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三参数模型计算股骨颈松质骨压缩蠕变方程
背景:无论是人工关节的研究还是股骨颈骨折内外固定都需要了解股骨颈松质骨的蠕变力学特性.目的:通过实验定量得出股骨颈蠕变与时间的变化规律.方法:在电子万能试验机上对股骨颈松质骨8个试样进行蠕变实验.模拟人体体温36.5 ℃的温度场下进行实验,蠕变实验的应力增加速度为0.11 MPa/s.设定实验时间为7 200 s,采集100个数据以三参数模型处理实验数据.结果与结论:股骨颈松质骨蠕变,初600 s变化较快,之后应变缓慢上升,7 200 s蠕变量为0.84%.结果显示蠕变曲线是以指数关系变化的,三参数模型能很好的拟合股骨颈松质骨的蠕变曲线和方程.
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不同种药物干预骨质疏松模型大鼠股骨压缩力学的变化
背景：力学性能指标是评价药物治疗骨质疏松动物模型效果的重要方法，以压缩力学性能指标评价多种药物治疗老龄雌性骨质疏松模型动物的效果评价鲜有报道。目的：对大鼠股骨进行压缩力学性能实验，确定不同药物治疗骨质疏松的效果。方法：Wistar雌性大鼠36只随机分为6组：正常组对照组、模型组，丹杞颗粒组，阿法D3组，结合型雌激素组，依普拉芬组，每组6只。除正常组对照组外以去卵巢法复制老龄骨质疏松动物模型，分别以丹杞颗粒、依普拉芬、结合型雌激素(倍美力片)、阿法D3进行治疗，饲养15周后以腹主动脉放血法处死大鼠，取大鼠左、右侧股骨在电子万能实验机上以5 mm/min实验速度进行压缩实验。结果与结论：骨质疏松模型组大鼠股骨大载荷、大应力、大位移、大应变、弹性模量显著低于正常对照组、丹杞颗粒、依普拉芬、结合型雌激素组(P <0.05)；阿法D3组各项力学性能指标与模型组差异无显著性意义(P >0.05)；丹杞颗粒治疗组上述指标与正常对照组大鼠差异无显著性意义(P >0.05)。结果说明，模型组大鼠由于骨质疏松导致股骨压缩力学特性发生改变。依普拉芬、结合型雌激素组均能提高大鼠股骨压缩力学特性，丹杞颗粒效果好。
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4种药物干预治疗骨质疏松模型大鼠骨三点弯曲力学特性的对比分析
背景：力学性能指标是评价药物治疗骨质疏松动物模型效果的重要方法，以3点弯曲力学性能指标评价多种药物治疗老龄雌性骨质疏松模型动物的效果鲜有报道。目的：以大鼠骨3点弯曲力学性能指标评价骨质疏松模型大鼠经丹杞颗粒、结合性雌激素、依普拉芬及αD3干预的效果。方法：Wistar雌性大鼠48只分为6组，除正常组外，采用以去双侧卵巢的方法复制老龄骨质疏松大鼠模型。丹杞颗粒干预组每日给服丹杞颗粒0.9 g/kg，普拉芬干预组每日给服依普拉芬1 mg/kg，αD3干预组每日给服αD30.1 mg/kg，结合型雌激素干预组每日给服结合型雌激素0.3 mg/kg。以电子万能实验机对各组大鼠左、右侧胫骨进行3点弯曲力学性能测试。结果与结论：丹杞颗粒、依普拉芬、结合型雌激素干预组胫骨大载荷、大应力、大弯矩、大应力及弹性模量大于模型组(P <0.05)；αD3干预组大载荷、大应力、大应变、弹性模量与模型组差异无显著性意义(P >0.05)；丹杞颗粒干预组胫骨大载荷、大应力、大应变与正常对照组比较差异无显著性意义(P >0.05)。丹杞颗粒干预组、结合型雌激素干预组、依普拉芬干预组弯曲力学性能恢复较好,以丹杞颗粒干预组效果好，αD3干预治疗组弯曲力学性能指标无明显恢复。结果说明以丹杞颗粒干预骨质疏松模型大鼠胫骨3点弯曲力学性能恢复效果好。
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松花粉治疗砷中毒动物坐骨神经损伤力学特性分析
目的 松花粉治疗砷中毒动物坐骨神经损伤的生物学和生物力学特性.方法 6月龄SD大鼠30只随机分为对照组、砷中毒模型组、松花粉治疗组各10只.检测血清砷、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px).取大鼠左、右侧坐骨神经进行拉伸实验.结果 模型组坐骨神经的拉伸弹性限度载荷、弹性限度应力、大载荷、大应力、大应变小于对照组和松花粉治疗组(P＜0.05);松花粉治疗组小于对照组(P＜0.05).结论 砷中毒动物模型坐骨神经拉伸力学特性发生了改变,松花粉治疗有一定改善.
