膝关节前交叉韧带修复的组织工程研究进展

本文介绍前交叉韧带组织工程(即利用组织工程的方法重建具有生物性能的韧带,恢复损伤韧带的生理功能)的研究现状,展望其发展前景,并分析该领域有待解决的关键问题,重点论述前交叉韧带组织工程中种子细胞、生物支架、材料表面修饰、生长因子等的选择和应用。

基于肿瘤靶向热疗的磁性微/纳米颗粒研究进展

介绍了磁性微/纳米颗粒在肿瘤靶向热疗中的应用开发现状,展望了其发展前景。重点总结了不同尺度和种类磁性微/纳米颗粒的作用机理、制作方法和特点以及临床治疗效果。

血管网分形研究进展

论述了血管网中分形问题的研究意义、内容、进展及其相应的基本理论与实验研究方法,重点评述了分形理论在血管网结构、血管生成和血管病理中的研究进展,以及血管网结构对肿瘤血管内物质输运的影响,分析了分形理论在血管网研究中的难点,并归纳了该领域内若干可供探索的途径和新方向。

一种新型芯片冷却构思的实验研究——利用蒸汽压缩空调系统降低计算机机箱环境温度以冷却芯片(英文)

提出通过降低计算机机箱内整体冷却空气温度达到热管理.类似日常生活用的普通空调,提出一种整体式中尺度空调系统来调节计算机内温度,并在实验原型上做了大量概念性的实验.结果表明,计算机机箱内环境空气温度可以从54.7℃降低到32.7℃.说明此种方法可以在不改变计算机任何部件的情况下大大提高计算机系统的冷却效果,为热管理设计的这一特定中尺度空调机非常经济且易操作,在计算机产业上将会得到广泛的应用.如同空调系统的末端一样,此整体式空调机可同时拥有多个蒸发器以带走多个发热元件产生的热量;蒸发器还可以直接扣在中央处理器(CPU)和显卡等芯片的表面以冷却芯片.本文提出的主动冷却系统在调节局部热环境时可灵活调整.例如如果空气冷却系统中有两个蒸发器时,就可用一个冷却机箱内环境温度,另一个直接扣在CPU上.本文提供的概念有望为个人笔记本电脑、台式机和大型计算机提供一种高效的冷却方法,也可应用在其他产热率较高的很多场合.

生物体多尺度热学响应问题的研究与应用

论述了生物学对象中多尺度热响应问题的研究意义,重点介绍了生物系统中从微/纳米尺度对象到整体层次上的热响应模型的研究进展,分析了多尺度、多效应耦合问题的研究方法和难点,同时对作者实验室所开展的一些相关工作也做了扼要介绍.

红外热图监测微波辐照式全身热疗中体表温度的变化

目的:探讨利用红外热像仪监测微波辐照式全身热疗中体表温度的可行性。方法:于2004-04/05选择在北京大学第一医院肿瘤中心参加全身热疗治疗的患者3例,女2例(分别为43岁和60岁,患有肺癌并已发生转移),男1例(67岁,肺癌)。实验经医院伦理委员会批准,3例患者均知情同意。采用红外热像仪对3例全身热疗患者的体表温度进行定量测定和分析,重点考察局部血液循环相对较差容易造成热聚集的脸部、胸部、颈部、手部、小腿部、脚部的温度变化。治疗过程中同时对患者直肠温度实时监测。结果:患者热疗前后全身各部位体表的热状态易于显示在监视器上,有助于整个治疗过程的进程控制及评价。3例患者中只有1例的脚背部温度稍有升高,但未出现皮肤烫伤。结论:使用红外热像仪监测全身热疗中人体表面温度特别是局部血液循环较差的四肢具有重要的参考价值,可有效防止皮肤烫伤。

感染性发热时三维脑组织热臃塞问题的理论研究

本研究通过理论计算对感染性 (如SARS)发热后人体脑组织的三维传热进行了模拟。计算结果表明 ,感染发热后脑组织的“危险部位”不在脑核 ,而偏离脑核靠近后脑勺的区域 ,同时脑组织缺血缺氧会导致感染发热病情的急剧恶化。保持室内良好的通风有利于感染发热患者降低脑组织表面温度 ,但是对于高热患者仅靠表面冷却是不够的 ,需要紧急采取其他脑组织冷却措施。本研究对于利用头部前额处的红外热图诊断潜在SARS发热患者也有参考价值。

