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面向新医科和大健康的生物力学
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作者 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期2-2,共1页
医疗器械是国之重器,我国正成为全球最大医疗器械消费市场,然而高端器械大比例依赖进口,技术卡脖子严重,医工交叉融合是医疗器械创新之源。面向新医科和大健康的生物力学关系国家大计与民生福祉,已成为服务健康及产业发展的国家需求。力... 医疗器械是国之重器,我国正成为全球最大医疗器械消费市场,然而高端器械大比例依赖进口,技术卡脖子严重,医工交叉融合是医疗器械创新之源。面向新医科和大健康的生物力学关系国家大计与民生福祉,已成为服务健康及产业发展的国家需求。力-组织/细胞-材料相互作用的多层次生物力学与力学生物学研究是组织/器官损伤、防护、修复、重建及替代的坚实基础。本研究以力-组织/细胞-材料相互作用的多层次生物力学与力学生物学研究为目标,突破以推动医疗器械创新和产业发展。(1)基于力-组织/细胞-材料作用机制的植介入器械创新:创新了复杂近生理多尺度生物力学模拟理论和实验技术,揭示了力-组织/细胞-材料相互作用机制,研制了国际领先的体外模拟实验系统;发现应力调控降解动力学规律,创新了一批生物力学适配性优异的活性智能生物材料(自适应再生/抗菌抗异物/新型示踪/自供能感知等),研发了可精准调控应力-降解的智能植介入器械(具有形状记忆功能的微创式可降解诱导再生型人工髓核、镁-聚合物主动控制降解释药体等);构建了植介入器械高效设计/先进制造/精准评测一体化创新平台并用于器械研发、评测和标准制定,研发了人工心瓣/血管支架/骨科植入物等系列创新产品。(2)基于生物力学的康复技术与系列康复辅具/器械创新:构建了多模态康复机器人平台,揭示了力觉、视听觉、触觉、本体感觉等刺激反馈与调控机制,突破康复机器人交互优化关键技术并用于脑卒中患者运动功能康复,实现了评估-反馈-训练一体化精准康复;结合脑血流动力学、神经血管耦合原理,突破生物组织非接触无标记半色调空间频域近红外成像技术,实现康复过程脑功能动态评估。(3)基于仿生生物力学的组织损伤和防护机制及技术、装备:发现了自然界生物(啄木鸟、核桃壳等)损伤防护机制,基于上述机制提出防护新思路、开发防护新技术及装备,用于航空航天、交通、体育、运动等领域人体损伤防护,解决了人体高过载损伤率高、防护难、装备差的问题。 展开更多
关键词 骨科植入物 康复过程 器官损伤 康复技术 本体感觉 生物力学 医疗器械 形状记忆功能
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一种治疗夹层合并瓣膜疾病器械的生物力学分析
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作者 左辉 冯文韬 +2 位作者 武靖博 高桐 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期378-378,共1页
目的提出一种微创治疗升主动脉夹层合并主动脉瓣膜关闭不全的新型植入物。基于生物力学研究,对比不同结构器械的有效性和安全性,为新器械的临床应用提供了基础。方法微创治疗A型主动脉夹层伴有主动脉瓣反流的器械,包括血管内支架(ESG)... 目的提出一种微创治疗升主动脉夹层合并主动脉瓣膜关闭不全的新型植入物。基于生物力学研究,对比不同结构器械的有效性和安全性,为新器械的临床应用提供了基础。方法微创治疗A型主动脉夹层伴有主动脉瓣反流的器械,包括血管内支架(ESG)和心脏瓣膜替代物(HVS)两个部分,根据ESG和HVS之间的相互连接关系和结构特点,现有的植入物有分离式Z形植入物(SZ)和分离式菱形植入物(SD)。在此基础上,本研究首先提出了一种新型移植物(LD),然后建立相应的有限元模拟模型,在升主动脉轴向拉伸载荷的条件下,评估移植物的内漏、移位和血管壁破裂的风险。结果SZ、SD和LD 3种移植物采用模拟方法被释放到预期部位后,3种移植物均可封堵升主动脉的夹层入口,但窦管交界部位未能被有效覆盖的距离分别为14.5、13.1和7.4 mm;3种移植物下的最大间隙面积分别为76.5、51.5和6.3 mm^(2);3种移植物的最大移位距离分别为1.27、1.06和0.1 mm;3种移植物下升主动脉最大应力分别为0.19、0.24和0.51 MPa,且均低于破坏应力(0.9MPa)。结论SZ和SD移植物对升主动脉的影响最小,但移植物移位和近端内漏的风险较大。但LD植入物不仅可以简化手术过程,而且内漏和移位的风险也较低,提高了器械的有效性和安全性。 展开更多
关键词 血管内支架 植入物 移植物 心脏瓣膜 生物力学分析 破坏应力 壁破裂 内漏
