摘要：近年来,随着人们生活水平的不断提高,健康问题越发受到关注。由于人口老龄化加剧,慢性病发病率逐年上升,越来越多的患者开始挤兑有限的医疗资源。而且我国康复治疗师数量稀缺,只能为部分患者提供高质量的个人康复[1]。康复设备作为一种辅助治疗的手段,通过机器代人来缓解医疗人员的工作压力,在现代医学中扮演着重要角色。

摘要：背景:全膝关节置换是治疗膝关节晚期病症的有效手段,但假体衬垫容易因内部应力变化而产生磨损失效,寿命有限且术后患者的活动能力降低。如何对假体进行改进设计来满足患者更多的需求是假体研究的重要方向。目的:基于半月板的形态设计一种非对称型假体,并与对称设计的后稳定型假体进行比较,分析2种假体的应力分布情况和衬垫的接触面积变化,以探究非对称型假体设计是否存在优势。方法:通过有限元方法对1例膝骨关节炎患者进行模拟截骨和假体装配,建立基于非对称型假体及对称设计的后稳定型假体的全膝关节置换术后膝关节模型。在0°,10°,20°,30°的屈膝条件下,探究股骨假体、胫骨假体以及衬垫上的Mises应力,并通过对比衬垫内外侧的接触面积,分析全膝关节置换后膝关节生物力学变化和运动行为的改变。结果与结论:(1)在0°-30°的屈膝过程中,2种假体衬垫上的Mises应力峰值均表现出先减小后增大的趋势,且内侧始终大于外侧。(2)非对称型设计的假体与后稳定型假体相比,应力峰值更低;在屈膝30°时,非对称型假体衬垫内外侧的Mises应力峰值分别为15.81 MPa和11.95 MPa,后稳定型衬垫为16.70 MPa和13.76 MPa,两者内侧差值约为5.33%,而外侧则相差13.15%;对比股骨假体和胫骨假体上的Mises应力峰值,非对称型假体在屈膝过程中始终低于后稳定型假体。(3)在0°站立位时,后稳定型假体衬垫的内侧接触面积为17.96 mm^(2)、外侧为34.10 mm^(2);而非对称型假体衬垫的内外侧接触面积分别为105.47 mm^(2)和107.80 mm^(2),具有更大的接触面积且两侧差距更小。(4)结果表明,非对称型假体的生物力学表现更好,且能够对维持膝关节稳定性、提升关节活动度有所帮助。这种设计能够在一定程度上还原膝关节以内侧髁为轴进行外旋的运动机制,是一种更为有效的膝关节假体选择方案。

摘要：目的:为解决现有颈椎康复设备体积过大、价格昂贵、患者治疗便利度不足等问题,本文提出一种穿戴式颈椎外骨骼系统,可在医院与家庭场景下实现牵引与运动疗法。方法:提出一种基于6-SPS(其中S代表球面副,P代表移动副)并联机构构型的穿戴式颈椎外骨骼;完成了其等效运动学模型建模;采用了差分进化算法对其结构参数进行了优化,并对优化前后的工作空间做了对比分析;建立了其动力学模型及基于扰动观测器的阻抗控制系统;完成了人体受试者功能验证试验。结果:该外骨骼的工作空间具有较大的范围,满足运动疗法的设计需求,且基于扰动观测器的阻抗控制系统能够使得外骨骼实现较为精准的轨迹跟随,保证治疗精度。结论:该外骨骼设计合理,能够满足设计治疗模式下的工作空间需求,且具备良好的运动稳定性与准确度,可用于颈椎病患者的牵引治疗与运动训练。

摘要：背景:聚氨酯材料因优异的理化性质在生物医学领域中具有广泛的应用前景,对基于聚氨酯材料构建的神经导管进行仿生设计和功能化修饰,有望进一步解决神经再生修复难题。目的:综述基于聚氨酯材料构建的神经导管在周围神经修复领域的应用现状及进展。方法:设置英文检索词为“polyurethane,PU,polyurethane material,polyurethane biomaterials,nerve regeneration,peripheral nerve injury,nerve repair,nerve scaffold,nerve guidance conduit,nerve conduits”,中文检索词为“聚氨酯,PU,聚氨酯材料,聚氨酯生物材料,神经再生,周围神经损伤,神经修复,神经支架,神经导管”,检索PubMed、Web of Science、中国知网和万方数据库中2014-2024年发表的文献,最终纳入61篇文献进行综述。结果与结论:成分仿生是提高聚氨酯神经导管生物活性的有效策略。通过结构仿生优化聚氨酯神经导管,能够为神经组织再生提供生物引导线索。生物力学仿生聚氨酯神经导管可能在免疫调节和促进轴突生长中发挥重要作用。通过优化聚氨酯材料的导电微环境,有助于重建神经电信号传导通路。聚氨酯神经导管可作为药物载体,发挥抗炎和神经保护作用。联合应用多种设计策略优化聚氨酯神经导管虽然可以在多方面改善受损神经的功能,但由于神经复杂的结构和动态变化的病理生理微环境,神经导管设计策略仍旧有待完善。未来进一步改进和创新神经仿生设计策略,有望为神经组织工程领域的发展提供新的思路和机遇。