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甲状腺肿大对甲状腺蠕变影响实验研究
地方性甲状腺肿大是一种地域分布较广的一种常见和多发性地方病.机体缺碘可出现甲状腺肿大,多种甲状腺疾病也可造成甲状腺肿大[1].关于甲状腺肿大很多学者作了大量的研究工作.其研究主要集中于其发病机理、预防、诊断、治疗或进行生理、病理、生化等研究.搞清楚正常与地方性甲状腺肿大甲状腺的蠕变粘弹性力学特性对预防和治疗地方性甲状腺肿大都有重要意义.
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氟中毒动物模型骨蠕变实验研究
目的 研究正常与氟中毒动物模型骨的蠕变力学特性,确定氟中毒对动物模型骨蠕变力学特性是否具有影响.方法 复制氟中毒动物模型,取氟中毒动物模型股骨和正常对照组动物骨进行对比试验.结果 得出了正常对照组和模型组动物股骨蠕变实验数据和曲线、应变与时间的变化规律.正常对照组股骨7 200 s蠕变量为0.3%,模型组7 200 s蠕变量为0.2%.结论 氟中毒对模型组股骨蠕变力学特性具有一定影响.
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多种药物干预治疗老龄雌性骨质疏松模型大鼠股骨近端扭转实验
目的：对对照组、骨质疏松模型组、骨质疏松模型以丹杞颗粒、以依普拉芬、以结合型雌激素、以阿法治疗组大鼠股骨近端进行扭转实验，确定各种药物治疗骨质疏松的效果。方法以去卵巢法复制骨质疏松动物模型，以丹杞颗粒、依普拉芬、结合性雌激素、进行治疗，饲养15 w后以腹主动脉放血法处死大鼠，取大鼠左、右侧骨在扭转试验机验机上进行扭转实验。结果骨质疏松动物模型组股骨近端大扭矩、大扭转角、大扭转切应力显著低于正常对照组、丹杞颗粒、依普拉芬、结合性雌激素治疗组（ P＜0．05），以丹杞颗粒组大鼠胫骨大切应力、大扭转角大于对照组，差异显著（ P＜0．05）。结论老龄骨质疏松模型组大鼠由于骨质疏松导致股骨扭转力学特性发生改变。骨质疏松模型大鼠通过以丹杞颗粒、依普拉芬、结合型雌激素、干预治疗后扭转力学特性均有一定提高，丹杞颗粒效果好。
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多种药物治疗老龄雌性骨质疏松大鼠骨拉伸力学特性比较
目的 对比骨疏康颗粒、依普拉芬、甲状旁腺激素(3-34)牛、阿法D3干预骨质疏松动物模型后动物股骨的拉伸力学性能效果.方法 以去雌性大鼠双侧卵巢的方法建立骨质疏松动物模型,分别以骨疏康颗粒、甲状旁腺激素(3-34)牛、阿法D3、依普拉芬进行干预治疗,于药物干预18 w后处死各组大鼠,取各组大鼠左、右侧股骨进行纵向拉伸测试.结果 正常对照组、各治疗组各项拉伸力学性能指标明显大于模型组(P<0.05).结论 由于骨质疏松使模型组大鼠骨的拉伸力学性能发生了一定改变.骨质疏松模型大鼠以骨疏康颗粒、依普拉芬、甲状旁腺激素(3-34)牛干预治疗后,拉伸力学性能指标均得到了一定恢复,骨疏康颗粒干预组的拉伸力学性能指标恢复效果好,以阿法D3干预组力学特性恢复效果不明显.
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青年与老年尸体T3～T12胸椎松质骨蠕变特性对比
目的 确定老年尸体胸椎松质骨和青年尸体胸椎松质骨是否具有不同的蠕变特性.方法 人死后24h内解剖取出胸椎T3～ T12标本,沿纵向切成长10 mm,宽5mm,高5mm的试样,每组10个,在电子万能试验机上进行蠕变实验,设定实验时间为7 200 s,采集100个数据,以三参数模型处理实验数据.结果 青年组7200 s蠕变量0.31％,老年组量为0.2％,蠕变曲线是以指数关系变化的.结论 青年组脊柱T3～T12胸椎松质骨和老年组具有不同的蠕变特性,老年胸椎松质骨对蠕变特性具有一定的影响.
