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髋臼几何形态对髋关节接触力学行为的影响
目的 研究髋臼解剖几何形态对髋关节接触力学特性的影响.方法 建立人体天然髋关节的解剖学模型以及具有不同髋臼外形的简化模型,利用有限元分析方法研究步态载荷作用下髋关节的接触力学行为.结果 (1)解剖学模型产生的接触主要在髋臼的中上部,沿身体前后方向分布,峰值接触应力出现在髋臼前上部.(2)与解剖学模型相比,旋转椭球形髋臼产生了类似的接触分布,而球形和旋转蚶线形髋臼产生的接触主要在髋臼中部,沿上下方向;(3)旋转椭球形髋臼具有大的接触面积和小的峰值接触压力和Von-Mises应力;(4)球形髋臼和旋转蚶线形髋臼具有类似的接触力学特征.结论 与球形和旋转蚶线形相比,旋转椭球形能够更好地描述髋臼的解剖形态及其接触力学行为.
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年龄变化对人牙本质裂纹扩展升阻能力的影响
目的 通过有限元数值计算的方法研究年龄变化对牙本质断裂力学行为的影响.方法 根据典型的紧凑拉伸试件形式建立有限元模型,采用内聚力模型分别模拟裂纹在年轻和老龄牙本质中稳态扩展的过程,并进行比较.结果 老龄牙本质的扩展断裂韧度和断裂韧度趋于恒定时的值分别为0.51、1.19 MPa·m1/2,显著小于年轻牙本质的相应值(7.48、1.71 MPa·m1/2);然而,这两者之间的初始断裂韧度相差比较微小,年轻和老龄牙本质的初始断裂韧度分别为0.51和0.38 MPa·m1/2.结论 随着年龄的增长,牙本质抵抗裂纹扩展的能力发生了明显的减弱.基于内聚力模型的数值方法能够很好地预测牙本质等力学性能与年龄相关的生物硬组织材料的裂纹扩展行为.
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腰椎间盘突出症力学特征的仿真计算方法
目的 建立腰椎间盘突出症力学特征的数值计算分析模型,为腰椎间盘突出症的力学机理提供一种检测评估方法.方法 利用健康成人L4～5腰椎运动节段CT影像,采用Mimics 10.01医学图像处理软件和Geomagic 10.0逆向工程软件分别建立L4～5腰椎运动节段的椎骨和椎间盘,并在Ansys软件中附加腰椎相关韧带及通过改变椎间盘突出后对应的材料属性,建立腰椎L4～5运动节段有限元模型,构建正常模型和腰椎间盘突出模型；运用有限元方法模拟正常椎间盘和突出椎间盘在轴向压力、前弯、侧弯、旋转和后伸5种载荷下的生物力学特征参数.结果 椎间盘突出后,椎间盘的应力分布及传递载荷的能力改变,应力集中于纤维环后外侧；在相同的载荷情况下,突出的椎间盘的大形变量比正常椎间盘的大；椎间盘突出模型的小关节突接触力比正常模型的小关节突接 触力大.结论 椎间盘突出后,椎间盘的承载功能下降,关节突的应力水平升高,小关节的负荷增加,从而导致腰椎稳度下降.
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基于原子力显微镜技术研究不同激活态下肌节超微结构与压弹性
目的 搭建研究不同激活态下昆虫飞行肌纤维的超微结构与力学特性的系统,并以此开展近生理环境下的心肌生物力学研究,进而推动对心肌结构、力学特征和生理功能间关系的认识,为心肌病的基础研究和临床治疗提供更多的线索.方法 采用轻敲模式的原子力显微镜技术研究僵直态.松弛态和活化态下昆虫飞行肌肌原纤维的超微精细结构；采用纳米压痕技术研究不同生理状态下肌纤维的定点弹性特性.结果 肌原纤维在僵直态、松弛态和3种活化态的肌节长度分别为:(2.10±0.05)、(3.10±0.10)、(2.50±0.15)μm (2 mmol/L Ca2+),(2.60±0.25) μm(5 mmol/L Ca2+)和(2.55±0.15) μm( 10 mmol/L Ca2+),A带长度始终保持在1.50 μm左右,而Ⅰ带的长度则有较大的变化(0.7～1.6μm)；力学实验发现,在同一生理状态,肌原纤维的弹性参数的大小满足Z线＞M线＞重叠区＞Ⅰ带；在不同活化状态下,钙离子浓度变化对Z线、M线和Ⅰ带的压弹性影响的程度很接近.结论 5mmol/L的Ca2+浓度是合适的肌纤维活化浓度,肌节长度的分布符合肌动蛋白与肌球蛋白在重叠区相对滑移的力学和空间结构模型；AFM是肌纤维超微结构与力学特性高分辨研究的潜力工具.
