视觉对人体姿势控制影响的脑功能网络连接机制

目的研究视觉对人体姿势控制影响及其脑功能网络连接机制。方法以15名健康青年为研究对象,要求受试者分别进行30 s睁眼、闭眼的双腿站立平衡,采集平衡过程中身体压力中心(center of pressure,COP)和脑电。对COP进行样本熵(SampleEn)计算;对脑电θ、α和β频段,计算相位滞后指数(phase lag index,PLI)构建大脑功能网络,并基于图论计算集聚系数(C)、特征路径长度(L)及小世界网络属性(σ)。结果人体在双腿站立平衡过程中,闭眼COPY样本熵显著高于睁眼(P<0.05)。闭眼α频段PLI平均值显著高于睁眼(P<0.05);闭眼α频段C、σ显著高于睁眼,L显著低于睁眼(P<0.05)。闭眼时α频段额区-中央区-顶区之间的网络连接以及中央区和顶区内连接强度显著高于睁眼(P<0.05)。闭眼时α频段PLI平均值以及C值与COPY样本熵中度呈中度负相关(P<0.05)。睁眼时左前额区、左顶区、左枕区α频段PLI平均值与COPY样本熵呈中度负相关;闭眼时左中央区、右枕区α频段PLI平均值则与COPY样本熵呈中度负相关。结论人体在站立平衡时,当没有视觉信息输入时,身体平衡稳定性下降,同时伴随着脑电α频段的脑网络连接增强以及大脑处理信息的效率需提升。人体在不同的视觉条件下进行姿势控制时,大脑会采用不同的神经策略。

脊柱生物力学2023年度研究进展

脊柱是人体最重要的骨骼结构之一。它具有保护脊髓、支持体重、减缓冲击,并允许躯干灵活运动的功能。脊柱生物力学研究对于全面认识脊柱结构功能、疾病发病机制意义重大。2023年,国内外学者开展了大量脊柱相关的生物力学研究,包括脊柱基础生物力学的认知,病理条件下脊柱力学特性改变,以及基于生物力学研究基础设计的各种治疗脊柱疾病办法。本文着重分析脊柱生物力学2023年度研究进展,并以几种较为典型的脊柱疾病或病理状态为例进行详解介绍。

基于数字肌肉骨骼模型对腰部前屈运动的最佳控制策略研究

目的腰椎间盘突出症(LDH)是当前临床最常见的疾病之一,致残率和复发率较高。本研究旨在通过特定的躯干前屈运动控制的方法,将下段腰椎(L4/L5或L5/S1)椎间盘内(IVD)负荷降至最低。方法采用一套开源的肌肉骨骼数字模型,对不同躯干前屈角度的运动控制开展研究,使L4/L5或L5/S1椎间盘内的剪切力或压缩载荷最小化。结果当人体的躯干前屈时,将下段腰椎IVD负荷降至最低的控制策略会导致两种特定的运动模式,即“受限腰椎”和“过度伸展腰椎”。“受限”模式可以减少下段腰部的整体负荷,而“过度伸展”模式只能减少L4/L5水平的剪切力,但会增加L5/S1水平的压缩力和剪切力,以及L4/L5水平的压缩力。结论本研究通过数字模型和模拟仿真,构建和分析了LDH患者特定躯干运动学与腰椎间盘负荷之间的关系,即人体可以通过调整日常活动中腰椎(躯干)前屈运动时的角度控制测量,减轻的腰椎IVD过度负荷,最终降低LDH的发生率或复发率。

