基于天然牙本质增材制造骨再生支架的生物力学研究

目的选择合适的骨缺损修复材料重建口腔颅颌面缺损是口腔医学研究的重难点问题。天然牙本质因与骨组织成分高度相似,可能成为新型骨修复替代材料,因此本研究旨在评估天然牙本质能否满足骨组织工程支架的条件之一——良好的力学性能。方法对天然牙本质处理后结合计算机辅助设计(CAD)出4种不同构型(仿骨小梁、仿骨小梁和大孔道、仿骨小梁和分层、3种复合构型)的支架,并通过数字化光处理(DLP)技术打印出支架。通过抗压试验、有限元分析(FEA),以及流体力学分析(CFD),评估支架的抗压强度、渗透性和壁面剪应力。结果结果显示,第一组仿骨小梁构型的支架抗压性能最好,可达5 MPa,其余3组由于添加大孔道、分层结构促进成骨的同时减弱了支架的力学强度,总体而言,四组支架均符合骨小梁的典型范围。流体力学分析表明,兼具3种构型的支架渗透率最高,添加分层结构的支架壁面具有最大剪切力1.63 MPa,添加大孔道结构的支架流线分布最为均匀。结论本研究表明医疗废物天然牙经回收处理后可被合理利用,基于成分与结构仿生的天然牙本质支架在口腔颅颌面缺损修复中具有良好的力学强度而有望应用于临床。

空间微重力下细胞力学感知-传导的研究进展

在重力场下,绝大多数细胞功能受到力学载荷的调控。空间微重力下细胞对力学载荷的响应能力在空间机体生理功能适应性变化中的作用不容忽视。细胞骨架被普遍认为是细胞感知重力变化及响应力学载荷的关键结构之一。本文总结了微重力下“细胞骨架-LINC复合物-核纤层”这一细胞力学感知-传导途径变化及作用机制的研究进展,并对未来的研究工作进行展望。

肿瘤细胞通过对基质纤维重塑影响局部侵袭的细胞力学机制

目的癌症转移始于早期的肿瘤细胞局部侵袭,在此期间,癌细胞从原发肿瘤中脱离,穿透细胞外基质(ECM),然后侵入邻近组织。然而,脱离和穿透过程中的细胞力学机制尚未完全理解。方法开发了一种双肿瘤球系统,通过实验原位观察肿瘤的侵袭和数值模拟进行定量分析来研究局部侵袭的力学机制。肿瘤球的制备采用的是经典的悬滴法,在获得合适的双肿瘤球后,通过加入适量的胶原溶液以完全淹没肿瘤球。此外,采用粗粒化建模方法来模拟肿瘤球和ECM纤维网络之间的相互作用。模拟是通过自主编写的FORTRAN代码进行求解运算。结果和结论细胞主动收缩产生的张力场在肿瘤侵袭中起着关键作用,是侵袭过程中重塑胶原纤维的驱动力。重塑的胶原纤维由于纤维基质的硬化,促进了细胞的极化和迁移,纤维的有序排列也有利于癌细胞的侵袭。抑制细胞收缩力能够消除ECM重塑,并显著减少癌细胞的侵袭。本研究通过开发的考虑细胞与ECM纤维之间相互作用的粗粒化细胞模型,预测了纤维网络的张力场以及肿瘤侵袭过程中的细胞极化迁移。本研究强调了肿瘤转移早期阶段细胞力学的作用,并可能为癌症治疗提供新的治疗策略。

大数据分析对电力营销工作的重要性

大数据分析可以帮助电力企业更精准地预测需求,进行客户细分,制定定价策略,优化系统运营,进行故障诊断与预防,从而提高电力营销的效率与质量。一、大数据分析在电力营销中的应用1.需求预测。在电力营销中,需求预测是一项至关重要的环节。大数据分析在这里发挥着重要的作用,可以通过对历史数据的分析,预测未来的电力需求,从而为电力供应商提供决策依据,以实现更有效率的电力分配和优化资源利用。

线粒体的力学生物学研究进展

线粒体是高度动态的细胞器,不仅为细胞提供能量和物质基础,同时参与调控细胞的增殖、迁移、分化和凋亡等。细胞命运受来自微环境的力学信号调节。近年来的研究表明,力学因素对细胞的能量代谢具有调控作用。线粒体作为一个力学感受器和枢纽,连接力学和代谢来调控细胞的命运。深入理解力学微环境和线粒体代谢的关系,为促进组织再生和疾病治疗提供有力的指导。本文主要介绍线粒体力学生物学研究进展,并探讨其在组织再生和疾病治疗中的潜在应用。

