生物仿生支架设计及制造分析

目的随着人口老龄化及骨创伤疾病的增加,对人工骨支架的需求日益增加。受传统优化设计方法及制造工艺的限制,当前设计的骨支架普遍存在弹性模量过高、应力遮挡、各向异性行为匹配性差以及渗透性低等问题。因此,如何设计出与天然骨组织性能相似的新型骨支架以较好地解决骨缺损修复问题仍是当前挑战性问题之一,也是本文的研究目的。方法采用先进的移动可变形组件法(MMC)设计新型非周期性仿生骨支架。以人体腰椎骨组织为目标,设计不同类型的骨支架,并且采用结构弹性矩阵、渗透性仿真等方法评估骨支架的力学性能及渗透性。采用选择性激光熔融技术对支架进行增材制造,再利用扫描电子显微镜(SEM)评估其可制造性。结果新型骨支架具有良好的各向异性力学性能,其弹性常数与目标骨组织相比的最大误差仅为8.98%。新型骨支架具有良好的渗透性,在孔隙率为62%时,骨支架渗透率可达3.7045×10^(-8)m^(-2),比相同孔隙率的Schwarz P结构高了一个数量级;SEM图像表明新型骨支架具有良好的可制造性。结论通过MMC方法设计出的新型仿生支架具有良好的力学性能、渗透性和可制造性,能促进骨细胞的生长和再生,可在医疗植入物和骨修复等生物医学工程领域发挥重要作用。

厌氧氨氧化颗粒污泥内部原位生物活性与N_(2)O产生特性

以厌氧氨氧化颗粒为对象,利用NH_(4)^(+)、NO_(2)^(−)、NO_(3)^(−)和N_(2)O微电极测定了浓度连续分布,并建立微生物原位活性与N_(2)O产生之间的关系.结果表明,NH_(4)^(+)和NO_(2)^(−)同步消耗的厌氧氨氧化活性区分布在颗粒的表层区域(0~1500μm),其中200~400μm活性最高;当NH_(4)^(+)-N浓度为14mg/L(c(NH_(4)^(+)):c(NO_(2)^(−))=1:1.2)时,NH_(4)^(+)-N和NO_(2)^(−)-N最大净体积消耗速率分别为1.19与1.65mg/(cm^(3)⋅h).反硝化活性主要分布在1500~2500μm的深层区域,当采用NO_(2)^(−)-N或NO_(3)^(−)-N为单一基质(NO_(x)^(−)-N=14mg/L)时,最大N_(2)O生成速率分别为0.37和0.19mg/(cm^(3)⋅h).N_(2)O的生成主要在深层反硝化区域,且随pH值由8.5降至7.0,产生速率增加了28.16倍,达到0.35mg/(cm^(3)⋅h).高通量测序发现,颗粒中除厌氧氨氧化细菌(Candidatus Kuenenia)外,具有反硝化功能的细菌(Truepera、Limnobacter、Ignavibacterium和Anaerolineaceae)和氨氧化细菌(Nitrosomonas)也被检出.综上,厌氧氨氧化活性主要分布在表层区域,N_(2)O主要产生于深层的反硝化活性区,可能的作用者为反硝化菌.

基于深度学习和遗传算法的仿调幅分解超材料骨支架反向设计

目的随着骨病和创伤的增加,骨支架被广泛应用于骨科领域的骨组织修复和再生。受到设计与制造的限制,大多骨支架都会产生植入后应力集中、应力遮挡等问题。因此,如何设计出与天然骨组织性能相似的骨支架以完美解决骨缺损修复问题仍具有一定的挑战性。方法本文结合深度学习和遗传算法反向设计出了仿调幅分解(spinodoid)超材料仿生骨支架。采用数值均一化方法计算出spinodoid超材料刚度矩阵以生成深度学习所需要的数据集。利用神经网络建立结构设计参数与刚度矩阵参数的映射关系。训练好的神经网络和遗传算法结合进行骨支架的反向设计。结果Spinodoid超材料骨支架具有良好的各向异性力学性能,其弹性模量与人体骨组织非常相似,骨支架刚度参数与目标骨组织相比的最大误差仅为4.57%,这能有效减少植入后的应力遮挡等问题;新型骨支架具有良好的可生产性,采用选择性激光熔融技术制造出来的样品在扫描电子显微镜下呈现出了较高的打印质量。结论通过结合深度学习和遗传算法反向设计出的新型结构具有良好的力学性能和可生产性,能促进骨细胞的生长和再生,可在医疗植入物和骨修复等生物医学工程领域发挥重要作用。因此,本研究可为骨支架设计开辟一条新的道路。