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面向牙槽骨增量的增材制造微支架生物力学研究
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作者 艾丽雅 郑玲玲 +3 位作者 陈丹 王文洁 刘海燕 王超 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期628-628,共1页
目的口腔种植修复中,复杂骨增量手术一直是种植外科最具挑战的难题。目前较为成熟的植骨材料结合现有手术技术仍难以企及精准植骨的临床需求。本研究基于胞元流体学结合生物力学原理设计优化植骨微支架的稳定性与成骨性能,并利用增材制... 目的口腔种植修复中,复杂骨增量手术一直是种植外科最具挑战的难题。目前较为成熟的植骨材料结合现有手术技术仍难以企及精准植骨的临床需求。本研究基于胞元流体学结合生物力学原理设计优化植骨微支架的稳定性与成骨性能,并利用增材制造方法制备,最终实现精准植骨。方法首先选取5种不同的多面体构型,通过离散元仿真选取堆积稳定性较高的基本构型。随后设计不同的内部胞元构型,通过流体表面张力仿真及计算流体力学分析其流体生物力学及成骨性能并优化设计参数。最终通过光固化成型技术(DLP)和生物活性陶瓷材料制备所设计的微支架,植入新西兰大白兔颅骨下颌进行动物实验并作成骨效果分析。结果所选取的微支架构型在堆积仿真下形成了较高的自然堆积角,在流体表面张力仿真下表现出可控的流体诱导性能,在计算流体力学仿真下可形成良好的成骨环境。使用DLP和生物活性陶瓷材料成功打印了所设计的支架结构,并经动物实验具有良好的成骨效果。结论本通过胞元流体学及生物力学设计并优化的微支架具有可控的成骨性能及良好的稳定性,有望实现精准植骨的需求,具有临床潜力。 展开更多
关键词 生物力学原理 临床需求 新西兰大白兔 口腔种植修复 牙槽骨 成骨性能 增材制造 动物实验
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体外溶血实验回路储血装置的血流动力学优化设计研究
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作者 李舟 唐笑兰 +2 位作者 许政 樊瑜波 冯文韬 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期647-647,共1页
目的心血管医疗器械的研制过程中,评测器械对血液的损伤情况尤其重要。现有体外溶血实验的储血装置存在空气血液接触界面,同时流动停滞区域大,可能会产生额外损伤的溶血结果。为降低体外溶血实验中储血装置造成的血液损伤影响,本研究设... 目的心血管医疗器械的研制过程中,评测器械对血液的损伤情况尤其重要。现有体外溶血实验的储血装置存在空气血液接触界面,同时流动停滞区域大,可能会产生额外损伤的溶血结果。为降低体外溶血实验中储血装置造成的血液损伤影响,本研究设计出一种新型构型的储血血袋。方法首先通过有限元仿真软件建立5种容积相同,具有不同几何特征的充盈状态血袋模型;通过流体动力学软件仿真,计算分析各个血袋模型内流体速度场、流线、流体涡旋和流动停滞等情况,选取最优构型;最后制作最优构型血袋实物,通过体外粒子测速成像(PIV)实验得到实际流速等数据,进一步验证血袋内血流动力学结果。结果血流动力学计算结果显示,所有血袋最大速度均为1 m/s,但30°菱形血袋和45°菱形血袋流场的涡流区域明显减少,同时血流停滞面积也有效减小,由80%降低至约20%,有效降低了储血装置对血液的损伤,PIV实验结果与此形成较好对照。结论本研究设计出的储血血袋具有血液流动均匀、流动滞留区小、血液与空气隔绝等特点,可有效提高体外溶血实验的准确性。 展开更多
关键词 医疗器械 血流动力学 血液流动 接触界面 流体动力学 最优构型 PIV实验 软件仿真
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基于离体猪心的具有二尖瓣解剖结构和动力学响应的体外实验研究
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作者 唐笑兰 冯文韬 +3 位作者 李舟 武靖博 左辉 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期256-256,共1页