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松质骨吸能特性分析
目的 对不同位置、具有不同受力特性的4种松质骨细观模型进行吸能特性分析.方法 使用有限单元法计算在单向冲击荷载下4种模型的吸能特性.结果 根据各个模型的比吸能值,发现棱柱形细观结构模型为理想的吸能模型.为全面了解棱柱形细观结构模型的力学特性,进一步对其进行屈曲分析和扩展分析,发现1阶屈曲荷载为248.11 Mpa,单元间的影响对棱柱模型影响很小.结论 处于不同位置松质骨的4种细观结构模型,可根据受力特点,作为吸能材料的细观结构模型,特别是可作为缓冲吸能复合材料夹层的细观模型.
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在体兔眼压强-体积关系的实验研究
目的:获得在体兔眼眼内压与眼球体积变化的关系.方法:通过对在体兔眼前房以20μL/min的速度注入生理盐水100min,记录眼内压随注水时间的变化数据.结果:眼内压随注水时间的曲线呈非线性变化,可用分段函数拟合.曲线的上升段存在一特殊点(定义为拐点),此点前后的眼球刚度系数分别为(4.02±0.86)mmH2O/μL和(2.43±0.94)mmH2O/μL(1mmH2O=9.8Pa),有显著性差异.结论:拐点的存在具有普遍性,注水速度和拐点位置均对眼球刚度系数有影响.眼内压随注水时间的拟合函数中部分拟和参数具有较明确的生理意义.
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力学因素在间充质干细胞构建功能性组织工程化软骨中的作用
间充质干细胞具有多向分化潜能,可定向分化为软骨组织,并且取材广泛、体外扩增能力强,是广泛应用于软骨组织工程的理想细胞之一.由于关节软骨具有重要的生物力学功能,需要强调和评估间充质干细胞构建组织工程化软骨组织的力学生物学性能.为更好地了解和认识修复软骨的诱导因素、信号通路与力学特性之间的关系,本文回顾了间充质干细胞在功能性软骨组织工程研究中的力学生物学研究进展,并论述了该领域内目前存在的问题及若干可供探索的途径和新方向.
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虹膜组织力学特性的实验研究
目的模拟眼内前后房压强差,对人眼和兔眼虹膜整体加压,研究其力学特性.方法将瞳孔水密缝合,不破坏其几何形态,对虹膜整体加压.结果首次实现了对虹膜整体力学特性的认识,人眼和兔眼虹膜力学特性相似,虹膜是典型的粘弹性物质,面积模量与前后房压强差之间基本呈线性关系,并且在相同的前后房压强差下人眼虹膜的面积模量比兔眼虹模的略小.结论实验结果可为青光眼致盲机理解释和瞳孔阻滞力的估算提供参考;同时,经适当修正后,兔虹膜可作为人虹膜力学特性的研究样本,大大降低研究成本.
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肝癌细胞的粘附力学特性及其与细胞周期的关系
肿瘤细胞的血道转移是一个多环节、多步骤的复杂过程,其中肿瘤细胞与血管内皮细胞的粘附是肿瘤转移的决定性步骤之一,肿瘤的本质实际上是细胞周期紊乱、细胞失控性生长所致的一类疾病.但肝癌细胞与内皮细胞的粘附特性及其与细胞周期的关系,尚未见详细文献报道.本文将细胞力学与细胞生物学有机结合,利用微管吸吮技术从周期的角度定量测量不同细胞周期肝癌细胞与内皮细胞间的粘附力学行为特征,为进一步阐明肝癌的血道转移机理和临床上肝癌的预防和治疗提供定量的参考依据.
