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力-化-生耦合的生物力学理论及其应用
1
作者 冯西桥 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期3-3,共1页
癌症以及心脑血管、免疫系统等的重大疾病的发生发展,都涉及多种生物学、化学、力学等因素的相互作用与协同演化。针对这些重大疾病,建立相应的生物力学理论与模型,对于癌症的追踪溯源、趋势研判、诊疗康复具有重要意义。本报告将汇报力... 癌症以及心脑血管、免疫系统等的重大疾病的发生发展,都涉及多种生物学、化学、力学等因素的相互作用与协同演化。针对这些重大疾病,建立相应的生物力学理论与模型,对于癌症的追踪溯源、趋势研判、诊疗康复具有重要意义。本报告将汇报力-化-生耦合生物力学理论的点滴进展及其在胚胎、肿瘤等的生理和病理过程中的初步应用。首先,将介绍力-化-生耦合的生物组织生长发育力学理论,并将该理论应用于胚胎、肿瘤、淋巴等生理和病理过程的研究。在生物组织的生长、发育、衰老、病变等过程中,力学、化学、生物学等各类因素相互耦合、彼此调控,并涉及多种物质成分和能量的输运与转化。通过上述机制的定量化描述,基于冯元桢的应力-生长理论、热力学基本定律等,给出了力-化-生耦合的生物组织生长理论框架,可以应用于生物组织在多种条件下的生长、发育与重塑研究。其二,发展了力-化-生多场耦合的生物稳定性分析方法。稳定性是力学学科的一个核心命题。对于生命体而言,从生物大分子、亚细胞、细胞直至生物组织和系统尺度,都存在大量的稳定性问题,相关机制在胚胎发育、疾病的发生发展、组织和器官工程等领域起着重要作用。在各种生命过程中,不仅存在以机械能主导的欧拉失稳、以化学能或熵主导的图灵失稳,而且存在诸多力学、化学、生物学等因素耦合的失稳现象。将从控制方程、能量转换、时间和空间特征等角度对这些不同类型的稳定性问题进行讨论。应用该方法,研究了肿瘤、胚胎、脑等生物组织在生长发育、病变等中的稳定性问题;并结合实验,研究了细胞与分子尺度的动力学稳定性,解释了卵母细胞和囊胚的周期振荡、螺旋波等现象及其机制。其三,讨论从分子、亚细胞、单细胞、细胞群体到组织的时空多尺度动力学研究方法。对于很多生命过程的理解,需要考虑在不同时间和空间尺度上力、能量、几何、功能等的传递和转化机制,而这些机制涉及结构、力、响应等的复杂性和特异性,对其进行定量化和理论化遇到多方面的困难。将对时空多尺度动力学研究方法进行初步的探索与讨论。利用该方法,研究了细胞迁移与群体运动等问题。结合数值模拟与实验,揭示了癌细胞转移的一种力学效能,即肌动纤维网络通过力学感知与生化信号的正负反馈,确定其迁移路径。 展开更多
关键词 癌细胞转移 生物力学 动力学稳定性 细胞群体 正负反馈 力学学科 细胞迁移 迁移路径
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生物材料力学研究新进展 被引量：7
2
作者 冯西桥 曹艳平 +1 位作者 赵红平 季湘樱 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 2011年第5期395-401,共7页
作为生物力学中一个快速发展的重要研究领域,生物材料力学旨在通过实验研究和理论分析,揭示各种天然生物材料的功能、性能、结构和组分之间的基本关系和机理,并为新材料的仿生设计等提供来自大自然的启示。本文综述了近年来我国学者在... 作为生物力学中一个快速发展的重要研究领域,生物材料力学旨在通过实验研究和理论分析,揭示各种天然生物材料的功能、性能、结构和组分之间的基本关系和机理,并为新材料的仿生设计等提供来自大自然的启示。本文综述了近年来我国学者在该领域取得的一些最新研究进展,主要内容包括珍珠母、牛角等生物复合材料的强韧化机制,生物材料表面浸润特性与微纳米结构之间的关系,以及相关的一些仿生应用。本文还简要介绍了本期专刊所刊登的7篇邀请文章。 展开更多
关键词 生物材料 多尺度力学 仿生 强韧化机理 微纳米结构 表面浸润
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面向阿尔茨海默病的多模态多尺度脑生物力学
3
作者 马盛元 孔令晗 +12 位作者 金巍 金慧京 赵培钧 邱苏豪 索倩 张爱丽 孙青芳 冯西桥 汤耀辉 刘军 严福华 杨广中 冯原 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期194-194,共1页