目的研制适用于介入式二尖瓣的体外模拟实验系统,能够较真实地模拟二尖瓣位置复杂的生物力学环境,为研发二尖瓣介入器械提供关键性实验和性能评测技术平台。方法本研究根据体循环等效物理模型连接猪心-主动脉的顺应性腔-阻尼器-储液腔... 目的研制适用于介入式二尖瓣的体外模拟实验系统,能够较真实地模拟二尖瓣位置复杂的生物力学环境,为研发二尖瓣介入器械提供关键性实验和性能评测技术平台。方法本研究根据体循环等效物理模型连接猪心-主动脉的顺应性腔-阻尼器-储液腔搭建体循环的流体通路,并利用往复泵以猪心外部加压的方式驱动心室壁运动模拟心脏的舒张和收缩。其中,离体猪心的制备须结扎新鲜猪心左右两侧冠脉,并用特制的连接装置连接左室流出道和左心房;此外,由于离体猪心的个体差异需要根据每个猪心的心室壁阻尼调整往复泵的驱动曲线。结果根据体循环等效物理模型,主动脉顺应性腔体积分别为350 m L,左心房储液腔体积2500 m L。由离体猪心搭建的具有二尖瓣解剖结构和动力学响应的体循环流体通路再现了左心的生理血流动力学,即主动脉压力为120/80 mm Hg,心输出量为1~5 L/min,并允许实时观测主动脉瓣和二尖瓣的开闭状态,并能支撑介入器械的实时操作。主动脉瓣和二尖瓣的开闭结果与生理一致,高速视频记录了瓣膜从完全打开到完全关闭的全部过程。结论该系统是一种有效的再现左心生理血流动力学的体外模拟,可以对介入式二尖瓣进行介入过程体外模拟实验和血流动力学体外检测实验。 展开更多
关键词 左室流出道 左心房 血流动力学 心室壁 心输出量 视频记录 连接装置 驱动曲线
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对我国生物力学学科发展的几点思考——纪念冯元桢先生 被引量:1
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作者 樊瑜波 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期5-6,共2页
生物力学研究生命中的力学以及力的生物学效应。以"近代生物力学之父"冯元桢先生为杰出代表的科学家们,自上世纪中叶起,奠基并建立了生物力学学科,将工程学的系统思想和演绎方法运用到对生命组织特性和行为的定量描述和预测中... 生物力学研究生命中的力学以及力的生物学效应。以"近代生物力学之父"冯元桢先生为杰出代表的科学家们,自上世纪中叶起,奠基并建立了生物力学学科,将工程学的系统思想和演绎方法运用到对生命组织特性和行为的定量描述和预测中,为人们进一步理解生命活动、推动人类健康科学的发展提出了至关重要的新思路和新方法。 展开更多
关键词 力学学科 康振黄 大健康产业 几点思考
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植介入生物材料的结构、力学特性与生物效应 被引量:5
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作者 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2022年第2期197-199,共3页
伴随着人口老龄化社会日益增长的需求,植介入医疗器械领域创新活跃。植介入生物材料的结构、力学特性及其与细胞组织的相互作用关系是决定内植物成败的关键,其蕴含的科学问题也日益受到学界的关注。1生物材料的结构与力学特性、结构仿... 伴随着人口老龄化社会日益增长的需求,植介入医疗器械领域创新活跃。植介入生物材料的结构、力学特性及其与细胞组织的相互作用关系是决定内植物成败的关键,其蕴含的科学问题也日益受到学界的关注。1生物材料的结构与力学特性、结构仿生与生物材料创新生物材料结构与其力学特性之间有密切关系。生物体在自然选择的过程中,演化出独特的结构和力学性质。通过模仿生物体的多级结构和材料合成过程,可形成一系列具有特殊力学性质的仿生生物材料。 展开更多
关键词 细胞组织 结构仿生 材料创新 生物效应 材料合成 自然选择 力学特性 多级结构
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植介入医疗器械的生物力学
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作者 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2021年第S01期2-2,共1页
作为植介入医疗器械的重要组成,骨固定器械、血管支架可修复人体组织/器官、恢复其功能。据统计,我国65岁以上人口中有7000万骨质疏松症患者,4000万骨性关节炎患者,需手术治疗的心血管疾病患者近1000万。随着人口老龄化社会到来,我国将... 作为植介入医疗器械的重要组成,骨固定器械、血管支架可修复人体组织/器官、恢复其功能。据统计,我国65岁以上人口中有7000万骨质疏松症患者,4000万骨性关节炎患者,需手术治疗的心血管疾病患者近1000万。随着人口老龄化社会到来,我国将成为全球最大的骨科、心血管等医用植介入器械消费市场。近年来,植介入医疗器械领域创新活跃,其中生物可降解材料由于其可降解吸收、可搭载药物、良好生物相容性等优势,越来越受到植介入医疗器械、组织器官修复与再生。 展开更多