机械通气相关高拉伸通过miRNA-mRNA相互作用调节气道平滑肌细胞嘌呤代谢影响细胞刚度

目的机械通气为呼吸危重症患者提供生命支持,但也引起肺损伤(VILI),后者因病理机制不明一直是呼吸与危重症学科的重大难题。气道平滑肌细胞(ASMC)是气道内对拉伸极为敏感细胞,但ASMC在VILI中的作用及其机制尚不清楚。本研究结合全基因组测序、生物力学和细胞分子生物学相关方法,在机械通气相关高拉伸条件下分析ASMC对机械通气的主要响应机制及力学调控作用。方法采用Flexcell-5000在体外高拉伸(13%)处理人ASMC,全基因组测序分析细胞mi RNA和m RNA表达并进行mi RNA-m RNA生物信息学的整合分析,光学磁微粒扭转系统、牵张力显微术分析细胞力学特性。结果全基因组学mi RNA-m RNA整合分析发现机械通气相关高拉伸主要通过影响mi RNA-m RNA相互作用调节ASMC嘌呤代谢,如通过mi R-370-5p(↓)-PDE4D/AK7(↑)调节ATP、c AMP合成;体外细胞水平研究发现高拉伸调节ASMC内的c AMP/ATP并改变ASMC细胞刚度,且可以被mi R-370-5p模拟物部分逆转。结论本研究揭示了机械通气相关高拉伸(>10%应变)通过调控mi RNA-m RNA网络调节ASMC力学行为从而影响肺功能,为VILI的生物标志物筛选及新型治疗靶点提供新见解。

不同类型机械性骨骼肌损伤实验动物模型的造模方法和特点

目的分析和比较用于模拟人类机械性骨骼肌损伤的动物实验方法。方法以1999年1月至2023年2月为检索时间范围,以“骨骼肌损伤,机械性骨骼肌损伤,挫伤,拉伤,撕裂伤,动物模型”等为检索词检索中国知网及万方数据库,以skeletal muscle injury、contusion、muscle strain、laceration、animal model等为检索词,检索Pub Med、EMBASE、Cochran以及Web of Science数据库,筛选与机械性骨骼肌损伤及动物实验相关的文献,最终共纳入文献28篇。结果和结论挫伤模型主要是为了研究挫伤和肌肉再生的机制;拉伤模型可以使用不同的形式来复制损伤过程,其中离心收缩是最常用的方法;撕裂伤模型主要用于评估肌肉纤维化和它的治疗方式,并且比其他损伤过程(挫伤和拉伤)更具可重复性。根据不同的损伤类型和研究目的选择建立不同的动物模型是研究的基础。

SXZG对去势大鼠下颌骨显微结构及生物力学性能的影响

目的探究以沙棘脂肪酸为主要成分的中药制剂SXZG对去卵巢大鼠下颌骨显微结构及生物力学性能的影响。方法36只3月龄雌性SD大鼠,随机分为6组:假手术组(A组)、去卵巢模型组(B组)、去卵巢+SXZG高剂量组(C组)、去卵巢+SXZG低剂量组(D组)、去卵巢+己烯雌酚组(E组)、去卵巢+仙灵骨葆组(F组),其中C、D、E、F组连续给药12 w。实验结束后,取下颌骨进行Micro-CT扫描及三维重建,之后采用三点弯曲实验检测各组大鼠下颌骨最大载荷及弹性载荷。结果与A组相比,B组大鼠下颌骨微结构:骨密度、相对骨体积、骨小梁厚度及骨小梁数目均显著降低(P<0.05),骨表面积体积比、骨小梁间隙显著增高(P<0.05),下颌骨最大载荷及弹性载荷显著减少(P<0.05);与B组相比,E、F组大鼠下颌骨微结构获得良好修复,力学性能也明显改善;D组相对骨体积较B组显著升高(P<0.05),骨小梁间隙显著减小(P<0.05);C组疗效优于D组,大鼠下颌骨相对骨体积、骨小梁间隙、骨小梁数目以及下颌骨骨密度均得到一定程度修复,下颌骨最大载荷及弹性载荷也较B组显著增加(P<0.05)。结论SXZG能够修复去卵巢大鼠下颌骨微结构并有效改善其下颌骨力学性能,这将为临床治疗骨质疏松,延缓颌骨、牙槽骨吸收和提高义齿修复效果提供一种新的途径。