“互联网+医养”综合管理系统设计与应用

目的:巩固宁夏回族自治区(以下简称宁夏)“互联网+医疗健康”示范区建设成果,提升医养结合服务能力。方法:结合宁夏本地医养服务现状,应用大数据和互联网技术,构建基于互联网医疗的医养综合服务信息化体系,搭建适用于不同层级医养结合机构的医养协同综合服务信息化平台。结果:面向医养结合机构、社会养老机构、社区居家养老人群提供多方位联合体机制,形成线上线下一体化的全流程医养服务及管理模式,可为老年人提供全方位多层次连续性的医疗、养老等服务。结论:“互联网+医养”综合管理系统实现了医养融合互联互通全流程管理,是“互联网+医养”融合服务模式的积极探索。

COD浓度对反硝化除磷及N2O释放影响

接种普通活性污泥,在厌氧/缺氧SBR系统驯化51 d,反硝化脱氮除磷效率分别达到(96±2)%和(88±5)%。在此基础上,取厌氧末活性污泥,研究了COD浓度(0,26.25,87.5 mg/L)对亚硝酸型反硝化除磷性能及N_(2)O释放的影响。结果表明,随着COD浓度的增大,脱氮效率由55.44%升至63.50%和96.44%;同时,COD被合成PHB,并发生释磷的现象,导致除磷效率由33.54%降至26.87%和-0.016%;N_(2)O转化率(N_(2)O-N释放量/去除的TN量)由25.08%减少为22.96%和11.85%。高浓度COD有利于提升反硝化效率,并降低N_(2)O的释放,但会降低除磷效率。

短程反硝化处理酸性含氮废水及N_(2)O释放特性

短程反硝化处理酸性含氮废水具有节约碳源并降低剩余污泥量的优点。研究在SBR系统中通过升高进水NO^(-)_(2)浓度并降低进水pH的方式成功实现了NO^(-)_(2)型反硝化的启动和稳定运行,并研究了长期酸性条件下N_(2)O的释放特性和微生物群落的变化。结果表明,pH由6.5降至5.0时,NO^(-)_(2)还原速率反而略有升高,达10.88 mg/(h·g)VSS,N_(2)O产生率由2.07%升至7.17%,但总体保持在较低水平。处理酸性废水系统中,unclassified_k_norank_d_Bacteria和Thauera属成为优势反硝化菌,它们对N_(2)O的减量释放起到重要作用。

LASIK手术中不同切削深度对角膜生物力学及眼压测量值的影响

目的通过参数数值模拟阐明不同消融深度对LASIK手术中角膜生物力学行为和眼压(IOP)的影响。方法建立术后模型时,消融区域设计在光学区和过渡区内。其中,光学区为折射校正的中心圆形区域;过渡区实现了消融区和非消融区的平滑过渡,其非球面性被证实能更好的保证术后视觉效果。角膜实际表面是非球面的,但在传统的屈光手术中,假设光学区的术前和术后的角膜近似为球形帽。根据Munnerlyn方程,提出用两个半径对应点之间的距离来计算消融轮廓线,其中术前角膜半径为R_(1),术后角膜半径为R_(2),nc为角膜折射率。屈光度S可由公式S=(nc-1)(1/R_(2)-1/R_(1))确定。结果有限元分析结果揭示了LASIK手术中不同消融深度下角膜生物力学行为的变化。具体来说,对于-2D、-4D、-6D的消融深度,相应的术后IOP降低。有限元云图结果显示,最大的应力发生在角膜前表面的中心。通过有限元模拟得到光学区直径与IOP值的关系显示,最小光学区直径时,-2D、-4D和-6D的切削深度IOP值分别为13.04、10.49、9.2 mm Hg,均低于术前报告值(17.40 mm Hg)。结论本研究评估LASIK术后角膜生物力学行为和IOP测量值。IOP测量值随着光学区直径和切削深度的增加而降低,提示改进的有限元分析对角膜屈光手术的方案优化和术后恢复具有重要意义。