关键词 生物可降解材料 骨性关节炎 生物力学 降解吸收 血管支架 生物相容性 心血管疾病患者 固定器械
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开拓生物力学学科,推进健康事业发展——纪念陶祖莱教授
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作者 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2021年第3期339-340,共2页
陶祖莱教授1962年毕业于南京航空学院空气动力学专业,毕业后进入钱学森先生创立领导的中国科学院力学研究所工作,从事超音速进气道研究,先后参与超低空导弹、单兵防空导弹相关研究,期间主要从事不可压缩湍流边界层、湍流减阻等流体力学... 陶祖莱教授1962年毕业于南京航空学院空气动力学专业,毕业后进入钱学森先生创立领导的中国科学院力学研究所工作,从事超音速进气道研究,先后参与超低空导弹、单兵防空导弹相关研究,期间主要从事不可压缩湍流边界层、湍流减阻等流体力学领域研究。1977年伴随着"科学的春天"到来,已年届不惑的陶祖莱先生敏锐地关注到世界上新的边缘交叉学科生物力学的兴起,并产生了浓厚的兴趣,进而开展跨学科跨领域的医工交叉。 展开更多
关键词 边缘交叉学科 生物力学 湍流减阻 湍流边界层 空气动力学 陶祖莱 超音速进气道 健康事业
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面向3D打印植介入体的生物力学设计
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作者 樊瑜波 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第A01期4-4,共1页
医用植介入体至少包含两类重要的生物力学问题:一是其自身结构的强度等生物力学问题,二是与宿主之间的相互作用;二者对于其成败都非常重要。增材制造技术(3D打印)为个性化植入假体的应用推广带来希望,个性化植入假体具有巨大的临床和市... 医用植介入体至少包含两类重要的生物力学问题:一是其自身结构的强度等生物力学问题,二是与宿主之间的相互作用;二者对于其成败都非常重要。增材制造技术(3D打印)为个性化植入假体的应用推广带来希望,个性化植入假体具有巨大的临床和市场需求。然而,个性化植入假体设计与临床应用仍有亟待解决的科学和关键技术问题,现有的临床案例主要考虑基于解剖影像几何特征的个性化适配连同医生个人经验进行个性化假体的结构设计,但往往缺乏植入体与宿主组织相互作用的生物力学与力学生物学定量化预测和可靠性评测。本文针对骨盆、肢体修复和足部关节融合所需的个性化植入假体,研究基于生物力学的个性化植入假体的结构优化(强度、可靠性、疲劳特性数值化分析和仿真)技术;探索基于应力影响骨肌相关细胞、组织生长、改重建规律定量化仿真的个性化植入假体的优化设计方法。面向增材制造的多孔植入体对于植入后组织细胞的生长具有诱导性,由于不同形态孔隙的多孔假体,其力学特性、传质特性不同,从而致使其细胞组织相容性差异较大,本文开展了多孔结构拓扑优化研究。开展假体改重建定量生物力学仿真、大规模微孔结构生物力学仿真、疲劳断裂风险数值分析评价、临床特征参数提取、无量纲微孔结构元素库构建、假体高精度制备及处理等关键技术研究。在适宜制备技术方面,研究集成激光清扫的3D打印SLM专用成型设备系统。针对生物医用领域对Ti基合金粉末材料的特殊要求,优化增材制造专用Ti基合金粉末材料的合金体系及化学成分,并结合合金元素对于增材制造过程中激光微熔池行为、凝固组织特征与性能的作用机理研究,微调增材制造用粉末材料的化学成分,研发国产Ti基打印粉材。同时探索个性化植入假体的检测与监管技术。在上述研究基础上开展了临床应用研究。 展开更多
关键词 增材制造 微孔结构 力学设计 粉末材料 力学问题
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牵张力通过调节线粒体动力学和能量代谢介导间充质干细胞平滑肌向分化
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作者 刘宇 杨智杰 +4 位作者 纳静 陈鑫远 王子怡 郑丽沙 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期617-618,共2页
