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基于骨基质压电性的骨细胞整合素与初级纤毛的力学信号响应研究
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作者 杨政彪 王熹宇 +9 位作者 张奥华 解玉堂 赵乐 武韬 化泽坤 王艳芹 薛艳茹 张萌 陈维毅 武晓刚 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期243-243,共1页
目的研究骨细胞初级纤毛、整合素和胶原小丘等的力学信号响应。方法构建一个骨细胞有限元模型,包含具备压电性的骨基质、具有带电流体的骨陷窝-骨小管系统、胶原小丘、初级纤毛、细胞骨架及整合素等关键部分。对骨基质施加三轴位移载荷... 目的研究骨细胞初级纤毛、整合素和胶原小丘等的力学信号响应。方法构建一个骨细胞有限元模型,包含具备压电性的骨基质、具有带电流体的骨陷窝-骨小管系统、胶原小丘、初级纤毛、细胞骨架及整合素等关键部分。对骨基质施加三轴位移载荷,研究整合素、初级纤毛等部分的力学信号,以及LCS内流体流动情况。结果胶原小丘受到最大应力,不同位置的整合素具有显著的应力差异,其平均应力高于初级纤毛,并与初级纤毛微管相近。抑制整合素会导致细胞骨架与纤毛的位移降低,纤毛挠度显著降低。骨基质的压电性影响LCS内液体流速,缺失压电性导致细胞骨架、初级纤毛和整合素的应力与位移降低,初级纤毛挠度也显著降低。相较于胞外液体,细胞骨架对整合素的影响更为显著,并且承受了大量的应力。此外,还分析了胶原小丘和整合素等个体与整体的应力分布,以及流体和电势等的变化。结论揭示了整合素、胶原小丘和初级纤毛在内的多种力学感受器在力学信号的感知与传递中的联合作用,同时突显了骨基质的压电性和骨陷窝内的流体环境对这一过程的影响,为研究纳米尺度下骨细胞力学特性提供了新的视角,并为骨相关生理病理的深入研究提供了途径。 展开更多
关键词 骨基质 骨陷窝 细胞骨架 骨小管 骨细胞 压电性 整合素 液体流速
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生物力学分析:5种不同方法腰椎融合术的有限元模拟研究
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作者 解玉堂 武韬 +9 位作者 杨政彪 赵乐 张奥华 化泽坤 薛艳茹 张萌 段王平 陈维毅 王艳芹 武晓刚 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期242-242,共1页
目的比较5种不同入路腰椎融合术的生物力学特性。方法利用有限元软件建立包括TLIF、ALIF、OLIF、XLIF和PLIF在内的5种手术模型进行6种运动状态下的活动度、上下终板和软骨的最大应力变化的测量、分析,比较5种模型的稳定性。同时针对现... 目的比较5种不同入路腰椎融合术的生物力学特性。方法利用有限元软件建立包括TLIF、ALIF、OLIF、XLIF和PLIF在内的5种手术模型进行6种运动状态下的活动度、上下终板和软骨的最大应力变化的测量、分析,比较5种模型的稳定性。同时针对现有手术模型展开动态力学分析,在模拟人体生理振动工况下,测量上下终板最大应力点的瞬态应力曲线以及应变能变化波动。结果在静力学分析中,5种手术模型在6种工况下,L4下终板的应力会比L5上终板的应力稍大一点,同时L4下终板的Z方向最大位移值明显大于L5上终板,自稳定融合器支撑的ALIF手术模型的下终板应力最小,但是上终板应力表现没有明显优势,同时有着非常好的稳定性;软骨应力分析部分,TLIF手术模型的软骨应力在6种工况下都最小;在瞬态动力学分析中,ALIF手术模型在循环振动载荷下L4下终板的应力值适中,且振动的幅值明显大于其余4种模型,TLIF手术模型的两终板瞬态应力都最小且振幅波动适中,TLIF手术模型中融合器应变能最小,刺激骨填充物生长速度最慢。结论静力学分析中,ALIF手术模型表现良好,但是由于整体钛合金材质且融合器体型过大,在瞬态动力学分析中,表现不佳,可在后续的研究中,针对这一方面的特性进行优化。 展开更多
关键词 腰椎融合术 终板 人体生理 动态力学分析 融合器 生物力学特性 静力学分析 生物力学分析
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基于机器学习和有限元分析个性化设计内凹型超材料
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作者 武韬 张萌 +9 位作者 解玉堂 张奥华 杨政彪 化泽坤 赵乐 王艳芹 薛艳茹 闫瑞忠 陈维毅 武晓刚 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期626-626,共1页
目的人口老龄化程度加剧,骨质疏松性骨缺损成为临床治疗难题,常需通过植入骨支架进行修复。传统修复支架因其与个体骨力学性能不匹配,易出现应力遮挡和集中效应,导致植入体松动等问题。本文旨在提出一种能够快速获得具有匹配力学性能的... 目的人口老龄化程度加剧,骨质疏松性骨缺损成为临床治疗难题,常需通过植入骨支架进行修复。传统修复支架因其与个体骨力学性能不匹配,易出现应力遮挡和集中效应,导致植入体松动等问题。本文旨在提出一种能够快速获得具有匹配力学性能的内凹型超材料设计方法。方法考虑3D打印制造精度和有利于骨组织长入的孔隙率要求(50%~90%),确定支架的胞元尺寸(4×4×4 mm^(3))以及内凹角度θ(50°~90°)和支杆宽度t(0.36~1.09 mm)的设计范围,利用优化的拉丁超立方采样得到150个不同结构样本,并将其生成三维晶格结构(16×16×16 mm^(3))用于有限元计算。有限元方法模拟准静态压缩实验,对晶格结构施加4.8 mm的压缩位移,获取对应的应力-应变曲线。采用逆向设计思维,在应力-应变曲线上以相同应变间隔为基准,选取31个应力特征点作为输入参数,将θ和t作为输出,基于BP神经网络算法构建机器学习模型,其性能由决定系数(R^(2))和均方根误差(RMSE)来衡量。结果建立的机器学习模型可以有效预测具有特定力学性能的超材料设计参数,其中t的预测性能较优(R^(2)≥0.995,RMSE≤0.017 mm)。结论本文提出的方法可以快速获得具有匹配力学性能的内凹型超材料,为临床个性化骨缺损支架的设计和制造提供了理论依据。 展开更多