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急性高血压诱发血管重建的数值研究
研究表明,高血压将导致动脉管壁几何尺寸、力学特性以及生理功能的一系列变化,这是血管为适应力学环境改变(血压升高)而发生的重建(remodeling).研究高血压血管重建不仅有助于了解生命材料特有的对力学环境的自适应特性,而且对高血压病理研究和有效防治也有重要的指导意义.因此,有关高血压血管重建的研究已成为当前人们研究的热点之一.
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风心病慢性肺动脉高压血管力学特性的变化
目的全面评价风心病二尖瓣病变肺高压的肺血管力学特性的变化规律.方法:借助右心导管技术和利用压力波形面积确定动脉顺应性的改进方法,通过测定肺血流动力学和肺血管顺应性.
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虹膜组织力学特性的实验研究
青光眼是国家防盲工作的重点,闭角型青光眼是其中的主要类型,致盲率很高,瞳孔阻滞形成和虹膜组织材料变性是发病的主要体征.近百年的研究没有给出虹膜材料力学特性的定量表达和瞳孔阻滞力的量化描写.主要原因是虹膜材料试样小、中有瞳孔,待测力学量小,无法进行常规测量.我们开发了瞳孔水密缝合构建虹膜腔体进行测量的实验方法.
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生物硬组织材料力学研究方法进展
研究生物硬组织材料的力学性质对于预防和治疗骨科和口腔疾病具有重要意义.同时,经过长期的进化,生物材料具有独特的力学性质,研究这些材料的结构与力学性质可以为工程材料的设计提供解决方案.与工程材料不同,生物材料的力学研究需要采用特殊的方法来准确描述其力学性质.本文针对生物硬组织材料力学性质的研究方法进行综述,包括生物硬组织材料的常规力学实验方法、断裂力学和压痕测试技术,以及微观和宏观力学数值模拟技术.
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聚合物表面生物修饰对转化人胚肌腱细胞粘附力学特性的影响
目的探讨增强转化人胚肌腱细胞与聚合物材料粘附力学特性的措施.方法采用生物可降解聚合物-乳酸与羟基乙酸共聚物85/15(PLGA85/15),制成透光的薄膜,表面裱衬细胞外基质(I型胶原蛋白、纤维粘连蛋白,以及相应的抗体)和生长因子(类胰岛素生长因子1),接种转化人胚肌腱细胞后,利用微吸管实验技术测定转化人胚肌腱细胞与聚合物薄膜的粘附力.
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中医斜扳疗法治疗腰椎间盘突出的生物力学研究
目的 对椎间盘突出等腰椎病中医推拿斜扳疗法进行生物力学建模分析研究,比对脉冲激励的传统斜扳法和简谐激励的改良斜扳法两种不同手法的力学特性.方法 假设椎骨为刚体,椎间盘及周围韧带等软组织为黏弹性体,建立模拟L1 ～5的5自由度振动系统,对基本方程进行解析求解.结果 简谐激励改良斜扳法的疗效与频率有关.在频率≤1的简谐激励改良斜扳法作用下,病变节段大位移都大于脉冲激励传统斜扳法下的大位移.随着病变位置下移,简谐激励改良斜扳法的损伤比相比脉冲激励传统斜扳法逐渐下降,安全性增高.结论 使用频率≤1的简谐激励改良斜扳法,治疗效果优于脉冲激励传统斜扳法,且可控制损伤.
