摘要：血管生成在许多生理和病理过程中发挥着重要作用,但其机理仍不清楚。血管细胞在体内同时受到多种生物化学和生物力学刺激,处于复杂的微环境中,因此,在体外构建血管模型并重现其在体微环境,对探究血管生成机制十分必要。近年来,随着微加工和微流控技术的进步,各种体外微血管模型应运而生,对剪切力、渗流、血管生成因子浓度梯度等变量进行准确控制,极大地推动了血管生成的研究。本文综述各类微血管模型的构建方式、发展演化及其生物力学设计。

摘要：目的研究生长棒技术治疗早发性脊柱侧凸过程中不同上固定节段选择对术后脊柱生物力学特性的影响。方法利用有限元技术分别建立同一患者行生长棒术前以及术后T1~L4、T2~L4、T3~L4固定共4个脊柱模型(C6~S1节段),在C6上表面分别施加7 N·m力矩载荷和1 rad角位移载荷,分析上固定椎体邻近结构的生物力学特性。结果生长棒术后脊柱整体活动度(range of motion,ROM)显著下降,固定T2~L4节段时,脊柱活动受限最大,邻近椎体代偿性活动显著增加,椎间盘应力增大最明显。结论生长棒上固定选择T2节段时,术后发生交界性胸椎后凸和脊柱退行性病变的风险最高,在临床手术中应加以避免。

摘要：背景:植入体内后,血管支架处于复杂的应力及腐蚀环境,可引发支架应力腐蚀开裂及腐蚀疲劳断裂,导致支架早期失效。目的:综述不同生理应力环境下可降解金属支架的降解情况及其降解机制。方法:检索PubMed数据库、中国知网数据库2000至2018年发表的文献,英文检索词为"biodegradable,degradation,stress",中文检索词为"镁合金,应力腐蚀"。结果与结论:镁、铁和锌是目前最具代表性的3种可降解金属材料,在血管支架领域具有良好的应用前景。可降解支架植入体内后,支撑血管直至其完成血管重建,在此过程中支架受到复杂的应力作用,包括拉应力、压应力、剪切应力及循环荷载等。应力对支架降解的影响不可忽视,其可加快支架力学性能的衰减,甚至导致支架断裂。探明应力对可降解金属降解行为的影响及其降解机制,对血管支架材料的改性、支架构型设计与优化至关重要。

摘要：目的 研究周期性牵张应变对大鼠骨髓间充质干细胞(rat bone marrow-derived mesenchymal stem cells,rBMSCs)向神经细胞分化的影响。方法 对rBMSCs加载不同幅度周期性应变24 h,然后继续培养5 d,检测神经细胞标志物表达和相关信号通路蛋白磷酸化水平。通过有限元分析牵张作用下细胞表面的应力分布。通过转录组测序分析周期性牵张应变引起差异表达的基因。结果 5%幅度、0.5 Hz周期性牵张应变可以显著促进神经细胞标志物的表达,提高细胞内胞外信号调节激酶(extracellular-signal-regulated kinase,ERK)、蛋白激酶B (AKT)和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)的磷酸化水平。KEGG通路富集分析发现,与细胞黏附、细胞外基质和受体相互作用相关的基因在周期性牵张作用后显著提高。结论 周期性牵张应变可以改变细胞与细胞外基质的相互作用,激活AKT/mTOR和ERK信号通路,从而促进rBMSCs向神经细胞分化。了解力学刺激对间充质干细胞分化的影响有望提高干细胞向神经细胞分化的效率,有利于组织工程的装置设计,促进间充质干细胞在神经组织再生和修复的临床应用。

摘要：为研究飞行过程中不同头盔对飞行员颈部损伤的影响,基于头颈部多刚体动力学模型,对急转弯及稳定盘旋飞行工况下4种头盔情况开展了动力学分析。得到了不同头盔作用下颈部肌肉力、椎间力、力矩及颈部损伤指数N的变化规律,对不同头盔作用下的颈部损伤风险进行了评估。结果表明:所建立的头颈部模型与实验结果较为吻合,可以用来进行仿真模拟分析;相同飞行工况下,B头盔的佩戴使得头部质心前移,增加了颈部前屈时斜方肌的肌肉力;对于同一颈椎节段,B头盔的轴向压缩力最大,而C头盔导致的后伸力矩最大;在所有的计算工况中,上下颈椎的颈部损伤指数N均小于0.5,满足航空领域的安全要求;B头盔和C头盔的质量相近,而B头盔质心位置靠前,C头盔靠后,说明头盔质心的前后位置会对颈部的损伤产生重要影响。研究结果可为飞行员头盔的设计优化及其对颈部损伤的影响提供研究支撑。