关键词 拉丁超立方采样 植入骨 个性化设计 长入 骨缺损 机器学习 超材料 植入体
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关节软骨分层结构逆力-电特性实验研究
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作者 赵乐 张奥华 +8 位作者 解玉堂 杨政彪 武韬 化泽坤 王艳芹 薛艳茹 张萌 武晓刚 陈维毅 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期621-621,共1页
目的关节软骨是根据其生理特征的不同,天然分为了上层、中层、下层,其力-电特征也不同。方法本研究通过分层关节软骨逆压电效应和电致伸缩效应及其相关影响因素开展分析研究,在通过外加无接触电场中分层软骨所产生的位移进行分析,进一... 目的关节软骨是根据其生理特征的不同,天然分为了上层、中层、下层,其力-电特征也不同。方法本研究通过分层关节软骨逆压电效应和电致伸缩效应及其相关影响因素开展分析研究,在通过外加无接触电场中分层软骨所产生的位移进行分析,进一步探究不同影响因素对分层关节软骨逆力-电效应的作用机制。结果分层软骨各自的逆力-电效应不同,在含水率不同、离体时间不同、不同的液体环境下,健康的分层软骨在无接触电场中所产生的位移不同。而模拟关节炎的缺损软骨由于缺损深度、缺损半径的不同,在电场中所表现出的逆力-电效应也有所不同。结论整体软骨在电场中的位移偏转随外接电压的增大呈正比例增加;随着含水量的降低,位移偏转减小,中层软骨减小的速率最快;随着场间距的减小,位移偏转增大,上层层软骨增大的速率最快;随着离体时间的增长,位移偏转减小,中层软骨减小的位移最大;在不同的液体环境浸泡后,0.9%Na Cl与PBS组相差不大,纯水组相较于其他两组有略微减小。缺损型关节软骨而言,整体缺损型关节软骨随着缺损深度的增加,在电场中的位移逐渐减小,就对85%缺损深度而言,有突变的逆势增长;分层缺损型关节软骨随着缺损半径的增大,其在电场中的位移呈反比例增长。 展开更多
关键词 离体时间 关节软骨 电致伸缩效应 电效应 逆势增长 分层结构 缺损 关节炎
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生物可降解镁合金血管支架的优化设计与生物力学评估
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作者 张奥华 杨政彪 +8 位作者 解玉堂 赵乐 武韬 化泽坤 张萌 薛艳茹 王艳芹 武晓刚 陈维毅 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期623-623,共1页
目的镁合金作为新型血管支架材料,具有良好的力学性能、生物相容性和可降解性。但在相同结构下,镁合金支架相对于传统金属支架力学性能比较弱,因此,如何改善力学性能是可降解镁合金支架发展所面临的关键问题。方法基于生物可降解支架的... 目的镁合金作为新型血管支架材料,具有良好的力学性能、生物相容性和可降解性。但在相同结构下,镁合金支架相对于传统金属支架力学性能比较弱,因此,如何改善力学性能是可降解镁合金支架发展所面临的关键问题。方法基于生物可降解支架的典型结构,设计了3种新支架(即支架A、支架B、支架C)。所做的改变包括改变支撑环的角度和排列方式创建一个大小角度交替排列的支撑环结构,并改变连接杆的位置和形状。采用有限元分析的方法,以支架的压缩性能、膨胀性能、弯曲柔韧性、对血管的损伤、血流动力学变化作为评价指标。这些综合评价的结果被用作选择最优支架结构的依据。结果与传统支架相比,支架A、B和C的径向刚度分别提高了16.9%、15.1%和37.8%;弯曲刚度分别降低27.3%、7.6%和38.1%;狗骨效应分别下降5.1%、93.9%和31.3%;低壁面剪切应力区域分别降低50.1%、43.8%和36.2%。与传统支架相比,支架A和C的径向反冲率分别减少9.3%和7.4%。与传统支架相比,支架A、B和C对血管的损伤略有增加,但相差不大,影响并不明显。4种支架植入后血流速率的变化基本相同。结论通过对比4种支架得到支架A和C的综合力学性能更优,具有较大的临床应用潜力。本研究有助于为临床支架结构设计提供参考。 展开更多
关键词 血流速率 壁面剪切应力 支撑环 金属支架 血管支架 连接杆 可降解性 膨胀性能
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Biomechanical analysis of an osteocyte model by considering bone matrix’s piezoelectricity
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作者 Xiyu Wang Zhengbiao Yang +10 位作者 Yanru Xue Yixian Qin Meng Zhang Jing Chen Pengcui Li Xiaochun Wei Haoyu Feng Liming He Yanqin Wang Xiaogang Wu Weiyi Chen 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第9期131-148,共18页