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原子力显微镜在生物制品中的应用
原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)是Binning等在1986年研制出来的,是一种揭示生物结构与性能的有力工具,具有比传统电子显微镜更高的放大倍数和极高的分辨率,能对从分子到原子尺度的结构进行三维成象和测量,可以在生理条件下实时进行,甚至能对生物样品进行纳米操纵.原子力显微镜越来越多地应用到生物领域的各个方面,如生物样品的形态结构、动态观察、力学特性、纳米操纵等,并且取得了许多令人鼓舞的成果.
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微流控芯片在心肌细胞功能研究中的应用
心肌细胞是心脏结构和功能的基本单位,约占心脏细胞总数的三分之一,是心脏发育、生理病理研究的重点对象,然而传统的在体和体外研究技术存在诸多困难,无法实现细胞微环境的有效控制和生理功能的实时动态监测,制约着心肌细胞功能研究的快速发展.近年来迅速发展的微加工技术,尤其是微流控芯片技术为心肌细胞功能研究提供了便利.微流控芯片技术具有微米尺度的细胞及其微环境的时空控制功能,有效提高了体外细胞研究的组织相关性,是心肌细胞生理功能和力学特性研究的重要工具,如实时监测单个心肌细胞的代谢活性、表征细胞的电生理特性和力学特性、研究细胞微环境和力学微环境对心肌细胞形态和功能的影响.本文从前述几个方面对微流控芯片在心肌细胞生理功能研究中的应用进行综述和对其应用前景进行了展望.
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镉对大鼠离体心脏乳头肌力学特性的影响
[目的] 研究镉对离体心室乳头肌力学特性的影响.[方法] 取Wistar大鼠左心室乳头肌,分别测定镉对离体心室乳头肌主动张力(PT)、大收缩和舒张速率(±dT/dtmax)、dT/dtmax位点时收缩成分缩短速度(VCE)及刺激至张力峰值时程(TPT)的影响.[结果] 当镉离子浓度为(2.75×10-5)mol/L时,对乳头肌收缩张力无明显作用,但已引起+dT/dtmax和-dT/dtmax显著降低,镉离子浓度达(5.45×10-5)mol/L时,才对乳头肌的PT产生明显影响,用肾上腺素、氯化钙和肾上腺素加氯化钙进行干预,可见到乳头肌收缩能力迅速恢复.[结论] 镉离子使乳头肌的±dT/dtmax、PT和VCE明显降低,使TPT延长,钙或(和)肾上腺素可以对抗镉对乳头肌的上述作用.
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温度对培养心肌细胞力学特性的影响
[目的]探讨温度对培养心肌细胞收缩特性的影响. [方法]通过培养1～3天龄的Wistar大鼠心肌细胞,用光电培养心肌细胞搏动传感器和生理记录仪记录、测定不同温度下心肌细胞的力学特性. [结果]从37 ℃降低到30℃,培养心肌细胞的力学特性逐渐降低,自主收缩频率(beat rate,BR)、主动收缩张力峰值(peak tension,PT)、张力上升大速度(+dT/dtmax)、张力下降的大速度(-dT/dtmax)和心肌细胞活动功率(power,P,P=PT×BR)分别降低到37℃状态的93.3%、33.6%、31.6%、37.7%和33.6%,39 ℃时其力学特性高,BR、PT、+dT/dtmax、-dT/dtmax和P分别达到37℃状态的109.3%、124.9%、123.1%、128.4%和134%,达到40℃时,其力学特性则又降低,上述5项指标分别降低为37℃状态的97.4%、91.8%、90.4%、90.3%和90.7%. [结论]温度可明显影响培养心肌细胞收缩特性.