一种可定制化多尺度全身刚柔混合人体肌骨数字模型

目的针对现有肌骨模型建模精度差,有限元模型计算效率低的问题,本研究创新性提出耦合两种模型建立一种可定制化多尺度全身刚柔混合人体肌骨数字模型,实现多场景下人体动作的多尺度多物理的高精度、高效率耦合模拟。方法基于医疗影像数据在有限元环境中运用显示动态有限元法与参数化编程建立多尺度全身刚柔混合肌骨数字模型。其中肌肉采用希尔模型建模,胫股关节被建模为6自由度Cartesian-Cardan连接器;髌股关节具有前后、上下平移自由度和屈伸旋转自由度;其他关节建模为Join-Cardan连接器。并通过步态与肌肉激活数据对肌骨模型进行校准和优化。同时建立基于医疗影像数据特征的非线性变换的模型缩放算法,实现对肌骨模型的快速缩放。结果本研究建立的全身肌骨数字模型可实现针对特定受试者的个性化快速缩放,并可通过运动数据作为个性化边界条件输入驱动模型,从而进行身体与组织水平的相关研究。与单一的肌骨模型或有限元模型相比,其预测精度提高15%,个性化缩放效率提高60%,且计算效率大幅提升。结论本研究建立的全身肌骨数字模型具有建模精度与计算效率平衡的明显优势,可实现多场景下人体-关节-软组织跨尺度动力学研究,并为人工假体的在体多维性能评测提供数字化分析平台。

纳滤分离水中阿莫西林及影响因素

阿莫西林(AMX)是水环境被检测出的典型抗生素药物,对人类有潜在的危害。研究了AMX溶液浓度、操作压力对纳滤去除性能的影响,并探索了镁离子和腐殖酸(HA)对AMX分离性能的影响。结果表明,AMX浓度的增加能显著提升纳滤的分离效率,同时膜吸附量增加;操作压力的增加主要提升膜通量,对去除率影响不大。加入Mg^(2+)后,使得pH在5和8时的去除率略微上升,而在pH 10去除率略微减小。HA存在时,随pH的升高,AMX去除率呈先降后升的趋势,低HA浓度(5 mg/L)时的去除率大于高浓度(10 mg/L)时的去除率。结果表明,膜筛分作用是纳滤去除AMX的主要机制,HA的加入增强了膜筛分作用,Mg2+对AMX的去除率影响不大。

基于HCO_(3)^(-)/N控制部分亚硝化及影响因素

部分亚硝化的稳定控制是基于厌氧氨氧化的两段式自养脱氮高效运行的关键。在好氧条件下(DO>1 mg/L),通过控制HCO_(3)^(-)与NH^(4+)的摩尔比,在SBR系统实现了高氨废水部分亚硝化的启动与长期稳定运行,出水NO_(2)^(-)-N/NH^(4+)-N为1.09±0.08。在此基础上,通过批式试验考察了HCO_(3)^(-)/N及pH对部分亚硝化的影响。结果发现,随着进水HCO_(3)^(-)/N由0.5∶1升高为1∶1,1.5∶1和2∶1,氨氮转化率由33.62%增加至57.41%,100%和100%。在控制HCO_(3)^(-)/N为1∶1前提下,随着pH由7升至8和9时,氨氮转化率由56.89%升高至61.32%和100%,平均氨氧化速率分别达0.39,0.42,0.49 mg N/(g MLSS·min)。结果表明,HCO_(3)^(-)/N和pH通过影响游离氨和游离亚硝酸的浓度同步影响着氨氧化速率、转化率和亚硝酸盐氧化,HCO_(3)^(-)/N为1∶1及pH=8是实现高氨废水部分亚硝化稳定运行的重要参数。

聚酰胺薄层复合膜的耐氯改性研究进展

易氯化降解制约了聚酰胺薄层复合膜(PA-TFC膜)在脱盐和工业分离等领域的进一步推广和应用.对此,本文归纳了PA-TFC膜受活性氯攻击的氯化机理研究现状,在此基础上,从复合膜结构出发,着重综述了该类型膜耐氯改性的最新研究进展,包括表面改性、PA层改性、支撑层改性和构筑新型耐氯分离层.最后进行总结并作出展望,以期为提升PA-TFC膜的耐氯性能及长期运行稳定性提供参考.