摘要：目的:为了满足踝关节功能障碍患者进行有效居家康复训练的目的,本文基于人因工程学提出了可根据患者不同使用需求来调节适配的多自由度可重构智能踝足康复机器人。方法:提出了一种多自由度可重构踝足康复机器人构型;建立机器人的运动学模型,构建了机器人改进前后的工作空间;通过在Adams中对机器人的各种运动模式进行仿真试验,验证机器人的工作性能;进行了控制系统构建及用户界面设计。结果:该机器人各种运动模式下均可满足人体踝关节活动需求,符合康复训练要求;仿真结果表明,机器人在运动过程中关节运动平稳缓和,机器人可行性较高;用户界面简洁明了,方便患者操控。结论:踝足康复机器人设计合理,结构紧凑,价格较低,能够满足踝关节康复训练中工作空间需求,运动稳定性良好,可达到患者居家康复训练的目的。

摘要：背景:随着医疗技术的不断发展,桡骨远端骨折的治疗面临着更加精准化和个性化的需求。传统夹板固定方法在临床应用中存在一定的局限性,常出现固定不牢固、易于发生压疮等缺陷。采用快速无网格仿真技术验证改进的3D打印夹板的效能,有望为桡骨远端骨折带来更精准、更有效的治疗方案。目的:探索基于临床缺陷改进的桡骨远端骨折3D打印夹板的设计方法,并采用快速无网格分析验证其临床效能。方法:回顾性分析桡骨远端骨折夹板固定的临床缺陷,并针对性改进设计3D打印夹板,通过计算机辅助设计制图,制作出传统夹板和改进的新型3D打印夹板的数字模型。使用快速无网格分析工具进行仿真分析,计算总体、骨骼、软组织及夹板位移和应力分布情况。结果与结论:①与传统夹板相比,改进的新型3D打印夹板对皮肤的压力比较均衡,具有较好的体表贴合性,没有明显的应力集中;位移更小、移动范围更合理;②通过对临床缺陷进行分析可以设计改进桡骨远端骨折3D打印夹板,快速无网格分析结果验证了改进3D夹板的优势,可为其临床应用提供依据。

摘要：背景:目前国内外制作的颞下颌关节假体在置换过程中需要依靠螺钉固定假体中的髁突部分,通过预留固位孔方便术中进行操作,但由于缺少个性化的颌骨设计,可能存在固位板与颌骨不贴合导致螺钉松动、脱位。因此,个性化髁突假体置换在修复颞下颌关节中具有重要的应用价值。目的:设计一种内部为GYROID结构的个性化髁突假体,用于下颌骨髁突的修复重建。方法:在Rhinoceros 7软件中选择GYROID结构,单胞为6 mm,设置壁厚分别为0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm,利用有限元分析GYROID结构的力学性能。3D打印不同壁厚(0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm)的GYROID结构实验试件,通过室温压缩实验检测试件的力学性能。通过有限元分析与室温压缩实验结果筛选符合下颌骨力学性能范围的一个壁厚值,对1名成年男性下颌骨CT数据进行逆向建模,设计内部为GYROID结构的髁突假体,采用有限元分析模拟髁突假体置换后牙尖交错颌位与对刃颌位的运动。结果与结论:(1)有限元分析与室温压缩实验结果显示,随着壁厚的增大,GYROID结构的弹性模量增大,其中壁厚0.5-0.7 mm GYROID结构的弹性模量位于下颌骨的弹性模量(1.5-4.0 GPa)范围内,因此选取壁厚值0.6 mm的6 mm单胞GYROID结构模型进行髁突假体的设计;(2)有限元分析结果显示,下颌骨模型的应力分布呈左右对称,两种咬合时的应力分布大致相同,应力峰值无较大差距,应力集中于髁突假体颈部,置换侧受力较健侧略大;内固定模型整体的最大等效应力为269.34 MPa,螺钉的最大等效应力为20.14 MPa,牙尖交错颌位时假体的等效应力和等效应变值均大于对刃颌位时,牙尖交错颌位时螺钉的等效应力和等效应变值均小于对刃颌位时;(3)结果显示个性化GYROID结构髁突假体的设计与固位效果良好,符合下颌骨力学传导。

