔胫骨骨干皮质骨骨重建模型创伤小,应力可控,不影响骨的生长和代谢,不限制实验动物活动,更符合生理状态,是一个理想的骨重建动物模型。     

基于应力状态的细胞分子水平骨重建力生物学模型

目的建立基于应力状态的细胞分子水平骨重建力生物学模型。方法从工程角度分析骨重建过程和力学激励,吸纳力学强度设计理论思想,选取相当应力作为力学激励,基于应力状态选取合适的力学激励计算公式,提出基于应力状态的细胞分子水平骨重建力生物学模型;应用模型进行口腔临床正畸牙槽骨的模拟预测。结果张力区孔隙度降低,骨量增加;压力区孔隙度增加,骨量减少,与牙槽骨特性一致。结论基于应力状态的细胞分子水平骨重建力生物学模型考虑应力状态对骨组织失效形式的影响,体现骨重建过程是力学激励下细胞水平的自优化强度设计,有助于在细胞分子水平探讨应力状态对骨重建的影响,是骨重建理论的补充和完善,可为口腔正畸的治疗提供理论指导。     

Parametric sensitivity analysis applied to a specific one-dimensional internal bone remodelling problem

The relative importance of the various parameters in inducing bone mass loss and osteoclastic perforations is still controversial. Therefore, there is a significant motivation to better understand the parameters behind such dynamic response, and great interest to carry out a parametric sensitivity study as it can provide useful information. As an application, the widely-accepted bone remodelling equation [M.G. Mullender, R. Huiskes, H. Weinans, A physiological approach to the simulation of bone remodeling as self organizational control process, J. Biomech. 27 (1994) 1389.] is investigated using the "n units" model [M. Zidi, S. Ramtani, Bone remodeling theory applied to the study of n unit-elements model, J Biomech. 32 (1999) 743.]. This analysis pointed out that the power in the modulus density relationship p and the power to which density is raised in normalizing the energy stimulus q, known as strongly implicated in the stability condition of the remodelling process, were also stated as insensitive parameters in the bone loss area.     

Effects of loading frequency on the functional adaptation of trabeculae predicted by bone remodeling simulation

The process of bone remodeling is regulated by metabolic activities of many bone cells. While osteoclasts and osteoblasts are responsible for bone resorption and formation, respectively, activities of these cells are believed to be controlled by a mechanosensory system of osteocytes embedded in the extracellular bone matrix. Several experimental and theoretical studies have suggested that the strain-derived interstitial fluid flow in lacuno-canalicular porosity serves as the prime mover for bone remodeling. Previously, we constructed a mathematical model for trabecular bone remodeling that interconnects the microscopic cellular activities with the macroscopic morphological changes in trabeculae through the mechanical hierarchy. This model assumes that fluid-induced shear stress acting on osteocyte processes is a driving force for bone remodeling. The validity of this model has been demonstrated with a remodeling simulation using a two-dimensional trabecular model. In this study, to investigate the effects of loading frequency, which is thought to be a significant mechanical factor in bone remodeling, we simulated morphological changes of a three-dimensional single trabecula under cyclic uniaxial loading with various frequencies. The results of the simulation show the trabecula reoriented to the loading direction with the progress of bone remodeling. Furthermore, as the imposed loading frequency increased, the diameter of the trabecula in the equilibrium state was enlarged by remodeling. These results indicate that our simulation model can successfully evaluate the relationship between loading frequency and trabecular bone remodeling.     

Dynamic histomorphometry of alveolar bone remodeling in the adult rat

Alveolar bone normally undergoes remodeling on one side of the socket and modeling on the opposite side as the tooth migrates at a rate of 6.7 μm per day. Periodontal ligament width, however, remains constant. Because of this very high turnover rate, this bone is a good model to study bone modeling and remodeling activities. This study was undertaken in order to measure the different cellular events occurring during tooth migration along the alveolar bone of the rat. The histomorphometric measurements performed on this model permitted us to calculate the duration of each phase of the remodeling cycle, i.e., resorption lasts about 1.5 days and reversal about 3.5 days. Since the duration of the forming phase is about 1 day (Guyomard and Baron, ′74), the total duration of each remodeling cycle is about 6 days. This time is very short compared to 60–120 days in adult human trabecular bone. Additionally, in this model each osteoclast resorbs 2–4 times its own volume of bone per day. Based on this knowledge, it will be possible to measure accurately the effects of experimental conditions on bone cells and bone remodeling in this rat alveolar bone model.     

股骨在长期超载和失载情况下的自适应数值分析

研究了成熟股骨通过自适应再造自动更新，自动适应新的载荷的机理，建立了以应变为主参数的自适应再造的生物力学模型。对股骨在失载和超载情况下的骨量流失、骨再造进行了仿真。仿真表明，以均匀应变为目标的自适应，将使股骨外侧弹性模量变低、空隙率变大。同时表明以股骨实际的几何形状的仿真较简化的模型或取一个体单元的仿真更准确，由此表明建立完善的仿真模型对研究的结果的科学性具有重要影响。     

Biodegradable magnesium scaffolds: Part II: peri-implant bone remodeling

In this study, histomorphometrical parameters of the peri-implant bone remodeling around degrading open-porous scaffolds made of magnesium alloy AZ91D were investigated and compared with the peri-implant bone remodeling around an autologous bone transplant in the contralateral side in a rabbit model after 3 and 6 months. Osteoblast activity was displayed by collagen I (alpha 2) mRNA in situ hybridization. Major scaffold degradation was completed within 3 months after implantation showing no osteolysis around the scaffolds, both after 3 and 6 months. Enhanced formation of unmineralized extracellular matrix and an enhanced mineral apposition rate adjacent to the degrading magnesium scaffolds were accompanied by an increased osteoclastic bone surface, which resulted in higher bone mass and a tendency to a more mature trabecular bone structure around the magnesium scaffolds compared to the control. These results show that even fast-degrading magnesium scaffolds induce extended peri-implant bone remodeling with a good biocompatibility. In summary, this study shows that degrading magnesium scaffolds promote both bone formation and resorption in a rabbit model and are therefore very promising candidates for the development of novel implants in musculoskeletal surgery.