有机物浓度对厌氧氨氧化脱氮性能影响试验研究

通过间歇试验和连续试验研究了不同有机物浓度对厌氧氨氧化活性及脱氮性能的影响。间歇试验结果表明:自养条件下厌氧氨氧化菌的最大比反应速率为0.189 kg NH4+-N/(kg VSS.d);当氨氮和亚硝酸盐氮浓度为80 mg/L时,有机物的添加降低了厌氧氨氧化速率,当有机物浓度超过70 mg/L时,厌氧氨氧化菌的最大比反应速率降低到0.05 kgNH4+-N/(kg VSS.d)以下,是反硝化菌与厌氧氨氧化菌竞争亚硝酸盐产生了可逆抑制的结果。连续试验结果表明,高氮低碳源有机环境下厌氧氨氧化能稳定运行,并且比自养系统中总氮的去除率有所提高,当COD值为50 mg/L时,总氮去除率最大,平均值达96.59%,是反硝化菌和厌氧氨氧化菌共同脱氮的结果;当有机物浓度过高时,ANAMMOX对TN去除贡献率持续降低,反硝化不断得到强化,厌氧氨氧化运行不稳定。

Fenton氧化—吹脱法预处理兰炭废水的研究

采用Fenton氧化—吹脱法进行了兰炭废水预处理试验研究,分别考察了COD、色度和氨氮的去除效果及其影响因素。结果表明,处理100 mL的兰炭废水时,Fenton氧化的最佳工艺条件为:30%的H2O2投加量为40 mL、n(H2O2)∶n(Fe2+)=20、pH=6;吹脱除氨的最佳工艺条件为:温度为60℃、pH=11;在此条件下,Fenton氧化—吹脱法对COD、色度和氨氮的去除率分别达到了95.72%、95%和88%,废水的可生化性提高了4～5倍。

电子受体及投加方式对反硝化除磷及N_2O释放影响

接种普通活性污泥,以乙酸钠和硝酸钾为基质,在厌氧/缺氧SBR系统中成功启动了反硝化除磷,单周期脱氮、除磷效率分别达到99.95%和72.07%,N_2O转化率(N_2O释放量/去除的TN量)为16.41%。在此基础上,以厌氧末污泥为对象通过批式实验对比研究了NO_2^--N及其投加方式对反硝化除磷及N_2O释放的影响,结果表明,一次性投加NO_2^--N时,脱氮、除磷效率分别下降至55.44%和33.54%,N_2O转化率达到25.08%;当改变亚硝氮的投加次数分别为4、3、2次时,N_2O转化率分别为27.05%、23.93%和27.25%,除磷效率分别达到81.82%、80.70%和56.56%。结果表明,分多次进水并控制较低的NO_2^--N浓度,可大幅提高反硝化除磷效率,而且不会导致N_2O转化率增大。

pH对厌氧-限氧SBR同步脱氮除磷效果及N_2O释放的影响

为研究pH对厌氧-限氧SBR同步脱氮除磷效果以及对N_2O释放的影响,接种亚硝化活性污泥,以含乙酸钠、氨氮、磷酸盐的人工配水为基质,通过逐步提高进水COD,在厌氧-限氧(DO 0.3~0.8 mg/L)SBR中成功实现了同步脱氮除磷(SNDPR).反应器稳定期间氮、磷的去除率分别达(76.1±5)%、(98.4±1)%.采用批式实验研究了不同进水pH(6.0、7.0、8.0、9.0)对脱氮除磷效果及N_2O释放的影响.结果表明,pH为9.0时除磷效果最好,除磷率达87.7%,其次为pH为6.0时,除磷率达84.0%;随着pH降低,氨氧化速率呈升高趋势,pH为6.0时单位MLSS氨氧化速率和脱氮率最大,二者分别为3.7 mg/(L·h·g)和83.9%;N_2O释放量随pH的升高而减小,pH为6.0时的释放量是9.0时的3.5倍.综上,pH为6.0时,能获得较高的脱氮除磷效率,但同时会增加N_2O的释放量.