摘要：背景:多孔支架作为新骨生长的临时基质在骨修复过程中起着关键作用,其中多孔支架的结构设计是骨修复过程中的研究重点。目的:综述传统支架(规则、均匀的支架)和仿生支架(不规则、不均匀的支架)在骨组织工程研究领域的应用。方法:检索中国知网(CNKI)、维普、万方、Web of Science、Science Direct、PubMed、EI等数据库,选取2008年1月至2024年3月发表的文献,中文检索词为“骨组织工程,仿生支架,骨小梁,传统支架,骨修复,三周期极小曲面”,英文检索词为“bone tissue engineering,bionic scaffolds,bone trabeculae,traditional scaffolds,bone repair,TPMS”。最终纳入81篇文献进行综述。结果与结论:骨支架的结构设计是实现骨修复和骨再生的关键,骨组织工程中的支架技术已取得显著进展。传统的规则多孔支架因简单的制造流程和良好的机械性能被广泛应用,然而这类支架往往缺乏生物活性,难以模拟自然骨组织的复杂微环境,限制了其在促进细胞增殖和骨再生方面的能力。相反,仿生支架通过模拟自然骨组织的结构特征,提供了更适宜的生理微环境,促进了成骨细胞的增殖、分化及新骨的形成,为骨缺损有效治疗提供了新的思路。尽管仿生支架在理论上具有巨大的潜力,但在实际应用中仍面临诸多挑战,支架的生物相容性、生物活性及长期稳定性等因素仍需通过临床试验进行进一步验证。

摘要：背景:现阶段骨软骨一体化支架的弹性模量与天然骨软骨相差较大,植入人体后会引起应力遮蔽现象,从而导致植入物松动变形,影响骨软骨组织修复。轴向三周期极小曲面晶胞梯度支架可与人体骨软骨组织孔隙率及弹性模量相匹配,为骨软骨支架设计提供一种新的思路。目的:研究不同晶胞种类和孔径结构对晶胞梯度支架力学性能的影响。方法:使用Gyroid(G)型、Diamond(D)型Primitive(P)型3种基础晶胞,通过三周期极小曲面数学建模,在梯度区域使用不同尺寸、不同种类晶胞,共计构建6种晶胞梯度支架(G-2P-4D、P-2D-4G、D-2P-4D、G-2D-4P、P-2G-4D、D-2G-4P),进行力学实验及仿真模拟实验,评估支架的力学性能,通过计算流体动力学仿真得到了支架内流体的流动性能参数。结果与结论:有限元力学仿真和轴向压缩实验表明,P-2G-4D型与P-2D-4G型梯度支架的弹性模量相较高,分别为148.67 MPa和152.1 MPa,能够承受较高的轴向载荷,提高植入物的力学稳态;D-2P-4G型梯度支架应力分布最为均匀,可有效减少应力集中,使得连接函数区域均能够有效传递应力,减少应力遮蔽;G-2D-4P型梯度支架流动速率变化最小,为0.10-0.48 mm/s,渗透率较高,有利于植入后体液在支架内部流动。基于三周期极小曲面的晶胞梯度支架设计为骨软骨支架设计提供了新思路,仿真分析结果也为支架植入人体后的骨整合预测提供了参考。

摘要：背景:随着干细胞研究的发展,成体干细胞如内皮祖细胞和间充质干细胞在动脉粥样硬化、血管支架植入损伤并发症中的治疗效能逐渐被发现,由于静脉输注成体干细胞治疗疾病存在靶向性差、治疗效率低等问题,近年来对血管支架表面改性以实现内皮祖细胞或间充质干细胞的局部聚集与功能调节一直是研究的焦点。目的:论述内皮祖细胞、间充质干细胞在血管支架相关疾病中的治疗进展,以及基于内皮祖细胞、间充质干细胞的血管支架设计方面的研究现状。方法:在CNKI、万方、PubMed、Web of Science数据库检索建库以来发表的相关文献。中文检索词“内皮损伤,支架植入术,血栓,内膜增生,动脉粥样硬化,内皮修复,内皮祖细胞,间充质干细胞,血管支架”;英文检索词“endothelial injury,stenting,thrombosis,intimal hyperplasia,atherosclerosis,endothelial repair,endothelial regeneration,endothelial progenitor cell,mesenchymal stem cell,vascular stent,vascular scaffold”。根据纳入和排除标准,最终对127篇文献进行综述。结果与结论:内皮祖细胞、间充质干细胞能够通过分化以及旁分泌作用治疗动脉粥样硬化及支架植入损伤并发症,其作用机制主要包括保护内皮细胞、调节炎症细胞与炎症因子表达、调节平滑肌细胞增殖和表型等。间充质干细胞在治疗应用中可能伴有血栓、血管钙化等不良反应,使用细胞外囊泡、联合使用肝素进行表面设计是解决这一问题的可行方案。目前基于内皮祖细胞的支架研究较多,主要从内皮祖细胞的募集、捕获、增殖、分化与活性等方面进行支架表面改性;血管领域基于间充质干细胞捕获的支架研究较少,但间充质干细胞来源外泌体洗脱支架被发现具有极高的治疗效能。此外一些基础疾病如糖尿病可能会对成体干细胞活性造成影响,导致基于干细胞设计的支架失去效能,因而未来在设计相应的支架时,应注意考虑这方面的影响因素。