聚己内酯/丝胶蛋白静电混纺膜炎症响应的体内评价

背景:研究表明,丝胶蛋白可以增加哺乳动物细胞的增殖,促进伤口愈合,具有良好的抗菌、抗氧化、抗癌的活性,同时具有良好的生物相容性和可降解性,是一种理想的组织工程材料。然而目前对丝胶蛋白能否引起炎症响应仍存在争论。目的:评价聚己内酯/丝胶蛋白静电混纺膜的炎症响应。方法:将不同混合比例的聚己内酯/丝胶蛋白纳米纤维薄膜体内埋植入大鼠背部肌肉,4周后取出进行组织学观察,通过苏木精-伊红染色和巨噬细胞抗体CD68免疫组织化学染色评价其炎症响应。结果与结论:聚己内酯/丝胶蛋白7∶3组混纺膜炎症反应与丝素蛋白膜类似,小于聚己内酯/丝胶蛋白6∶4组、聚己内酯/丝胶蛋白5∶5组和聚己内酯组;聚己内酯/丝胶蛋白6∶4组与聚己内酯/丝胶蛋白5∶5组与聚己内酯组类似。提示聚己内酯/丝胶蛋白静电混纺膜不会引起显著的炎症响应,少量添加丝胶蛋白可以降低聚己内酯的炎症反应,随着丝胶蛋白含量的增加,炎症反应呈上升趋势。

物理刺激促进周围神经损伤的再生和功能恢复

目的周围神经损伤(PNI)会导致肢体功能发生障碍,如何促进PNI后的再生及功能恢复是临床治疗的难点。拟探讨物理刺激(如低强度超声(LIPUS)和电刺激(ES))修复PNI的可行性及其力学生物学机制。方法体外分别筛选促进诱导多能干细胞源性神经嵴干细胞(iPSCs-NCSCs)和间充质干细胞(MSCs)向神经谱系分化的LIPUS和ES强度。利用大鼠坐骨神经缺损模型分别考察LIPUS联合干细胞以及ES联合石墨烯基导电纤维支架(GCFS)对PNI的修复作用。

基于神经元电响应的人体热舒适性评价理论

本文提出一种利用神经元电响应频率定量评价人体热舒适性的理论方法和准则。利用Hodgkin-Huxley方程和Pennes生物传热方程描述皮下神经元在瞬态温度场下的电响应特性,并研究了环境温度、对流换热系数,血液灌注率和组织导热率等参数对它的影响,结果表明神经元动作电位频率在等效温度发生0.1℃时就会发生明显变化,可以组合多个环境和热物性参数评价人体热舒适性。

第三届全国生物力学青年学者学术研讨会报告综述

简要介绍了第三届全国生物力学青年学者学术研讨会的会议概况,对学术报告内容进行了总结和综述.

胸腺温度场预测及加热增强人体免疫力的可行性分析

提出通过提高胸腺温度增强人体免疫能力的方法。考虑生物组织热物性的非均匀性。建立胸部组织多层传热模型，对胸部组织在不同加热条件下的温度响应进行理论分析。结果表明，表面加热可使胸腺温度升高0．2-0．5℃，微波加热可使胸腺温度升高0．7-1．9℃，有利于增强胸腺产生成熟T细胞的能力，可望为提高人体免疫能力提供一种新的技术思路。

人体颈部受冷诱发脸部升温及其系统生物传热学解释

目的引入系统生物传热学的概念解释局部冷刺激对脑部热响应的影响规律。方法采用红外热像仪监测健康被试者颈部受强冷作用后脸部的热响应规律,进而建立数学模型,从理论上预示强冷刺激后人体脑组织中的三维传热过程。结果对颈部血管实施强冷刺激(0℃冰水混和物)时,人体出现心率增加等激烈反应,脸部温度出现不降低反而升高的现象,暗示头部生理系统中存在复杂热调节机制;然而强热刺激(55℃热水)则不足以诱发人体出现反常的体温响应特性。结论本文研究对临床低温脑复苏过程中实施有效的降温处理及脑温监测具有重要的参考价值。