厌氧氨氧化在生物转盘系统中的实现

厌氧生物转盘系统中接种来自ASBR的厌氧污泥,在温度40～41℃、pH值为8.25～8.50和HRT为1.3d条件下连续运行142d,先后经历了以出水氨氮浓度略高于进水氨氮浓度为特征的污泥适应阶段、以氨氮小幅度去除为特征的厌氧氨氧化菌活性表现阶段及以氨氮和亚硝酸盐氮成比例并大幅度去除为特征的厌氧氨氧化菌活性提高阶段后,成功培养了厌氧氨氧化菌种,启动了反应.在进水氨氮和亚硝酸盐氮负荷均为0.051kg·m-.3d-1情况下,对二者的去除率分别达到了98.15%和99.56%.污泥的颜色也发生了由黑色→黄白色→棕红色→棕褐色等一系列的变化,通过显微镜镜检发现污泥中细菌主要是革兰氏阴性菌,有短杆状和球状,扫描电镜镜检发现颗粒污泥表面有球状菌的聚集体.

外碳源投量对亚硝酸型反硝化过程N2O释放影响

为实现N_2O的减量化控制或资源化利用,接种普通活性污泥,以乙酸钠和硝酸盐为基质,通过淘洗反硝化聚磷菌,在SBR中以厌氧/缺氧交替运行的方式启动內源反硝化,单周期内约50%的NO-3-N转化为NO-2-N,N_2O释放速率随着亚硝酸的积累逐渐增大,N_2O转化率(释放量占TN去除的比例)为2.04%.在此基础上,分别取缺氧末和厌氧末污泥,对比研究胞内聚合物PHB合成前后,外碳源投加量(碳氮比为0,0.75和2.50)对亚硝酸型反硝化过程N_2O释放特性的影响,结果表明,外碳源存在时,N_2O释放量随总碳源的增加呈略微减少的趋势,转化率在0.24%~1.61%;而当仅利用內源物质进行反硝化时,N_2O的转化率高达15.90%,单位SS最大释放速率达71.29μg/(min·g),释放量是其余条件下的14~26倍.表明单独利用PHB进行亚硝酸型反硝化会大幅增加N_2O的释放.

短程硝化过程动力学及有机物影响试验研究

在SBR中对自养环境下短程硝化过程动力学和维持初始DO质量浓度不变的条件下有机物对短程硝化的影响进行研究。结果表明,自养环境下,短程硝化过程动力学可以用Monod模型表示,NH4+-N对污泥的最大比氧化速率vmax为13.05 mg.g-.1h-1,NH4+-N半饱和常数Ks为21.98 mg.L-1。DO充足的条件下,低浓度有机物对短程硝化作用影响不大,系统中主要反应为短程硝化;高浓度有机环境下,氨氮降解速率略有下降,亚硝氮积累率降幅较大,TN有损失,系统中除了短程硝化外,还发生了同步硝化反硝化作用。动力学参数vmax随着有机物浓度的增加先变大后减小,在C/N体积比为0.6左右时,vmax达到最大值58.72 mg.g-.1h-1。

限氧系统中厌氧氨氧化菌的富集与脱氮效能

通过接种普通活性污泥,以氨氮为进水基质,在连续曝气SBR系统中进行了厌氧氨氧化菌的富集与单级自养脱氮效能试验.控制系统DO质量浓度为0.8-1.0 mg.L^-1、温度为30-31℃,经过1 a左右的短程硝化稳定运行期后氮素去除率达到9%;DO质量浓度降至0.3-0.5 mg.L^-1,并将单周期的曝气时间由330 min延长至450 min后,出水亚硝酸盐氮质量浓度由200 mg.L^-1持续降到5 mg.L^-1以下,获得了自养脱氮效果.TN最高去除率和去除速率分别达到79.8%和0.15 kg.kg^-1.d^-1.系统中污泥形态结构由絮体向颗粒态转变;镜检发现污泥内部分布有深色球状物.经FISH鉴定,污泥内部富集了厌氧氨氧化菌.结果表明：连续曝气短程硝化悬浮系统中可直接富集厌氧氨氧化菌,获得单级自养脱氮效果.

微波联合过氧化氢改善剩余污泥脱水性能研究

利用微波联合过氧化氢改善污泥脱水性能,研究了双氧水投加量、微波功率、微波时间和pH等因素对污泥脱水性能的影响,结果表明,碱性条件下污泥破壁程度较好,微波时间以及微波功率对于污泥破壁影响较大.结合能耗与破壁脱水性能,微波联合H2O2改善污泥脱水性能的优化条件为:pH=7、双氧水投加量0.15mL/g.微波时间4min、微波功率595W.此时,污泥中水的质量分数由98.00%降至64.43%,污泥粒度变大时含水率降低,因此污泥粒度可作为污泥脱水性能的主要响应指标。