基于交通事故案例的3岁儿童乘员损伤机制研究

目的通过再现真实交通事故案例探究3岁儿童乘员碰撞损伤机制。方法应用车辆有限元模型和图斯特3岁儿童乘员损伤仿生模型(TUST IBMs 3YO-O),再现CIREN数据库中的交通事故案例,通过综合分析Δv、车辆质量和变形能反求碰撞前车辆的速度,设置碰撞仿真试验再现案例所描述的儿童乘员损伤,分析损伤机制。结果TUST IBMs 3YO-O模型完整地再现出碰撞事故中儿童乘员的损伤。儿童乘员头部运动学响应与生物力学响应表现出差异性,儿童乘员胸腔内部组织器官生物力学响应表明其没有出现损伤,但是胸部3 ms合成加速度达到54 g,超出阈值。结论未来乘员安全评价需要引入生物力学参数。应用高生物逼真度的人体生物力学模型再现交通事故中乘员损伤,不仅更加清晰观察事故中乘员的运动学响应,深度分析碰撞损伤机制,还为数字化评估提供参考依据,也将为儿童乘员保护装置研发和安全法规制定提供参考。

汽车座椅头枕高度对乘员头颈部生物力学响应分析

目的探究汽车追尾碰撞事故中,座椅头枕高度对乘员头颈部的运动学和生物力学响应的影响。方法应用中国体征第50百分位男性头颈部生物力学模型和某款汽车头枕有限元模型,设置不同头枕高度的13组汽车追尾碰撞仿真试验,分析头部损伤指标HIC15、脑组织von Mises应力、颈部伤害指标Nkm和颈椎von Mises应力,并分别与头枕高度进行二维非线性拟合得到预测模型。结果全部头颈部损伤参数变化趋势一致,均为随头枕高度的升高先减小后增加,损伤参数最低值出现在头枕最高点与乘员头部最高点差值0~10 mm区间内。在头枕最高点低于乘员头部最高点30 mm以上时,乘员颈椎C1损伤风险最大,头枕最高点低于乘员头部最高点距离小于30 mm以及高于乘员头部最高点时,乘员颈椎C7损伤风险最大。结论汽车座椅头枕设计及乘员实际乘车时,应尽量使得头枕最高点与乘员头部最高点接近以降低乘员在汽车追尾碰撞中头颈部损伤风险。本研究量化评估了汽车座椅头枕高度对乘员头颈部的运动学和生物力学影响,为汽车追尾碰撞中乘员损伤机理研究和座椅头枕安全防护设计提供理论依据和数据支撑。

颈椎整骨手法的运动学与动力学研究

目的同步采集和分析两种颈椎整骨手法的运动学与动力学参数,归纳其生物力学特征。方法由1位高年资医师对10位健康受试者完成颈椎定位定向扳法和颈椎侧屈手法操作,施术者粘贴荧光标志球用于捕捉手法动作,并用压力触感手套和无线表面肌电系统采集并分析动力学参数和表面肌电信号。结果上臂肌肉是颈椎整骨手法的主发力肌,其中肱二头肌的贡献率最高。颈椎定位定向扳法的运动幅度、速度、扳动作用力和时间都大于颈椎侧屈手法。颈椎定位定向扳法中施术者各肌肉的积分肌电值(iEMG)和均方根值(RMS)都大于颈椎侧屈手法。结论颈椎整骨手法运动幅度、三维活动角度,扳动瞬间的载荷强度和时间,具备高速、低幅和力强的特点,体现出中医学中关于“寸劲”的生物力学特征。研究结果可以为进一步规范手法教学、训练以及提升临床安全性提供参考。