目的阿尔茨海默病(AD)是最常见的神经退行性疾病,随着社会老龄化程度的加深,给社会和个人造成沉重负担。当前针对AD的诊断和评估主要采用对脑脊液中Aβ蛋白开展穿刺化验,或用注射核素采用PET成像方法对葡萄糖代谢或特异蛋白开展检测,尚... 目的阿尔茨海默病(AD)是最常见的神经退行性疾病,随着社会老龄化程度的加深,给社会和个人造成沉重负担。当前针对AD的诊断和评估主要采用对脑脊液中Aβ蛋白开展穿刺化验,或用注射核素采用PET成像方法对葡萄糖代谢或特异蛋白开展检测,尚缺乏无创简便的早期诊断和随访方法。研究表明,脑组织生物力学特性变化与退行性疾病密切相关。在不同尺度下采用生物力学理论和方法对AD的进展开展相关机制和表征开展研究,有助于AD早期诊断和治疗。方法在组织层面,采用磁共振弹性成像(MRE)技术对早期认知障(MCI)碍患者的脑生物力学特性开展在体测量,分析组织黏弹力学特性及其全脑分布的网络特征对MCI的诊断效能。在微观细胞层面,对Aβ蛋白影响下,采用原子力显微镜(AFM)对神经元细胞的力学特性变化开展测量,并基于显微成像的细胞骨架特征开展细胞力学建模,并针对Aβ蛋白诱导的力学变化开展机制分析。结果脑组织剪切模量在老年组显著下降,且MCI患者的脑组织弹性模量对比健康老年人也具有显著下降特征。全脑弹性模量的分布呈现小世界属性,对比健康对照其图网络结构在MCI患者中具有显著变化。神经元细胞在Aβ蛋白诱导下也呈现出软化特征,其细胞骨架结构也呈现空间分布的差异。神经元细胞的力学模型分析表明Aβ蛋白诱导的骨架变化是其总体力学特性变化的重要原因。结论生物力学特性在宏观和微观尺度下可以作为AD的生物标记,并揭示其发生机制。 展开更多
关键词 AΒ蛋白 神经元细胞 生物力学特性 神经退行性疾病 葡萄糖代谢 生物标记 多模态 小世界属性
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肿瘤力学生物学 被引量：5
4
作者 冯西桥 薛时磊 +1 位作者 李博 施兴华 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第S1期61-73,共13页
肿瘤是指机体在各种致瘤因子作用下局部细胞增生所形成的新生物。按照危害性,肿瘤可大致分为良性肿瘤和恶性肿瘤(癌症)两大类。按照组织形态,癌症可分为固体恶性肿瘤和血液癌症(简称血癌)两大类,本文主要关注前者。癌症一般发生侵袭性生... 肿瘤是指机体在各种致瘤因子作用下局部细胞增生所形成的新生物。按照危害性,肿瘤可大致分为良性肿瘤和恶性肿瘤(癌症)两大类。按照组织形态,癌症可分为固体恶性肿瘤和血液癌症(简称血癌)两大类,本文主要关注前者。癌症一般发生侵袭性生长,易转移到其它组织中,严重威胁人类健康,是死亡率非常高的一种疾病~[1]。超过85%的癌症死亡是由于固体肿瘤导致的~[2]。 展开更多
关键词 连续介质力学 压应力 生长发育 多糖链 力学生物学 流固耦合模型 肿瘤组织 肿瘤球 肿瘤细胞 胶原纤维
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肿瘤生物力学新进展 被引量：6
5
作者 冯西桥 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第2期115-120,共6页
癌症的发生、发育、诊断和治疗均涉及力学、物理学、化学、生物学等因素之间复杂的相互作用与耦合关联。肿瘤生物力学不仅具有非常重要的科学价值,而且可以为癌症的临床诊断和治疗提供理论基础。从细胞和组织两个侧面简要介绍肿瘤生物... 癌症的发生、发育、诊断和治疗均涉及力学、物理学、化学、生物学等因素之间复杂的相互作用与耦合关联。肿瘤生物力学不仅具有非常重要的科学价值,而且可以为癌症的临床诊断和治疗提供理论基础。从细胞和组织两个侧面简要介绍肿瘤生物力学的一些进展,重点关注国内学者近年来取得的成果,包括癌细胞-胞外基质之间的相互作用、血管生成、肿瘤生长等的实验和理论研究。 展开更多
关键词 肿瘤 细胞 力生物学 应力 生长 理论模型 数值方法
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生物断裂力学
6
作者 冯西桥 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2021年第S01期3-3,共1页