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颈椎微调手法的力学特性分析
目的 对脊柱微调手法的颈部操作进行力学特性分析,为该推拿手法的临床推广提供可参考的力学数据.方法 微调手法创始人、手法熟练者和手法初学者3位测试者用微调手法在健康人体颈椎两个节段上操作,采用FingerTPS Wireless System采集拇指力量大小的数据,分析在右手拇指力量大时双手拇指力量大小的差异,以及拇指力量大小随时间变化的规律.结果 各测试者双手拇指力量大值之间存在明显差异(P＜0.001)；不同的手法测试者在应用脊柱微调手法时,都存在作用力的加力过程(波谷至波峰的时间T1)比减力过程(由波峰至波谷的时间T2)略长,经统计学分析有明显差异(P ＜0.001).结论 微调手法操作上存在主力手和辅助手,微调手法操作是慢速加力和快速减力的过程.
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大腿残肢步态过程的非线性有限元分析
目的 利用三维有限元分析方法研究大腿截肢患者在行走过程中3个不同时相下残肢的生物力学特性,为建立完整的大腿接受腔测量、设计与评估系统提供研究基础.方法 首先根据CT图像三维重建大腿截肢患者的骨骼、肌肉软组织和接受腔的三维几何模型；定义软组织为超弹性和线弹性材料属性,并相应建立两个有限元仿真模型；定义残端与接受腔之间的接触关系,约束残肢近端,对模型的远端施加膝关节载荷,模拟步态周期中足跟着地时期、站立相中期、脚尖离地3个时相下大腿残肢-接受腔系统所受载荷；计算分析接触界面上的应力,并对比分析超弹性和线弹性软组织力学特性对接触界面力学行为特性的影响.结果 无论线弹性还是超弹性模型,3个时相下大腿残肢-接受腔界面的大接触压力均在残肢末端达到大值.超弹性模型3个时相下接触压力峰值分别为55.80、47.63和50.44 kPa；而线弹性模型接触压力的大值都增加2倍以上,其值分别为149.86、118.55和139.68 kPa.同时通过分析接触面间的径向剪切应力和轴向剪切应力发现,3个时相下接触界面间的应力在残肢末端较集中,在足跟着地到脚尖离地过程中,有部分力通过接受腔后侧缘传递转向接受腔前缘传递.结论 不同时相下残肢与接受腔接触界面的压力和剪切应力分布情况不同,在设计接受腔时需要充分考虑其受力特点.
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基于膨隆实验的血管非线性力学特性确定方法
目的 基于实验测试和数值模拟结果,建立反方法确定血管的非线性力学特性.方法 采用自行设计的实验装置,对血管进行压力加载,获取血管膨隆的实验数据;假设血管材料特性符合超弹性Ogden模型,建立血管膨隆的有限元模型,然后结合实测数据及数值模拟结果,利用优化算法建立反方法确定血管的力学特性.结果 得到了描述兔腹主动脉非线性力学特性的Ogden模型一阶和二阶的材料参数,其中一阶Ogden模型参数α=10.86±1.98.经验证兔腹主动脉的力学特性可用超弹性力学模型描述.结论 基于实验测试和数值模拟方法建立的反方法可用来识别血管的非线性力学特性.
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工程化肌腱修复肌腱缺损后力学特性的组织学基础
目的组织工程化肌腱的基础研究和临床应用已显出诱人的前景.但是,组织工程化肌腱植入后腱化过程与力学特性有何关系,在所查文献中未见报道.该问题的研究,可以为临床中肌腱移植术后何时解除固定,进行功能锻炼,减少肌腱粘连提供实验依据.本研究用聚羟基乙酸(Polyglycolic acid,PGA)作支架复合肌腱细胞构建的组织工程化肌腱植入术后肌腱再生的组织过程,并测定新生肌腱的力学强度,探讨组织工程化肌腱修复肌腱缺损后体内愈合过程中力学特性的组织学基础,为进一步提高新生肌腱的大张力,以便进行适度的康复锻炼提供实验参考.
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不同角度制动对跟腱力学特性影响的实验研究
目的:探讨不同角度制动对跟腱力学特性的影响.方法:分别将兔踝关节于伸直位和背屈90°位制动4周,然后对跟腱本构方程、应力-应变关系等进行对照研究.结果:正常组与二制动组之间跟腱的应力-应变关系理论曲线均有明显不同,其材料常数亦有显著差异;而在二个制动组之间却并不显著.结论:"静止应力”并不能延缓制动所致的组织退变.