基质硬度通过黏附蛋白调节胚胎干细胞的力学感知和分化命运

目的力学响应是理解基质硬度调节胚胎干细胞(ESCs)肝向分化的关键因素,研究分化初始阶段干细胞通过细胞黏附感知和力学信号传递尤为重要。本研究聚焦于不同硬度的基质条件细胞-细胞和细胞基质黏附对ESCs向定型内胚层(DE)分化的协同调控,并探究了细胞黏附蛋白和关键力信号转导通路。方法使用聚丙烯酰胺水凝胶制备3种不同硬度的基质,建立基于不同硬度的基质条件ESCs(H1细胞系)原位定向分化实验体系。利用牵引力显微镜、组学分析、Ch IPseq、q PCR、免疫荧光及Simple WES等方法,阐明不同硬度基质条件下ESCs向DE细胞分化的力学-生物耦合规律和机理。结果基质硬度是决定ESCs分化命运的关键。较硬基质上,ESCs的分化启动较快,DE细胞标志物表达随分化进度增加,其表达水平与基质硬度呈正相关;较高硬度促进了ESCs在克隆边缘的分化,位于克隆边缘的细胞比位于克隆内部的细胞高表达DE细胞标志物。不同硬度的基质上ESCs向DE细胞分化时,负责细胞-基质黏附的β1 integrin表达增加而细胞间E-cadherin表达减少,且呈现硬度依赖性。激活E-cadherin或阻断β1 integrin均可减少YAP入核使细胞的分化能力降低。结论基质硬度能够影响干细胞分化命运,硬基底更利于ESCs的DE向分化,该过程涉及细胞-细胞间及细胞-基质间黏附蛋白的相互作用进而调节胞内YAP的核移位。

前交叉韧带重建术后大腿等速肌力与步态不对称性的相关性研究

目的全面分析前交叉韧带(ACL)重建后伸膝肌、屈膝肌的向心、离心等速肌力的不对称性与步行膝三维运动学与动力学不对称性的相关性。方法采用回顾性病例系列研究分析25例ACL重建患者临床资料,均为男性,年龄17~47岁[(29.4±5.2)岁]。术后进行标准的康复治疗流程。采集术后1年大腿等速肌力测试数据。采集受试者步行过程的三维运动学及动力学。通过Spearman相关分析研究等速肌力的双侧对称指数(LSI)与步态参数LSI的相关性。结果ACL重建术后1年,180°/s等速向心伸膝肌力的LSI与步态支撑期膝关节屈曲力矩峰值LSI显著相关(R=0.449,P<0.05),60°/s等速向心伸膝肌力的LSI与步态支撑期膝关节内旋力矩峰值LSI显著相关(R=0.421,P<0.05);术后1年180°/s等速向心屈膝肌力的LSI、300°/s等速向心伸膝肌力的LSI、60°/s等速离心屈膝肌力的LSI与步态支撑期膝关节屈曲角度峰值LSI显著相关(R=0.462,R=0.415,R=0.536,P<0.05)。结论ACL重建患者1年后大腿等速伸膝肌力不对称性与步态支撑期膝关节屈曲力矩、旋转力矩、屈曲角度峰值不对称性显著相关,屈膝肌力不对称性与步态支撑期膝关节屈曲角度峰值不对称性显著相关。提示ACL重建患者1年后仍需进行规律康复训练,提高肌力与运动功能水平,以降低ACL再断裂及继发损伤风险。

胸腰段脊柱后方韧带复合体序贯损伤对其稳定性的有限元分析

目的本研究旨在探讨在胸腰段(T12~L1)脊柱有限元模型中,后方韧带复合体(PLC)各韧带逐步破坏对脊柱运动范围(ROM)和瞬时旋转轴(IAR)位置的影响,并验证棘上韧带(SSL)在维持受伤胸腰段脊柱稳定性中的作用。方法通过健康志愿者的CT扫描数据,构建并验证了T12~L1段脊柱的三维有限元(FE)模型。模型模拟了胸腰段脊柱的骨折,并在此基础上依次减少后方韧带复合体(包括关节囊韧带、部分棘间韧带、SSL和全部棘间韧带、黄韧带)的完整性。测量在4个方向(屈曲、伸展、侧弯、旋转)和4种弯曲运动(1.5、3.0、4.5、6.0 N·m)下,不同韧带状态下T12~L1段的ROM和IAR。结果有限元模型显示,随着韧带逐步被去除,ROM和IAR位置均呈现出一致的增加趋势。在屈曲运动中,SSL的破坏对ROM和IAR的变化影响最大,而在伸展运动中,关节囊韧带的去除导致最大的变化。此外,ROM在各个弯曲运动方向上均有所增加,但以矢状面和冠状面为主,侧弯和轴向旋转的变化较小。结论SSL是后方韧带复合体中最重要的韧带,对维持胸腰段脊柱稳定性起关键作用。在临床手术中,修复破损的PLC,特别是SSL,对于患者的恢复和脊柱稳定性至关重要。