目的牵张力等生物物理因素可调节干细胞分化,而能量代谢也参与干细胞的谱系选择。本研究旨在探究能量代谢在牵张力调控间充质干细胞分化过程中的影响与潜在机制。方法使用Flexcell系统对人脐带间充质干细胞施加不同力值的周期性等轴牵张... 目的牵张力等生物物理因素可调节干细胞分化,而能量代谢也参与干细胞的谱系选择。本研究旨在探究能量代谢在牵张力调控间充质干细胞分化过程中的影响与潜在机制。方法使用Flexcell系统对人脐带间充质干细胞施加不同力值的周期性等轴牵张力,加载后通过q PCR、Western Blot、免疫荧光和si RNA干扰等手段检测分化方向,线粒体动力学和细胞能量代谢水平,验证三者之间的关系。结果等轴牵张上调间充质干细胞中平滑肌细胞标记物(α-SMA、SM22)的表达,Ⅰ型胶原收缩实验和裸鼠皮下Matrigel实验显示拉伸后的细胞具有更好的收缩性和成血管样结构的能力。牵张促进线粒体融合,上调动力学相关蛋白MFN1、MFN2和DRP1的表达,并且这3种蛋白被抑制后均能影响牵张诱导的平滑肌向分化。牵张促进细胞中ATP的产生,增强其糖酵解和氧化磷酸化水平。糖酵解和氧化磷酸化相关抑制剂2-DG和寡霉素抑制拉伸诱导的α-SMA和SM22表达。牵张促进YAP入核,si RNA干扰后细胞线粒体网络程度下降,动力学相关蛋白的表达受到影响并抑制分化现象。此外,牵张还通过激活机械敏感蛋白Piezo1上调细胞内钙含量,进而调节细胞能量代谢影响细胞分化。结论YAP作为重要的机械响应因子,可以整合牵张刺激和能量代谢信号,调控间充质干细胞的平滑肌向分化。 展开更多
关键词 细胞能量代谢 牵张力 间充质干细胞 细胞线粒体 氧化磷酸化 糖酵解 生物物理 响应因子
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颈动脉蹼的血流动力学特性研究 被引量:1
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作者 任淑琪 邓小燕 孙安强 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第A01期122-122,共1页
目的颈动脉蹼是一种突出到颈动脉腔内的非动脉粥样硬化组织,是纤维肌发育不良的变异。该结构的存在改变了颈动脉的血流流动,导致颈动脉远端血液淤积,增加血栓形成的风险。同时,这种停滞不易察觉,在诊断性血管造影中会出现偶然对比停滞... 目的颈动脉蹼是一种突出到颈动脉腔内的非动脉粥样硬化组织,是纤维肌发育不良的变异。该结构的存在改变了颈动脉的血流流动,导致颈动脉远端血液淤积,增加血栓形成的风险。同时,这种停滞不易察觉,在诊断性血管造影中会出现偶然对比停滞。本研究通过数值模拟分析颈动脉蹼的血流动力学特性,从而为临床症状性脑卒中的诊断提供新判据。方法入口为颈动脉周期内流速变化曲线,出口为outflow并给予颈内外动脉特定的流量比。采用有限体积法求解连续性方程和动量守恒方程,应用流体力学(CFD)软件ANSYS Fluent进行迭代求解。使用压强-速度耦合SIMPLE算法对求解器进行设置,应用离散二阶精度的Upwind来控制动量方程。结果通过数值模拟发现颈动脉蹼处存在二次流旋涡,且有较低的流速,从而易导致血液滞留,增加血栓形成的可能性。此外该处TAWSS和OSI较低,也是易形成血栓的标志。结论该研究为由颈动脉蹼导致的小血栓型脑中风现象提供了新的风险预测因素。 展开更多
关键词 颈动脉 流动力学 特性研究
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主动脉多分支支架植入后的血流动力学仿真
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作者 牟芸青 刘明远 孙安强 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第A01期122-122,共1页
目的在进行复杂的主动脉修复术中,需要对各个分支动脉同时进行修复。经常采用开放性手术或介入治疗的方式在体内植入含有分支动脉的分叉血管主动脉支架。分支支架的理念符合正常解剖结构的修复,有其本质上的优势。然而,在某些进行分叉... 目的在进行复杂的主动脉修复术中,需要对各个分支动脉同时进行修复。经常采用开放性手术或介入治疗的方式在体内植入含有分支动脉的分叉血管主动脉支架。分支支架的理念符合正常解剖结构的修复,有其本质上的优势。然而,在某些进行分叉血管支架植入术后的病人体内,分支血管中(主要包括肾动脉和肠系膜上动脉等)发生了再狭窄和血栓现象。本研究的目的是采用计算流体力学仿真的方式,研究血管内血液流动情况与血栓形成的关系。方法本文结合术后随访三位病人(其中一位已经出现血栓)的CT扫描数据,建立了主动脉段以及上述分支动脉的三维模型,根据用Fluent计算得到流场情况和各种与血栓形成相关的血流动力学参数(主要包括OSI、RRT、TAWSS等),对模型本身进行验证。结果通过对血栓案例和其他案例模型的计算,血栓案例模型的OSI、RRT等参数反应的流场情况与另外两个正常案例模型的情况明显不同。根据血栓病人案例的仿真结果对易形成血栓位置进行预测,与实际情况进行对比验证,发现其二者位置基本吻合。结论数值仿真方法可以用来评估主动脉多分支支架植入术后局部血栓形成的风险。 展开更多