断裂力学的诞生与发展是力学学科在21世纪取得的最重要成就之一,其核心课题是研究材料的断裂机理、规律与模型,并预测和评估结构的安全性与可靠性。断裂力学最初的研究对象主要是工程结构中常用的钢铁、合金、高分子、复合材料等,并逐... 断裂力学的诞生与发展是力学学科在21世纪取得的最重要成就之一,其核心课题是研究材料的断裂机理、规律与模型,并预测和评估结构的安全性与可靠性。断裂力学最初的研究对象主要是工程结构中常用的钢铁、合金、高分子、复合材料等,并逐渐拓展到木材、骨骼、珍珠母、蜘蛛丝等具有优异力学性质并具有关键承载功能的硬质材料。近年来断裂力学进一步深入到具有生物活性特征的组织(如肌肉、血管、肌腱、脑组织)、细胞和生物大分子等。 展开更多
关键词 断裂力学 硬质材料 力学学科 珍珠母 蜘蛛丝 生物大分子 承载功能 核心课题
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肿瘤及其微环境的力学问题 被引量：20
7
作者 施兴华 张路姚 +1 位作者 李博 冯西桥 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2018年第1期360-409,共50页
肿瘤微环境包括肿瘤细胞、间质细胞、细胞外基质等.其在肿瘤的生长和发展过程中起着关键作用.肿瘤的微环境与正常组织的微环境有着显著的不同.肿瘤中的压应力对微环境有着多方面的影响,例如,可调控血管与淋巴管的功能,造成代谢异常和间... 肿瘤微环境包括肿瘤细胞、间质细胞、细胞外基质等.其在肿瘤的生长和发展过程中起着关键作用.肿瘤的微环境与正常组织的微环境有着显著的不同.肿瘤中的压应力对微环境有着多方面的影响,例如,可调控血管与淋巴管的功能,造成代谢异常和间质高压,压缩间隙基质,增大药物输运的困难,促进间质细胞变异并诱导肿瘤细胞转移.因此,肿瘤中的力学因素引起了广泛关注.本文总结了肿瘤及其微环境力学问题的研究进展,讨论了肿瘤微环境中应力产生、药物输运、肿瘤转移等问题,介绍了肿瘤微环境正常化的策略及其对肿瘤治疗的意义. 展开更多
关键词 肿瘤微环境 生物力学 应力 药物输运 肿瘤转移
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动态力学信号辅助群体细胞集群免疫应答行为
8
作者 车丙晨 赵伟 +5 位作者 刘亚楠 孙聃 经光银 白晋涛 冯西桥 张策 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2021年第S01期74-74,共1页
群体细胞对生物微环境中的动态信号(包括化学和物理信号)的集群应答行为对生命发展进程有着重要作用。然而,生物微环境中的细胞如何识别多频段、多种类动态环境信号,并做出集群响应仍有待深入研究。本文系统研究紧密连接的细胞单层中的... 群体细胞对生物微环境中的动态信号(包括化学和物理信号)的集群应答行为对生命发展进程有着重要作用。然而,生物微环境中的细胞如何识别多频段、多种类动态环境信号,并做出集群响应仍有待深入研究。本文系统研究紧密连接的细胞单层中的细胞个体在形态和信号通路上,对动态肿瘤坏死因子TNF-alpha刺激的响应行为。研究发现,不同于独自存在细胞个体只对特定频率的化学信号刺激有响应。 展开更多
关键词 细胞单层 免疫应答 信号刺激 肿瘤坏死因子 特定频率 物理信号 动态信号 力学信号
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基于弹性壳的三维群体细胞动力学模型
9
作者 于鹏宇 许琨 +1 位作者 陈鹏程 李博 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2021年第10期1062-1073,共12页
群体细胞迁移常见于胚胎发育、伤口愈合和肿瘤侵袭等各种生理和病理过程中,关于其动力学的研究对于揭示群体细胞迁移机理、深刻理解有关生物过程十分重要.该文构建了群体细胞的三维可变形壳状模型,提出了一种考虑细胞弹性形变和细胞间... 群体细胞迁移常见于胚胎发育、伤口愈合和肿瘤侵袭等各种生理和病理过程中,关于其动力学的研究对于揭示群体细胞迁移机理、深刻理解有关生物过程十分重要.该文构建了群体细胞的三维可变形壳状模型,提出了一种考虑细胞弹性形变和细胞间接触与黏附相互作用的群体细胞动力学理论,并发展了相应的数值算法.基于所发展的动力学模型与算法,对多细胞在嚢腔里的受限旋转运动进行了模拟,复现了相关实验现象,分析了细胞极性、细胞形变、胞间相互作用等因素对多细胞三维动力学的影响规律. 展开更多
关键词 细胞动力学 群体细胞运动 三维模型 数值模拟
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