摘要：目的构建具有主动调节药物递送功能的诊疗一体装置,用于实时监测患者病情变化,并及时递送药物对疾病进行干预和治疗。方法构建具有主动控制药物递送能力的多功能药物递送装置,再对该装置进行结构优化,增加疾病诊断和监测功能,从而制备具有诊疗一体能力的植入装置。通过体外药物释放实验对系统的主动控制、组织压力和生物电信号采集能力进行检验;通过动物体内实验对该装置的应用效果进行评价。结果体外药物释放功能结果表明,该系统能够通过主动控制实现精准的药物递送,且可以进行多次数和多种类药物递送。该装置还能实现短期快速和长期慢速的双时间线药物递送。动物体内实验结果显示,该系统能够进行疾病监测和诊断,并且能够在癫痫等急性疾病病发时及时进行药物干预。此外,通过电阻与压力之间的转换实现了对生物力学信息的测量。细胞和体内生物相容性实验结果也显示其能够满足作为长期植入物的生物安全需求。结论通过结构设计和优化构建的诊疗一体植入装置能够通过力学信号或电生理信号采集实现疾病的监测和诊断,并能够及时进行多种类、多次数、多时间线药物递送。该系统可以满足临床对于急性疾病的监测和治疗,以及多并发症疾病的药物递送需求。

摘要：目的近年来,纤维状的水凝胶微颗粒在组织工程领域受到关注。封装细胞的纤维状水凝胶微颗粒不仅可作为体外三维组织和器官的构建单元,其几何形状还对微颗粒的注射性、装配性以及封装细胞的行为和功能产生影响。微流控技术提供了一种高通量、连续生产方法被广泛用于多种水凝胶微颗粒的生物制造,然而,当前产生的纤维状微颗粒尺寸范围相对较窄,精度较差。需要找到可靠的技术以生成具有可控几何形状的高精度的纤维状水凝胶微颗粒。方法提出了基于微流控技术以油-水界面作为微颗粒产生“开关”的水凝胶微颗粒构建方法。利用多相流体中互不相溶的流体可相互剪切的原理设计了一种结合T型和锥形毛细管的微流控芯片,通过理论推导与实验探究“油包水”系统的流动特性。结果制备出多种不同几何形态的水凝胶微颗粒,包括连续型纤维、螺旋型微纤维、蝌蚪型微纤维和球型微粒。蝌蚪型微纤维具有可调节的尺寸、曲率和形状,精度可达50μm。蝌蚪型微纤维中封装的内皮细胞存活率达到80%以上,进而可进一步探究其在体外组织中对内皮等细胞的行为和功能影响。结论本文提出的纤维状水凝胶微颗粒的构建方法可生产高精度的纤维状微颗粒,在组织工程和药物输送等领域具有潜在应用。

摘要：目的研究不同心脏泵血条件下人工心脏(LVAD)脉动和恒流模式对主动脉血流动力学环境、器官血流灌注以及血栓形成风险的影响,指导临床对LVAD的选择。方法基于临床数据构建正常人体主动脉模型和植入LVAD后的主动脉模型,使用具有人体特异性的三参数模型作为压力出口,对二者分别进行血流动力学计算研究。(使用生理状态下的主动脉速度波(5 L/min)以及模拟的心衰速度波(2.5 L/min)作为正常主动脉的入口条件;使用全支持脉动,全支持定常,半支持脉动和半支持定常作为植入LVAD的主动脉的入口条件)结果脉动和恒流模式对于心衰情况下的血流灌注均有改善:相较于恒流模式,脉动模式下LVAD供给主动脉上动脉的血流减少,供给肾动脉和下肢的血流增加;此外,恒流模式下释放的血栓颗粒也更容易运输至主动脉上动脉导致颅内血栓形成风险增加;LVAD半支持与全支持模式的结果显示,心脏泵血功能对主动脉的血流动力学指标均有改善,有助于减少主动脉血液滞留时间和血栓颗粒向上游运输的比例。结论相较于恒流模式,LVAD脉动模式有助于降低血栓形成风险,保证肾动脉及下肢的血液灌注;心脏收缩功能有助于改善主动脉血流环境,临床中对于心脏具有部分收缩功能的患者,可以考虑保留其功能。未来将进一步结合心脏收缩泵血的具体情况对LVAD脉动模式的设计进行研究。

摘要：目的细胞外基质刚度等微环境生物物理因素可调节干细胞的分化,而能量代谢对于干细胞谱系选择至关重要。本研究旨在探究细胞外基质刚度如何调节能量代谢来决定间充质干细胞的命运。方法采用不同刚度的聚丙烯酰胺水凝胶培养间充质干细胞,通过能量代谢分析,转录组测序和Western blotting等方法,分析细胞代谢活性及相关基因和蛋白的表达;使用超分辨成像,活细胞成像,透射电镜成像和图像三维重构等方法分析线粒体形态和细胞骨架等的变化。结果与软基底相比,硬基底显著促进间充质干细胞的糖酵解、氧化磷酸化功能,并增强抗氧化能力。硬基底通过增加线粒体融合蛋白1和2的表达以及抑制动力蛋白相关蛋白1的活性来促进线粒体融合,从而促进成骨。力敏感蛋白YAP通过影响糖酵解、谷氨酰胺代谢、线粒体动力学和线粒体生物合成,进而调节刚度介导的成骨分化。此外,糖酵解反过来通过细胞骨架张力介导的细胞核形变来影响YAP活性。结论能量代谢可响应细胞外基质的刚度,并通过YAP将力学信号和能量代谢连接起来,促进间充质干细胞的成骨分化。这为力学调控干细胞命运提供了新的见解,并为骨组织工程支架的设计提供了重要的依据。