肘关节后囊损伤后愈合不同阶段的生物力学

目的评估关节后囊损伤愈合过程中不同阶段,肘关节内部软组织的力学行为。方法建立考虑肌肉主动行为的肘关节有限元模型,模拟肘关节在无损伤和关节后囊损伤后2、4、6、8周时屈曲运动,分析关节囊、尺骨软骨和韧带von Mises等效应力变化。结果无损伤以及损伤后2、4、6、8周时,关节囊在肘关节屈曲60°时应力分别为8.23、7.87、8.27、8.99、10.5 MPa。在肘关节屈曲30°时,与无损伤相比,损伤后2、4、6、8周时尺骨软骨应力分别为增加13.0%、28.3%、41.3%和45.7%。与损伤后2周相比,损伤后4周时桡侧副韧带在屈曲15°、30°、45°、60°、75°时应力分别减少12.5%、22.2%、13.6%、3.2%和10.6%。结论肘关节后囊损伤愈合过程中,骨与软组织生物力学特征变化显著。研究结果可为关节囊挛缩的预防和治疗以及康复辅具的开发提供理论依据。

基于有限元分析比较锚袢钢板和张力带技术固定髌骨下极骨折的力学稳定性

目的比较锚袢钢板(ALP)和张力带技术治疗不同程度髌骨下极骨折的力学稳定性,为髌骨下极骨折的治疗方案选择提供依据。方法获取髌骨三维模型后,模拟不同位置骨折线和内固定装置,随后设置相关材料属性,建立有限元模型,分析ALP和Kirschner钢丝张力带联合髌骨环扎固定治疗不同程度髌骨下端骨折(骨折线位于髌骨下3/16处为I度,位于2/16处为Ⅱ度,位于1/16处为Ⅲ度)的生物力学特性。回顾2018年6月~2022年6月我院收治的8例髌骨下极撕脱骨折患者(ALP固定)的临床资料,分析该技术的安全性和有效性。结果有限元分析结果表明,对于I度髌骨下极骨折,张力带组最大位移是ALP组的1.77倍,最大应力是ALP组的1.21倍;对于Ⅱ度髌骨下极骨折,张力带组最大位移是ALP组的2.22倍,最大应力是ALP组的1.53倍;对于Ⅲ度髌骨下极骨折,张力带组最大位移是ALP组的3.43倍,最大应力是ALP组的1.60倍。经ALP治疗,所有髌骨下极撕脱骨折均获得良好的愈合,无严重并发症发生。结论ALP生物力学稳定性受骨折线变化影响较小,相比张力带技术更具生物力学稳定性。

颈椎人工椎间盘的生物力学思考

目的分析不同类型颈椎人工椎间盘在置换术后的生物力学特点,以指导临床假体选择和手术操作。方法通过检索Pub Med数据库(2018~2023年),筛选出54篇相关文献,最终纳入17篇。研究采用有限元分析和临床数据相结合的方法,综合评估不同假体的生物力学特性。结果节段活动度:球窝关节假体和可移动核心假体可恢复术前活动度,M6-C限制活动度在生理范围内。双节段CDA增加手术节段活动度,降低相邻节段活动度。瞬时旋转中心(ICR):术后ICR位置弥散度增大,但仍位于下椎体上终板附近。侧弯和轴向旋转的ICR分别位于人工椎间盘中心和椎体内。椎间盘压力:Mobi-C、SecureC和Prodisc C降低相邻节段椎间盘内压力,Prestige LP增大邻近椎间盘退变风险。Bryan椎间盘可能导致相邻节段活动度增加,轻微增加椎间盘压力。关节突关节应力:手术节段关节突关节应力增加,其中Mobi-C增加最大。相邻节段除Bryan外,其他假体均有所下降。结论假体类型显著影响颈椎间盘置换术后的生物力学行为,没有一种假体完全符合正常颈椎间盘的各项生物力学指标。术前应根据患者颈椎曲度和节段活动度选择合适假体,术中应评估假体放置角度以减小矢状位剪切力并维持颈椎稳定性。假体选择和手术操作对术后颈椎生物力学恢复至关重要。