关键词 分支动脉 多分支 支架植入 力学仿真 支架植入术后
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力学环境调控骨基质仿生矿化
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作者 马春阳 杜田明 +1 位作者 牛旭锋 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2022年第2期200-210,共11页
骨缺损一直以来都是威胁人类生命健康的重要原因,人工仿生骨修复替代材料是目前治疗骨损伤最为有效、可行的解决途径之一。要研发人工骨仿生材料,必先构建体外仿生矿化体系,以研究天然骨基质的矿化机制。胶原是矿化发生的模板,其交联度... 骨缺损一直以来都是威胁人类生命健康的重要原因,人工仿生骨修复替代材料是目前治疗骨损伤最为有效、可行的解决途径之一。要研发人工骨仿生材料,必先构建体外仿生矿化体系,以研究天然骨基质的矿化机制。胶原是矿化发生的模板,其交联度、直径、渗透压和表面电荷等性质会直接影响矿化的进行。矿化发生的生化和力学环境对矿化过程的影响也十分明显,特别是非胶原蛋白和流体切应力。流体切应力是骨组织在微观环境下受到的最主要力学刺激方式,对骨骼生长、修复以及健康维护都具有重要意义。不同水平和加载方式的切应力对无定形磷酸钙向骨磷灰石的转化、胶原纤维的自组装和定向排列以及分层纤维内矿化的形成具有显著作用。本文总结影响骨基质矿化的因素及其作用机制,重点介绍流体切应力对胶原矿化的调控作用,并展望未来的发展方向。 展开更多
关键词 骨基质 仿生矿化 胶原 流体切应力 骨修复材料
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渗透压对角膜内皮细胞形态及增殖、迁移功能的影响 被引量:1
15
作者 杜若田 李冬妍 +3 位作者 谢懿 李龙 宋凡 汲婧 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期435-435,共1页
目的角膜内皮细胞处于房水渗透压的力学微环境中。在病理情况下房水渗透压会发生改变,可能影响角膜内皮细胞的形态及功能,但其具体作用及机制尚不清楚。角膜内皮细胞增殖能力有限,体积变化和迁移是角膜内皮代偿细胞数量减少的主要方式... 目的角膜内皮细胞处于房水渗透压的力学微环境中。在病理情况下房水渗透压会发生改变,可能影响角膜内皮细胞的形态及功能,但其具体作用及机制尚不清楚。角膜内皮细胞增殖能力有限,体积变化和迁移是角膜内皮代偿细胞数量减少的主要方式。因此,本工作研究渗透压对角膜内皮细胞形态、细胞间连接以及增殖、迁移的影响,为理解和治疗角膜内皮疾病提供依据。方法建立高渗、等渗、低渗条件的人角膜内皮细胞培养体系。通过活细胞骨架染色观察细胞骨架和细胞形态;通过共聚焦图像三维重建检测细胞体积;采用CCK-8法评估增殖功能;利用Transwell实验、划痕实验评估迁移功能;通过免疫荧光染色检测屏障功能相关的紧密连接蛋白的表达和分布。结果与等渗条件相比:高渗和低渗刺激改变细胞骨架形态;高渗使细胞体积减小,低渗使细胞体积增加;高渗抑制增殖和迁移,低渗抑制增殖、促进迁移;高渗和低渗影响紧密连接蛋白ZO-1在细胞间连接的定位。结论渗透压变化改变角膜内皮细胞的体积和细胞骨架组装,影响细胞增殖功能和迁移功能,并影响屏障功能相关的紧密连接等角膜内皮细胞的重要功能,提示角膜内皮所处环境中渗透压异常改变可能是疾病状态下造成角膜内皮细胞数量和功能变化的因素之一。 展开更多
关键词 角膜内皮 紧密连接蛋白 细胞间连接 病理情况 增殖功能 迁移功能 屏障功能 细胞骨架
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不同拉伸模式对人角膜上皮细胞形态及增殖、迁移的影响
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作者 谢懿 李冬妍 +4 位作者 杜若田 肖辉 汲婧 王丽珍 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期434-434,共1页