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3种不同后路内固定方式及其横连治疗胸腰段骨折的力学性能比较
目的 比较3种不同后路内固定方式及其有无横连杆治疗胸腰段骨折的生物力学性能差异,寻找优化的后路内固定方式.方法 在已验证的正常T12～L2有限元模型基础上,模拟L1椎体爆裂性骨折.将T12椎体上半皮质骨切除并赋予内部松质骨损伤材料属性,分别建立无、有横连杆经伤椎单侧螺钉(模型A1、A2)、常规短节段(模型B1、B2)和经伤椎双侧螺钉(模型C1、C2)6种内固定模型.分别比较6组模型在各种生理应力下的活动范围(range of the motion,ROM)以及螺钉和棒的大Von Mises应力情况.结果 在屈伸和侧屈应力下,经伤椎单侧和双侧螺钉内固定模型组ROM均明显小于常规短节段内固定组;而经伤椎单侧和双侧螺钉内固定组,在屈伸应力下两者ROM无显著差异,在侧屈应力下经伤椎双侧螺钉模型的稳定性优于经伤椎单侧螺钉固定.应力主要集中在上位螺钉钉尾和上位螺钉与伤椎螺钉之间的棒体,经伤椎双侧内固定组上位螺钉大应力明显低于经伤椎单侧和常规短节段内固定组螺钉大应力.横连可增加各内固定组在扭转应力下的稳定性,也可降低上位螺钉和棒在扭转应力下的大应力,而屈伸和侧屈应力下螺钉和棒的大应力未见明显差异.结论 经伤椎置钉后路内固定可获得较好的生物力学稳定性,且添加横连不仅能改善构型扭转刚度,而且能降低螺钉和棒的大扭转应力,是治疗胸腰椎不稳定骨折良好选择.
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V形曲力学性能的三维有限元分析
目的 对不同弓丝材质、尺寸、角度、形状、托槽间距的V形曲进行有限元力学分析,为V形曲的临床应用提供理论参考.方法 建立两种材质(不锈钢弓丝、β钛丝)、两种尺寸(0.43 mm×0.64 mm、0.48 mm×0.64 mm)、两种V形曲位置、两种角度(150°、165°)和两种托槽间距(7、10 mm)的V形曲有限元模型,进行模拟加载后,对比分析其力学性能.结果 不锈钢弓丝材质V形曲产生的大作用力值均大于β钛材质V形曲,0.43 mm×0.64 mm弓丝弯制的V形曲作用力均小于0.48 mm×0.64 mm组,对称型V形曲受弓丝尺寸变化更为明显,托槽间距变化对非对称型V形曲作用力力值的影响更为明显.在V形曲形状相同时,V形角度越小,其各托槽作用力越大.结论 弓丝材质尺寸、角度形状及托槽间距的改变均能影响V形曲力学行为.在临床应用中,可以根据托槽间距的大小,对V形曲弓丝材质尺寸、角度形状进行选择.
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两种覆膜支架的生物力学对比分析
目的 应用数值模拟方法研究两种直管型覆膜支架在植入过程中自膨胀释放、平衡状态、支架弯曲3种工况下的生物力学特性,并对比支架结构变化对其各生物力学指标的影响.方法 建立两款环状覆膜支架(支架Ⅰ、Ⅱ,其中支架Ⅱ各独立支架单元间添加连杆加固)和目标血管的有限元模型.使用输送鞘将支架输送到目标血管中,释放输送鞘使支架自膨胀释放,并建立血管和覆膜支架的接触关系;释放完全后,在支架内表面施加6.65 ～ 19.95 kPa(50 ～ 150 mmHg)动脉压;在支架两端施加角位移以使其弯曲变形.后分析变形血管的等效应力峰值,覆膜支架在各工况下的大主应变峰值、等效应力峰值及形态的变化.结果 在自膨胀释放过程中,支架Ⅰ、Ⅱ造成血管壁应力集中的峰值分别为0.349、0.371MPa;平衡状态中,支架Ⅰ、Ⅱ平均应变分别为0.086％、0.053％,振荡应变分别为0.049％、0.027％,覆膜应力峰值分别为2.098、2.430 MPa;支架弯曲变形时,支架Ⅰ、Ⅱ大主应变峰值分别为0.069％、0.101％,覆膜变化形态上支架Ⅰ褶皱更为严重.结论 两种覆膜支架在各状态下应力应变都满足相应材料屈服极限;支架Ⅱ由于单元间存在连杆而使其在释放过程中具有更大的径向支撑力,动脉压作用下具有较低应变水平,支架弯曲变形时也能具备更好的贴壁性.研究结果可以为覆膜支架的结构设计以及覆膜材料选择提供一种分析方法,并给临床覆膜支架介入手术操作提供直观、准确的技术指导.