摘要：背景:寻找提高干细胞心肌向分化成熟度的方法成为心脏疾病治疗研究的热点。目的:总结和分析了提高干细胞心肌向分化成熟度的物理刺激方法及研究新进展。方法:以"干细胞、心肌细胞、机械刺激、电刺激、基质、三维培养、成熟度"为中文关键词,以"stem cell,cardiomyocyte,mechanical stimulation,electrical stimulation,substrate,three-dimensional culture,maturity"为英文关键词,使用计算机检索PubMed、中国期刊全文数据库(CNKI)等数据库,纳入方法规范、逻辑严谨、与物理因素刺激干细胞心肌向分化成熟相关的研究性论文,排除个案研究、方案设计不合理的研究、无规范严谨纳入标准的综述性研究及与论述主题无关的研究。结果与结论:通过检索文献,总结了提高干细胞心肌向分化成熟度的各种物理刺激因素,包括其作用机制及研究进展,为临床使用干细胞移植治疗心脏疾病带来了全新的方法,但目前的研究仍存在一些需要解决的问题,如移植细胞死亡、免疫排斥反应、心律失常和致瘤等,限制了其在临床的应用。

摘要：合理的本构模型及正确的材料参数是进行有效数值计算以及靶标制备来表征生物软组织高速撞击下力学响应的前提方法。对典型的生物软组织及材料力学测试方法从单一加载模式拓展到剪切加载乃至混合加载进行了阐述,均进行详细的理论推导并得到各个模式下的主伸长。结果表明:基于各个加载模式下的主伸长,可以得到应力主面、形变最大值及方向来评估生物软组织及其对应仿生靶标的最大受力面及破坏程度等,便于深入探索生物软组织细观结构及模拟材料设计与其宏观力学性能相关性规律,旨在建立更加科学合理的人体仿生靶标。

摘要：为了提高聚醚醚酮(polyether ether ketone,PEEK)材料颈椎椎间融合器的融合率,本研究利用有限元方法对其进行三维结构的拓扑优化设计。首先建立C3~C7节段的颈椎有限元模型并验证,然后创建C5~C6节段椎间融合器植入和前路钢板内固定的模型。将PEEK融合器设置为椭圆盘型和箱型两种初始设计域。先后进行单工况和多工况下融合器拓扑优化,并结合加权柔度优化。经过两次拓扑优化后,再对融合器的构型提取分析。研究结果表明:PEEK融合器的优化结构为环形,前方缺失,材料集中分布于后部及两侧;当体积分数分别为50%和30%时,融合器优化为多孔径和单一大孔径的形状,前者比后者增加了与终板的接触面积;优化后的融合器通过降低自身应力,增加了内部植骨块所受的应力。本研究通过加权柔度的方法构建的颈椎融合器优化模型,不受初始设计域变化的影响,且可以有效减少应力遮挡,增加植骨块的应力传导,将有助于促进融合。

摘要：骨缺损一直以来都是威胁人类生命健康的重要原因,人工仿生骨修复替代材料是目前治疗骨损伤最为有效、可行的解决途径之一。要研发人工骨仿生材料,必先构建体外仿生矿化体系,以研究天然骨基质的矿化机制。胶原是矿化发生的模板,其交联度、直径、渗透压和表面电荷等性质会直接影响矿化的进行。矿化发生的生化和力学环境对矿化过程的影响也十分明显,特别是非胶原蛋白和流体切应力。流体切应力是骨组织在微观环境下受到的最主要力学刺激方式,对骨骼生长、修复以及健康维护都具有重要意义。不同水平和加载方式的切应力对无定形磷酸钙向骨磷灰石的转化、胶原纤维的自组装和定向排列以及分层纤维内矿化的形成具有显著作用。本文总结影响骨基质矿化的因素及其作用机制,重点介绍流体切应力对胶原矿化的调控作用,并展望未来的发展方向。

摘要：伴随着人口老龄化社会日益增长的需求,植介入医疗器械领域创新活跃。植介入生物材料的结构、力学特性及其与细胞组织的相互作用关系是决定内植物成败的关键,其蕴含的科学问题也日益受到学界的关注。1生物材料的结构与力学特性、结构仿生与生物材料创新生物材料结构与其力学特性之间有密切关系。生物体在自然选择的过程中,演化出独特的结构和力学性质。通过模仿生物体的多级结构和材料合成过程,可形成一系列具有特殊力学性质的仿生生物材料。