股骨颈骨折术后股骨在不同运动负荷条件下的生物力学研究

目的生物力学在股骨颈骨折并发股骨头坏死过程中起着决定性的作用。本文拟探究股骨颈骨折术后股骨在不同运动负荷下的力学特性,为骨折康复提供理论指导。方法纳入股骨颈骨折术后复位质量评价良好的患者30例。建立双侧股骨颈模型(健侧与患侧),首先以健侧镜像模型为标准,测量患侧股骨复位量化参数,包括股骨头小凹最低点位移,股骨头中心位移,股骨头空间偏转角度。然后建立股骨颈有限元模型,结合Any Body人体建模仿真软件,建立不同运动模拟,并将产生的关节力、肌肉力、力矩及约束条件生成环境变量施加于有限元模型;动作包括站立、步行、起立和下蹲,其中下蹲和起立分别由九个节段动作完成,下蹲由模型站立位起始,每下蹲一节段髋关节与膝关节弯曲15°,直至135°停止,起立则是相反的动作过程。结果30例股骨股骨头小凹最低点平均距离9.22±4.42 mm,股骨头中心平均距离为5.32±2.98 mm,股骨头平均偏转角度为19.73°±11.61°。站立时平均应力峰值为18.97±7.8 MPa,步行过程中平均应力峰值为66.85±36.18 MPa,起立过程中平均应力峰值为61.74±114.38 MPa,下蹲过程中平均应力峰值为1607.04±869.58 MPa。结论30例股骨颈都存在不同程度的空间移位。4个日常动作中,站立时股骨颈受力最小,其次是起立和步行,下蹲时股骨颈受力最大。

基于旋动流的中心静脉导管的设计研究

目的血液透析是维持终末期肾病患者生命的重要手段,其中中心静脉导管(central venous catheter,CVC)被广泛应用于透析治疗的血管通路。CVC在透析过程中因局部的血液湍流而导致的血栓生成是该器械在临床使用中的主要问题。研究发现,人体主动脉弓内血流呈旋动流状态,这种流态可使血液稳定,减小湍流。受此鼓舞,本研究设计出一款腔内血液自发旋动的中心静脉导管,并用计算流体的方法对其进行流场研究。方法以在临床中常用的Niagara导管为原型,在其动脉腔内加上一段类似弹簧状的旋动引导装置。同时对不同横截面半径(分别为0.2、0.6 mm)的旋动引导装置采取Solidworks建模和商用流体仿真软件Fluent进行了数值分析。结果当旋动流引导器的横截面半径增大时,CVC动脉腔内的平均壁面切应力(wall shear stress,WSS)提高(6.34 Pa>4.96 Pa)。然而,较大半径的旋动流引导器在其下游地区产生了更多的低WSS区域(7.18%>2.32%),同时记录到更小的最小WSS值(0.03 Pa<0.06 Pa)。旋动流引导器通过增大横截面半径可提高平均WSS,但同时也增加了低WSS区域的比例,这可能对导管动脉腔的长期稳定性与有效性产生负面影响。因此,未来需进一步探究如何优化旋动流引导器的设计,以实现在提高平均WSS的同时减少低WSS区域,从而更有效地防止血栓形成并延长CVC的使用寿命。