SARS病毒攻击肺泡组织的耗氧机理研究

本文对SARS病毒攻击肺泡组织后的耗氧机理进行了理论研究。建立支气管末端肺泡组织内病毒和氧扩散模型,从工程角度解释了SARS攻击肺部的原因,特别讨论了影响肺部组织氧传输的因素。计算结果有助于更好地理解和提出抑制肺泡组织处氧耗乃至病毒攻击强度的措施。

基于肺泡组织耗氧机理研究SARS患者病程发展规律

本文对SARS病毒攻击肺泡组织后的病毒扩散和肺泡组织的耗氧机理进行了理论研究 ,从工程角度解释SARS攻击肺部的机理 ,特别讨论了影响SARS患者潜伏期长短的诸多因素 ,计算结果得到了临床观察数据的支持。本文进一步分析了随机因素对肺泡组织耗氧的影响 ,并对SARS感染者病程发展中出现的若干现象进行了解释。最后 ,从临床实用性出发 ,提出利用抗氧化药物作用于肺泡表面 ,以抑制该处氧耗乃至病毒攻击强度的方法 ,为临床救治提供一种新的技术思路。

力学修饰三维脱细胞骨支架促进大块骨缺损修复及其力学生物学机制

骨是除了皮肤和血液之外的第三大移植组织类型,由外伤引起的骨缺损以及由疾病等造成的大块骨切除均需要使用大量的骨移植物。尽管骨组织工程和再生医学等概念的提出为大块骨缺损提供了诸多很有前景的修复方法,但大块骨缺损的医治至今仍未得到有效解决,大块骨损伤的重建和修复仍是骨修复领域的研究难点。作者课题组构建了多种微结构一致而基质刚度不同的三维骨组织工程支架,从细胞和动物水平系统考察了三维基质力学对干细胞分化、内源性干细胞招募和血管生成以及骨损伤修复的作用及其力学生物学机制,联合物理刺激(流体剪切力、超声或电刺激)和力生长因子进一步提高组织修复质量和速度,并由此发展了拥有我国自主知识产权的骨组织工程生物反应器、可施加电和流体剪切力刺激装置和多种骨组织工程支架及其制备方法等。(1)利用不同配比胶原(collagen,Col)/羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)溶液表衬脱细胞骨支架表面,构建了微结构不变而基质刚度不同的三维(three-dimensional,3D)骨组织工程支架[1]。发现具有适宜基质刚度(局部刚度为37.7±19.6 kPa)骨组织工程支架在体外可更好地促进骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)的生长及成骨分化,体内有利于微血管生成和诱导内源性MSCs成骨分化,基质细胞衍生因子-1α(stromal cell--derived factor-1α,SDF-1α)参与了内源性MSCs的招募,通过SDF-1α/趋化因子受体4(CXC chemokine receptor,CXCR4)途径促成骨分化。证实三维基质力学修饰无细胞支架可原位促进骨修复,且SDF-1α和低氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1,HIF-1α)是基质力学促进骨修复中介导内源性MSCs迁移的关键机制。所构建的组织工程支架有效解决了传统方法在改变支架力学特性的同时也改变了支架微结构等缺陷,不仅可为骨修复提供了一个全新的骨组织工程支架,也可为三维基质力学研究提供一个新方法和手段。(2)基于上述的研究结果,将具有招募内源性MSCs功能的SDF-1α与适宜配比的胶原/羟基磷灰石溶液混合均匀后表衬至脱细胞骨支架表面,在支架表面形成利于诱导MSCs成骨分化的三维基质刚度,同时可使表衬层释放SDF-1α。通过SDF-1α招募内源性的MSCs到达骨缺损区域,支架的基质力学诱导干细胞成骨分化,促进骨修复[2]。此方法可克服利用外源性种子细胞存在的来源受限、免疫排斥以及细胞/支架复合物植入后大量种子细胞死亡等不足,有助于促进三维无细胞骨组织工程支架的临床应用。(3)研发了可施加不同强度和模式流体剪切力的骨组织工程生物反应器,建立了可描述反应器内流场、营养物质分布和细胞生长的理论模型[3]。证实在具有适宜基质刚度骨组织工程支架上,施加振荡流剪切力可进一步提高MSCs在三维支架内存活、分布、胶原分泌及成骨分化,联合振荡流剪切力和三维基质刚度为骨组织工程提供一种高效而简易的骨组织工程生物反应器。同时,针对骨缺损处易出现的过载剪切力和严重低氧造成的损伤,课题组证实力生长因子(mechano growth factor,MGF)E肽预处理可提高MSCs对过载剪切力和低氧微环境的耐受,MGF通过调控MEK-ERK1/2和PI3K-Akt信号通路促进MSCs在低氧环境下的细胞黏附、迁移、增殖和成骨分化。(4)最近,课题组通过对3D脱钙骨支架进行不同时长脱钙,构建了一种新型微结构不变而基质刚度不同的3D骨组织工程支架[4],与(1)比较,无需额外添加任何物质。进一步利用仿生学原理构建了具有三层不同基质刚度的脱钙骨支架,通过纤维蛋白原(fibrinogen,Fg)修饰,用于骨软骨修复(未发表)。离体和在体实验证明三层骨软骨组织工程支架可促血管生成,Fg修饰高刚度层有利于内源性细胞向成骨分化,而中刚度和低刚度层有利于内源性细胞向软骨分化。MGF和转化生长因子β3(transforming growth factor-β3,TGF-β3)功能化丝素蛋白支架可促进MSCs的招募和软骨分化,同时MGF可促进TGF-β3诱导的II型胶原和聚集蛋白聚糖分泌,但降低I型胶原分泌[5]。