目的生理状态下,角膜受到眼压及其产生的拉伸力作用。当疾病或外力引起角膜所受拉伸力改变,可能影响角膜上皮细胞间连接,破坏上皮结构完整性及其屏障功能。已有研究表明,角膜细胞对不同拉伸模式的响应存在差异,但具体机制尚不清楚。因此... 目的生理状态下,角膜受到眼压及其产生的拉伸力作用。当疾病或外力引起角膜所受拉伸力改变,可能影响角膜上皮细胞间连接,破坏上皮结构完整性及其屏障功能。已有研究表明,角膜细胞对不同拉伸模式的响应存在差异,但具体机制尚不清楚。因此,本工作拟通过研究不同拉伸模式对角膜上皮细胞相关功能的影响及其机制,为构建体外角膜近生理力学加载模型和探究角膜上皮细胞在力学刺激下的响应机制提供依据。方法以0.1 Hz频率、5%幅度对人角膜上皮细胞分别加载单轴拉伸、等轴拉伸12 h。通过光学显微镜观察细胞形态,利用CCK-8、划痕实验检测细胞增殖与迁移能力,采用免疫荧光染色对细胞骨架、力学相关通路蛋白YAP的表达进行检测。结果与等轴拉伸相比,单轴拉伸作用下人角膜上皮细胞面积更大,骨架荧光强度更高,应力纤维数量增多,细胞的增殖与迁移速度显著降低,YAP荧光强度和核质比显著增高。结论人角膜上皮细胞对不同拉伸模式的响应存在差异,与等轴拉伸相比,单轴拉伸增大了细胞面积、促进应力纤维形成,抑制细胞增殖与迁移;YAP可能参与其中的调控。 展开更多
关键词 角膜上皮细胞 角膜细胞 力学刺激 应力纤维 拉伸力 单轴拉伸 核质比 屏障功能
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渗透压对角膜上皮细胞迁移、增殖及相关分子表达的影响
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作者 李冬妍 杜若田 +3 位作者 谢懿 汲婧 王丽珍 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期429-429,共1页
目的角膜表面的泪液渗透压构成眼表重要力学微环境,其异常改变会对角膜上皮的损伤修复产生重要影响。本工作拟通过研究渗透压对角膜上皮细胞迁移和增殖的影响,及损伤修复过程中起关键作用的黏附分子表达以及力敏感转录因子YAP相关通路... 目的角膜表面的泪液渗透压构成眼表重要力学微环境,其异常改变会对角膜上皮的损伤修复产生重要影响。本工作拟通过研究渗透压对角膜上皮细胞迁移和增殖的影响,及损伤修复过程中起关键作用的黏附分子表达以及力敏感转录因子YAP相关通路的变化,探究渗透压影响角膜上皮损伤修复的机制。方法通过添加不同浓度葡萄糖溶液建立人角膜上皮细胞系的高渗、等渗、低渗培养体系。使用划痕法观察24 h内细胞迁移能力,CCK-8法检测48h内细胞增殖功能,通过免疫荧光染色观察1 h时细胞皮质骨架变化、钙黏蛋白和YAP分子的表达及分布变化。结果与等渗组的角膜上皮细胞相比,高渗组细胞的划痕愈合速度显著减慢,增殖实验OD值显著降低,皮质骨架的荧光强度在细胞膜侧显著增强,分布更集中,钙黏蛋白和YAP分子的表达及分布无明显差异;而低渗组细胞的划痕愈合速度显著加快,增殖实验OD值无明显差异,皮质骨架的荧光强度无明显变化,分布更分散,钙黏蛋白的荧光强度显著升高,呈现点状分布,YAP的荧光强度显著升高,核质比显著增大。结论渗透压会影响角膜上皮细胞的迁移和增殖、改变细胞骨架排列以及钙黏蛋白和YAP分子的表达及分布,可能是其影响角膜上皮损伤修复的机制之一。 展开更多
关键词 角膜上皮细胞 钙黏蛋白 渗透压 核质比 细胞骨架 免疫荧光染色 荧光强度 损伤修复
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微管乙酰化介导三维基质刚度调控间充质干细胞能量代谢促进成骨向分化
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作者 杨智杰 纳静 +3 位作者 王奇奇 刘宇 郑丽沙 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期237-237,共1页
目的探究能量代谢在三维培养中基质刚度调控间充质干细胞分化过程中的影响与潜在调控机制。方法使用人脐带间充质干细胞与Gel MA胶,构建不同基质刚度的三维水凝胶培养体系。通过q-PCR、ALP检测与银染、免疫荧光染色等手段观察探究不同... 目的探究能量代谢在三维培养中基质刚度调控间充质干细胞分化过程中的影响与潜在调控机制。方法使用人脐带间充质干细胞与Gel MA胶,构建不同基质刚度的三维水凝胶培养体系。通过q-PCR、ALP检测与银染、免疫荧光染色等手段观察探究不同三维基质刚度对间充质干细胞的成骨分化能力影响、细胞铺展过程与代谢变化。结果实验构建不同基质刚度的三维培养体系,发现软基质促进细胞成骨分化标志物表达、ALP染色。与硬基质相比,软基质内细胞铺展较快、体积较大,细胞内线粒体网络程度高。能量代谢检测结果表明软基质内细胞ATP含量更多,软基质内细胞耗氧量与产酸率均高于硬基质组。Western blotting与免疫荧光染色结果显示软基质组微管蛋白乙酰化水平上调,微管乙酰化酶αTAT1表达水平显著上调,通过si RNA干扰后软基质组微管乙酰化水平受到抑制、线粒体去网络化、ALP活性下降。通过微管凝聚剂Taxol处理消除微管动态平衡后软基质组线粒体网络程度下降、ALP活性下降。结论本研究揭示了较软的三维基质促进了人脐带间充质干细胞铺展、促进了细胞骨架聚集、促进细胞线粒体网络成熟与能量代谢水平,从而促进成骨分化。细胞骨架特别是微管介导了三维基质对线粒体的网络化与能量代谢调控成骨分化。 展开更多