摘要：目的椎弓根钉广泛应用于脊柱融合手术,但骨钉松动、脱出现象时有发生,尤其是对于骨质疏松患者。设计一种新型拉胀椎弓根钉,并根据骨钉与周围骨的生物力学相互作用规律,对拉胀椎弓根钉进行优化设计,以提高椎弓根钉对特定骨的固定性能。方法基于内凹型拉胀单元设计了一种拉胀椎弓根钉。通过设计拉胀单元壁厚和内凹角度来调节骨钉力学性能,并采用有限元方法进行表征。基于3D打印技术,以Ti6Al4V为材料制造骨钉。

摘要：目的基于拉胀单元设计的多孔骨植入体具有负泊松比效应,拥有与骨组织相近力学特性的同时具备良好抗拔出性能。因在宿主体内承受复杂的生理载荷,骨植入体需具备良好的抗疲劳性能,从而为骨组织修复过程提供持续的力学支撑。对负泊松比效应多孔骨植入体在拉-拉循环载荷下的疲劳特性展开探究。方法设计相同孔隙率的拉胀多孔试样和非拉胀多孔试样,以Ti6Al4V粉末为原料、采用选择性激光熔融工艺制备。

摘要：目的镁合金气管支架降解过程中受力不均,普遍存在局部降解过快导致断裂失效的问题。探究可降解镁合金支架在气管内所处的生物力学环境,通过支架结构设计调控支架在气管内所受应力状态。方法设计制备气管组织夹具以实现猪气管软骨样本在生理弯曲状态下受到拉伸并利用数字图像相关法测试软骨变形,得到气管软骨生理弯曲状态下的应力-应变关系,通过Marlow模型对其本构关系进行描述,并基于此建立气管有限元模型。提出考虑气管软骨和膜壁力学性质差异的非均匀支架结构,利用有限元法模拟该非均匀结构支架与均匀结构支架在平静呼吸及咳嗽两种状态下的受力状态。结果镁合金支架所受最大主应力区域对应于气管软骨与膜壁交界处。提出的非均匀结构支架在径向支撑性能以及受力均匀程度方面具有优势。结论基于气管周向力学性质不均匀特点,采用非均匀结构的镁合金支架能顺应气管力学特性,提高径向支撑性能,降低支架失效风险。

摘要：目的脑卒中幸存者大多因脑组织受损而患上手部运动功能障碍。本文设计了一种可同时产生触觉,视觉,听觉的多感官刺激手功能康复训练系统,来促进患者受损神经康复。该系统包括可以提供手部动作辅助的软体康复手套,以及与手套配合使用的虚拟现实场景。方法软体康复手套主体为柔软的纺织物,部分零件通过3D打印制作。手套驱动力由电机及弹力带提供,可实现任一手指的屈曲伸展运动。利用虚拟现实设备设计了示教场景,用于引导用户模仿系统给出的训练动作,并且可以根据用户表现评价打分。另有音乐、游戏场景来提高用户参与积极性。最后,通过动作捕捉器来实现软体康复手套与虚拟现实场景的耦合。结果轨迹测试显示佩戴软体康复手套后,患者抓握和对指的动作轨迹与正常人相似。功能性任务测试显示佩戴手套后,患者可完成抓小球,捏卡片等训练动作。功能性近红外分析显示,软体康复手套与虚拟现实的联合使用下,脑区之间的信息交流水平提高。结论该康复训练系统可同步提供音、视、触3种感官刺激,有助于大脑神经的可塑性变化。因此,该系统有望成为脑卒中后有效的手功能康复训练设备。

摘要：目的具有负泊松比效应的植介入医疗器械逐渐备受关注。对具有负泊松比效应的镁合金气管支架与气管的相互作用规律进行探索,以揭示该类型支架的生物力学特征。方法建立包括气管软骨和膜壁等组织在内的具有详细解剖结构的气管三维模型,设计并建立具有拉胀结构与非拉胀结构的镁合金气管支架,计算验证拉胀结构支架的负泊松比效应。

摘要：目的选择合适的骨缺损修复材料重建口腔颅颌面缺损是口腔医学研究的重难点问题。天然牙本质因与骨组织成分高度相似,可能成为新型骨修复替代材料,因此本研究旨在评估天然牙本质能否满足骨组织工程支架的条件之一——良好的力学性能。方法对天然牙本质处理后结合计算机辅助设计(CAD)出4种不同构型(仿骨小梁、仿骨小梁和大孔道、仿骨小梁和分层、3种复合构型)的支架,并通过数字化光处理(DLP)技术打印出支架。通过抗压试验、有限元分析(FEA),以及流体力学分析(CFD),评估支架的抗压强度、渗透性和壁面剪应力。结果结果显示,第一组仿骨小梁构型的支架抗压性能最好,可达5 MPa,其余3组由于添加大孔道、分层结构促进成骨的同时减弱了支架的力学强度,总体而言,四组支架均符合骨小梁的典型范围。流体力学分析表明,兼具3种构型的支架渗透率最高,添加分层结构的支架壁面具有最大剪切力1.63 MPa,添加大孔道结构的支架流线分布最为均匀。结论本研究表明医疗废物天然牙经回收处理后可被合理利用,基于成分与结构仿生的天然牙本质支架在口腔颅颌面缺损修复中具有良好的力学强度而有望应用于临床。