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：目的软体机器人因其内在的顺应性,为机器人与人体之间更安全的柔性人机交互提供了新的解决方案,但软体机器人的顺应性为软件机器人的传感和控制带来新的挑战。本文提出一种弹簧增强的软体机器人模块,该软体机器人模块可以感知长度和输出力,为大变形的软体机器人的传感和控制提供了一种新的解决方法。方法该软体机器人模块利用飞行时间测距传感器监测软体机器人模块的长度变化并结合软体机器人内部气压的测量值。

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。

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：目的人类能够轻松感知抓握物体的形状和纹理。然而,对于可穿戴设备而言,像人手一样准确识别物体仍然是一个挑战。方法在本研究中设计了一个实验,要求受试者抓握3个柔性物体(圆柱形、球形和椭球形气囊),同时通过在手上粘贴22个FSR传感器以采集触觉数据。首先利用递归特征消除算法,结合交叉验证策略,排除对抓握识别任务贡献较小的传感器,确定最佳的传感器及其位置。其次通过6种机器学习分类器(LR、SVM、KNN、LDA、RF和MLP)验证所选传感器在抓握识别中的表现。最后根据最佳的传感器位置将7个传感器安装在开发的智能手套上,并设计了新的实验来检验手套在任意抓握柔性物体中的识别表现。结果使用7个传感器的平均识别准确率(ACC=93.97%±6.27%)与使用22个传感器的平均识别准确率(ACC=97.78%±3.53%)相当。此外,参与者在以任意力量进行抓握时,手套仍然表现出了非常高的平均识别准确率(ACC=91.67%±2.28%)。此外,通过相关性分析,确定了抓握不同柔性物体时,不同手部位置传感器对抓握的贡献和相互作用,这有助于理解传感器被选择或剔除的原因。结论充分的验证和分析表明,本工作提供了一种通过仅有少量传感器的低成本手套来实现柔性物体识别的简单解决方案。

摘要：目的椎间盘退变在人群中普遍存在,在形态学上始于髓核组织的外基质变性。临床中使用具有一定活动性的人工假体替代退变髓核的支撑及活动功能,这难以实现退变髓核生物学功能的完全恢复。可降解材料的快速发展为髓核组织退变后的功能重建提供了良好前景。然而,当前组织工程研究中往往专注于髓核生物学功能的重建而忽略了支架生物力学环境的构建,这给病人术后恢复带来困难,严重者更可能造成支架递送的有效成分被挤出而导致治疗失效。

摘要：目的弥散性轴索损伤(DAI)是颅脑外伤中常见的病例类型,主要由旋转冲击造成,可引起患者认知、行为、情感障碍或死亡。现有技术DAI模型具有瞬时单次、混合线和旋转运动、接触性撞击产生其他局灶病等的缺陷,本研究开展了新的可重复、纯旋转冲击、无其他局灶病的旋转冲击伤DAI动物模型的研制与验证,为DAI损伤机理、损伤耐限/阈值、损伤防护等研究的开展搭建研究平台。方法(1)采用高电频马达旋转直驱方案,带动动物载物台的急启急停,并研制机械系统、PLC控制系统、软件系统、动物固定系统、动平衡配重系统等,通过装配、测试、优化改进、调试等方法,研制旋转冲击伤DAI动物模型。(2)在该DAI动物模型基础上开展动物旋转冲击实验,从磁共振成像(MRI)影像、大体解剖、切片病理技术等几方面研究其损伤情况。结果MRI扫描显示胼胝体损伤,FA降低;大体解剖发现脑膜、胼胝体、大脑皮层与中脑交界处出血灶;用苏木精和伊红染色对脑切片进行病理检查,可发现大脑皮层和脑干的这些区域也出现了细胞水肿、细胞核溶解的现象。结论该旋转冲击伤DAI动物模型设计合理,可引起白质损伤,没有内脏或颅骨等其他病灶伤,可用于多物种动物的旋转DAI实验。

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。