压缩应变驱动组织工程力学微环境构建促进软骨再生研究

目的组织工程是软骨再生研究中一种前景广阔的方法。未成熟的软骨组织工程构建物严重限制在体的修复进程,这对软骨组织工程的发展提出了一个挑战。方法通过低温3D打印制备了一种丝素蛋白/Ⅱ型胶原蛋白支架。利用光学相干弹性成像方法确定了软骨细胞/支架复合体体外成熟培养的最佳力学环境,并对体外培养成熟的人工软骨进行了体内缺损修复评估。结果研究表明,丝素蛋白/Ⅱ型胶原蛋白具有良好的理化性能和生物相容性,经细胞增殖实验验证10%的压缩应变是体外最佳压缩负荷。在最佳体外压缩负荷下,软骨细胞能在支架上快速增殖生长,从而达到更好的“成熟”效果。体外培养的软骨细胞/支架复合物能有效提高植入后的软骨修复效果。修复12周后,新组织的压缩弹性模量达到0.682±0.010 MPa(周围宿主软骨的压缩弹性模量为0.714±0.011 MPa)。结论通过力学刺激可以体外构建成熟的软骨细胞/支架复合物,并且显著提高了体内软骨缺损修复的效果。该工作极大地推荐了力学刺激在再生医学中的应用。通过对支架的力学调控,重新分配其内部力学微环境,将为适用于三维组织工程、干细胞分化、体外成熟植入物模型和原位再生医学的仿生软材料领域带来启示。

高频率低载荷机械振动(LMHFV)通过初级纤毛-PI3K/AKT信号通路改善糖尿病性骨质疏松的机制研究

目的探讨高糖环境下,初级纤毛和PI3K/AKT信号通路对LMHFV的响应情况,揭示LMHFV改善糖尿病性骨质疏松的力学生物学机理。方法构建高糖环境成骨细胞(MC3T3-E1)模型,课题组自研振动台用于细胞的LMHFV加载(35 Hz,0.25 G)。免疫荧光观察成骨细胞初级纤毛形态和长度;IFT88sh RNA构建初级纤毛敲除细胞模型;分别采用LY294002和740Y-P对成骨细胞PI3K/AKT信号通路抑制和激活;Western Blot和ELISA检测细胞成骨相关蛋白表达情况;ALP染色和茜素红S染色观察成骨细胞分化。结果高糖环境下成骨细胞的初级纤毛长度变短,阳性率无显著降低。LMHFV促进高糖环境下成骨细胞被抑制的PI3K、AKT和p AKT蛋白的表达;初级纤毛敲除后,LMHFV下成骨细胞PI3K/AKT通路蛋白表达无显著增高。LY294002和740Y-P显著抑制和激活PI3K/AKT信号通路。PI3K-AKT信号通路激活后,COL1、BMP2、Runx2、OCN和OPG等成骨相关蛋白表达水平提升;ALP表达和活性增高;茜素红S染色观察到钙结节数目和大小增加。结论初级纤毛作为力学感受器能够被LMHFV激活,调控其下游PI3K/AKT信号通路进而改善高糖环境下成骨细胞的生物学行为。

适配心肌软组织力学性能的仿生纤维电极调控心肌细胞同步收缩

目的将柔性电极集成到心肌组织工程中实现监测和调控组织工程心肌的电生理功能,对于构建功能性仿生组织用于修复心肌梗死具有重要意义。但较硬的电极与心肌软组织的力学性能适配仍是亟待解决的难题。优化设计电极网络的结构可以提高其力学可伸缩性,为个性化适配心肌软组织的非线性力学特征提供了一种简单可控的策略。方法本研究仿生心肌细胞外基质中的波浪形胶原纤维和心室中肌纤维呈螺旋排列方式,利用熔融直写技术(Melt Electrowriting)打印非线性微纳米纤维的优势,构建了一种正弦结构的镀金纤维电极网络,用于调控心肌细胞同步收缩和促进心肌组织修复。结果镀金纤维网络具有可调控的纤维直径和各向异性比率,能够实现个性化适配特定心脏大小和形状的力学性能。接种在镀金纤维上的心肌细胞定向生长形成肌节组织,并在仿生电刺激下表现出频率介导的同步收缩,实现了细胞之间的电信号传导和有效力电耦合。心肌细胞产生的收缩力能驱动纤维补片平面收缩。小鼠皮下植入验证了补片的良好生物相容性。结论正弦结构的镀金纤维补片具有适配心肌软组织的非线性力学性能,并能够调控心肌细胞同步收缩,有希望促进补片移植后与宿主心肌的力/电功能整合并提高修复心肌梗死的治疗效果。