Osteocytes,the primary cells in bone,play a crucial role in sensing external load environments and regulating other bone cells.Due to the piezoelectric effect of the mineralized matrix and collagen that make up bone,t... Osteocytes,the primary cells in bone,play a crucial role in sensing external load environments and regulating other bone cells.Due to the piezoelectric effect of the mineralized matrix and collagen that make up bone,the mechanical stimulus received is converted into an electrical stimulus to affect the reconstruction of bone.Despite the importance of osteocyte,many studies have focused on the mechanical loading and fluid flow of it,there is still a gap in the study of the piezoelectric effects of various mechanosensors on the microscale.In this paper,we developed a finite element model of osteocytes that incorporates the piezoelectric bone matrix.This model is comprehensive,comprising the osteocyte cell body enclosed by lacuna,osteocyte processes enclosed by canaliculi,and the interposed charged ionic fluid.Additionally,it features mechanosensors such as collagen hillocks and primary cilia.In our study,we subjected the piezoelectric bone matrix model to triaxial displacement,subsequently assessing the electrical signal variations across different mechanosensors within the osteocyte.The observed disparities in mechanical perception by various mechanosensors were primarily attributable to greater liquid velocity changes in the polarization direction as opposed to other directions.Collagen hillocks showed insensitivity to piezoelectric signals,serving predominantly to mechanically transmit signals through solid-to-solid contact.In contrast,processes and primary cilia were highly responsive to piezoelectric signals.Interestingly,the processes oriented in the direction of the electric field demonstrated a differential piezoelectric signal perception compared to those in other directions.Primary cilia were especially sensitive to fluid flow pressure changes,which were influenced both by loading rates and external piezoelectric effects.Overall,our findings illuminate the complexity of mechanical perception within osteocytes in a piezoelectric environment.This adds a new dimension to our understanding and suggests avenues for future research in bone reconstruction and cellular mechanical behavioral transmission. 展开更多
关键词 OSTEOCYTE Primary cilia Cell process Collagen hillock Piezoelectric effect
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