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脊柱颈胸结合部C5～T2三维有限元建模与验证
目的 基于CT图像数据建立人体脊柱颈胸结合部C5～ T2的三维有限元模型,并验证模型的正确性和有效性.方法 采用Mimics、Geomagic和Hypermesh软件对人体脊柱颈胸结合部C5 ～ T2椎体进行三维重建、模型修复和有限元前处理,对模型顶面施加±0.5、1、1.5、2N·m扭矩,用于模拟人体前屈和后伸活动时所产生的载荷作用,使用ANSYS软件计算脊柱颈胸结合部C5～T2节段在前屈和后伸承受扭矩载荷作用时的关节活动度(range of mo-tion,ROM),将计算结果与前人研究结果进行对比分析.结果 人体脊柱颈胸结合部C5～T2三维模型中C5 ～6、C6～7、C7 ～ T1和T1～2各节段椎体在1N·m载荷作用下,前屈时ROM分别为4.30°、3.21°、1.66°和1.41°,后伸时ROM分别为3.47°、2.86°、0.96°和0.92°.前屈时大应力出现在椎体前缘,后伸时椎体后缘出现较大应力.ROM和应力分布的趋势与前人研究结果相一致.结论 建立的脊柱颈胸结合部三维模型精确逼真,符合脊柱颈胸结合部的生物力学特性,模拟结果可为临床病理研究和颈胸部手术术式的评价提供理论依据.
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站立位下骨盆与骨折内固定稳定性分析
目的 构建骨盆与骨折内固定三维有限元模型并验证其有效性.方法 基于骨盆CT扫描图像,利用Mimics、ANSYS ICEM、Hypermesh与ABAQUS软件构建骨盆三维有限元模型,并在S1椎体上垂直向下加载600 N均布载荷,模拟站立位时骨盆受力环境,验证骨盆模型的有效性;同时建立3种不同内固定形式的T型骨折模型,验证3种内固定方式的有效性.结果 站立位时,应力与位移分布左右对称,应力主要集中在弓状线起点处、耻骨支以及髋臼后上方.骨盆位移分布类似于以骶骨为中心向外传导并逐渐减弱的波浪形,骶骨背侧的骶正中嵴位移大,髂骨窝、股骨位移较小,并逐渐减小直至股骨,同时发现3种内固定都可增加骨折稳定性.结论 利用六面体网格建立的三维有限元模型,能够准确模拟站立位时骨盆力学特性,为临床研究提供直观准确的依据.
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基于Simpleware全颈椎三维有限元模型的构建与分析
目的 利用Simpleware软件构建全颈椎三维有限元模型,并对模型进行验证和分析,为探讨颈椎损伤机制提供可靠模型.方法 基于CT断层扫描图像,利用医学图像处理软件Simpleware、逆向工程软件Geomagic建立C1～7全颈椎三维实体模型,导入Hypermesh进行颈椎网格划分、添加韧带并引入小关节突接触关系等,建立C1 ～7全颈椎有限元模型,在ANSYS中模拟前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况下颈椎的生物力学性能.结果 建立的模型准确可靠,在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转时,活动范围与文献中离体实验和有限元分析结果相近.椎间盘应力集中在椎体受压侧,C4/5易产生应力集中.结论 建立的C1 ～7全颈椎有限元模型能够有效模拟颈椎的生物力学特性,为后续颈椎挥鞭样损伤的生物力学研究奠定良好的基础.
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外骨骼框架生物力学设计及强度分析
目的 依据人体运动学分析,设计一套模仿人体下肢生理结构和运动特点的外骨骼机械结构,研究外骨骼在步行过程中两个不同时相下的生物力学特性,为外骨骼的设计与优化提供研究基础.方法 首先根据下肢步态分析,应用三维建模软件进行外骨骼机械结构的设计,在生成实体模型后利用有限元软件进行装配、网格划分以及单元属性赋值,并建立各个构建之间的面-面接触关系,模拟分析外骨骼的应力分布情况.结果 在1 kN载荷下,双腿站立(工况1)的大应力为91.45 MPa,胫骨竖直(工况2)大应力为154.55 MPa,分别发生在后背支架和髋部,与设计前的传力机制分析结果一致.结论 外骨骼在不同工况下应力分布有明显不同.由于在计算中没有考虑到步行过程中可能产生的冲击等不确定因素,在设计优化外骨骼时需要考虑并乘以一定的安全系数.