利用时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射技术研究光催化产氢反应动力学

基于飞秒再生放大器及飞秒光学参量放大器输出的激光脉冲,搭建了宽带时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测试装置,并利用该装置研究了氢气与空气混合气体中氢气的相对含量,探测相对延时与CARS光谱之间的关系.通过调整延时,获得了无非共振背景干扰的氢气CARS信号.实验中测得的CARS信号强度与氢气浓度(分压)的平方呈良好的线性关系,符合CARS理论预测.同时测得的实验数据的信噪比表明:在当前的实验条件下,在氢气与空气混合气的总压为0.1MPa时,该装置可以对氢气的浓度进行测量,且其检测极限可低至0.2%.本文还利用该装置对三联吡啶苯乙炔Pt配合物-Co配合物-三乙醇胺(TEOA)的三元化学催化体系的产氢动力学行为进行了研究,通过改变pH值讨论了该催化体系的产氢动力学机制.结果表明过高的质子浓度会降低体系的产氢效率,这可能是因为在酸性条件下,作为质子和电子供体的三乙醇胺分解被抑制,电子供应中断,导致产氢反应的停止.

基质力学对肿瘤发生发展及肿瘤细胞生物学行为影响的研究进展

实体瘤的发生发展常伴随着细胞外基质的异常沉积、交联和基质刚度增加.基质刚度增加和肿瘤细胞软化引起肿瘤微环境的力学异质性.基质力学通过影响肿瘤细胞的增殖、迁移、转移、上皮间质转换、肿瘤干细胞特性和耐药性等调控肿瘤的发生、恶性转变和转移.研究基质力学对肿瘤发生发展的影响不仅可深化对肿瘤发展的认识,也可为研究新的诊治方法提供理论基础.本文论述了细胞外基质力学特性对肿瘤发生发展及肿瘤细胞生物学行为影响的研究进展,并展望了其发展前景.

“半翻转课堂+半自主设计”教学模式在细胞生物学实验教学中的应用

文章将半翻转课堂和半自主设计两种教学模式相结合,在细胞生物学实验课程中实施了"半翻转课堂+半自主设计"教学模式。该模式注重"个体化教育"和"差异化教育",突出学生的主体地位及教师的主导作用,为实验教学改革提供了新思路。