关键词 人脐带间充质干细胞 细胞内线粒体 细胞线粒体 成骨分化 细胞骨架 代谢变化 RNA干扰 凝聚剂
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典型吸入药在人体呼吸道内沉积规律的数值模拟研究
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作者 李梦涛 王亚伟 +2 位作者 王飞龙 侯丙营 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期216-216,共1页
目的雾化吸入药是下呼吸道疾病的重要治疗手段,其治疗效果取决于药物颗粒的沉积位置和沉积率,本研究采用数值模拟方法研究了典型吸入药在人体呼吸道内的沉积规律。方法利用健康成年人的高分辨率CT图像,重建了真实人体呼吸道的3D模型,将... 目的雾化吸入药是下呼吸道疾病的重要治疗手段,其治疗效果取决于药物颗粒的沉积位置和沉积率,本研究采用数值模拟方法研究了典型吸入药在人体呼吸道内的沉积规律。方法利用健康成年人的高分辨率CT图像,重建了真实人体呼吸道的3D模型,将整个呼吸道划分为鼻腔、咽喉、会厌、主气道和支气管5个部分,包含17个支气管断面,进一步利用计算流体力学(CFD)和离散相模型(DPM)模拟了包含不同屏气时长的呼吸过程中药物颗粒的运动状态和沉积规律,探究了药物颗粒直径和屏气时长对典型吸入药物颗粒在全呼吸道内不同区域沉积率的影响。结果谊安公司提供的颗粒直径分布雾化药物在整个呼吸周期内有55.3%的颗粒通过支气管出口进入肺部,3.3%的颗粒沉积在呼吸道壁面上(主要沉积位置包括鼻腔和会厌,其中鼻腔占总沉积颗粒的32.7%、会厌占36.1%),41.2%的颗粒在呼气过程中被呼出,剩余约0.1%悬浮于呼吸道内,屏气过程会略增加呼吸过程中进入肺部的颗粒占比。结论雾化颗粒的直径是影响沉积位置和沉积率的主要影响因素,通过在呼吸过程中增加一定时长的屏气过程可以在一定程度上增加呼吸药颗粒进入肺部的概率。 展开更多
关键词 呼吸过程 下呼吸道疾病 人体呼吸道 颗粒直径 雾化吸入 沉积规律 高分辨率CT 沉积率
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受机械力刺激感受器启发的触觉传感器用于双模态感应和人机交互
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作者 王景辉 刘笑宇 樊瑜波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期235-235,共1页
目的触觉是人类与周围世界互动和体验的核心。触觉由4种机械感受器产生,包括迈斯纳小体、梅克尔细胞-神经突复合体、鲁菲尼小体和帕西尼小体。其中,Pacinian小体和Meissner小体对振动和微滑移特别敏感,解剖学最近发现,这种独特的能力可... 目的触觉是人类与周围世界互动和体验的核心。触觉由4种机械感受器产生,包括迈斯纳小体、梅克尔细胞-神经突复合体、鲁菲尼小体和帕西尼小体。其中,Pacinian小体和Meissner小体对振动和微滑移特别敏感,解剖学最近发现,这种独特的能力可能源于板层细胞的不均匀分布。体外重建非均匀结构并将其发展成触觉传感器,将预期在多模态传感和人机交互中发挥重要作用。方法触觉传感器的导电材料由MXene和TOCNs(tempo介导的氧化纤维素纳米纤维)采用液氮定向冷冻法(也称为冰模板法)制成。然后冷冻干燥以去除冰晶,留下MXene/TOCNs复合材料。安装电极后,将得到的传感器命名为MT Tac。结果MT Tac传感器在X和Y轴上具有相似的微观结构、弹性模量(~200 Pa)、能量损失系数(0.34)和电导率(43 mS/m)。然而,沿着Z轴方向,它具有明显的微纳米结构,具有更大的弹性模量(~380 Pa),更高的能量损失系数(0.51)和更高的电导率(64 mS/m)。不同轴向的不同特性意味着其对不同模态力(法向力和剪力)的响应差异。在发生滑移时,向MT Tac提供剪切力,导致不同方向的变形,从而引起电阻率的变化。结论MT Tac模拟机械感受器结构,使传感器具有高灵敏度和双模态感知能力。这一策略的成功也支持了机械感受器的振动敏感性起源于板层细胞的生理解剖学假说。 展开更多
关键词 触觉传感器 人机交互 机械感受器 能量损失系数 双模态 纤维素纳米纤维 神经突 导电材料
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