基于生物力学的创伤性脑损伤载荷监测

目的对创伤性脑损伤伤者及时有效的干预和治疗,可以有效缓解其症状。但是创伤性脑损伤的症状具有滞后性,造成延误诊断。方法创伤性脑损伤初期症状难以被检测,但是可以通过测量导致损伤的力学载荷对损伤进行估计。开发了一种基于刚性测量界面的高精度头部加速度测量方法,其将传感器装配于上颌牙齿,通与头骨刚性连接,消除了皮肤对测量的干扰。其次,还开发了基于深度学习大脑模型。与需要数小时来计算大脑应变的有限元大脑模型不同,深度学习大脑模型可以实时对大脑应变进行计算,从而可以用于脑损伤的监测。结果基于刚性测量界面的头部加速度测量方案实现了目前对头部碰撞加速度最高精度的测量(一致相关系数达到0.97,理论上限为1);深度学习大脑模型计算精度达到0.02,与有限元模型一致。基于大脑应变估计创伤性脑损伤的风险,并通过将这种方法应用于橄榄球队中,并且成功对1名球员在头部撞击后进行预警,而该球员1天后被诊断为轻度创伤性脑损伤。结论基于生物力学手段监测头部撞击载荷,可以实现对创伤性脑损伤伤者的实时监测诊断,从而使伤者可以在第一时间得到治疗。但将该技术应用于临床仍面临一系列技术挑战。

剪切力对骨髓间充质干细胞向角膜上皮细胞方向分化的影响

目的干细胞在角膜修复中起到了重要作用,在体外生化因素或共培养等可以诱导干细胞向角膜上皮细胞方向分化,力学因素可以影响干细胞的生物学功能,本文主要研究流体剪切力对兔骨髓间充质干细胞(rabbit bone marrow-derived mesenchymal stem cells,RBMSCs)向角膜上皮细胞方向分化的影响。方法使用含有表皮生长因子、胰岛素、兔角膜上皮细胞培养上清液的条件培养基诱导RBMSCs向角膜上皮细胞方向分化;利用平行平板流动腔对诱导或者不诱导的RBMSCs加载5、10、15 dyn/cm^(2)流体剪切力;通过倒置相差显微镜和激光共聚焦显微镜观察剪切力对细胞形态和骨架的影响,通过RTPCR和免疫组化等检测剪切后细胞表达角膜上皮相关基因和蛋白的情况。结果剪切后的细胞表现出更加突出和伸长的肌动蛋白丝,且平行于剪切力方向排列。剪切力可以上调CK3、CK12和PAX6等角膜上皮细胞标志物的基因和蛋白表达,尤其是5 dyn/cm^(2)剪切力的作用更为显著。结论适当的剪切应力可以促进RBMSCs向角膜上皮细胞方向分化,但其机制还有待进一步的深入探究,以期为干细胞应用于角膜上皮损伤修复的治疗提供参考。

多模式载荷下骨细胞张力变化规律研究

目的在体骨细胞处于液流剪切、骨基质形变等因素构成的复杂力学环境中,但不同模式的力作用于骨细胞,均可反映为细胞张力随时/空的动态变化。受现有方法限制,目前在宏观力作用下细胞膜张力随时、空动态变化对细胞局部受力的影响及其中的机制很难被揭示。方法在本研究中,建立了“多模式细胞力学加载-细胞数字全息高速显微”系统,利用高速采集的骨细胞自发波动信号与Seifert理论方程的拟合获得了细胞表面张力分布,并基于数字图像相关算法,实现了对骨细胞在多模式力载荷下细胞全场应变的测量。结果单个骨细胞表面张力呈非均一分布;受定常流剪切后,细胞表面张力发生由高张力区向低张力区的局部传播;细胞表面平行于流剪方向的位移均值与垂直于流剪方向的位移均值没有显示出显著性差异;加载流体剪切30 min后,骨细胞整体张力增大。结论后续对于多模式载荷下骨细胞张力的变化规律的研究,可以为建立基于细胞张力变化的骨细胞力敏感性新评价方法,以及制定基于振动、超声等手段维持骨细胞力学敏感性的干预措施提供新的依据和思路。

骨基质非酶糖基化交联对骨细胞力学敏感性的影响

目的微重力下骨细胞力学敏感性下降,机制不明。骨细胞突起比胞体对力学刺激更敏感,通过整合素αVβ_(3)和横向栓系结构(perlecan)与骨小管壁连接,放大突起膜局部应变。微重力下非酶糖基化NEG交联增加致基质胶原变硬,可能损害突起与基质的连接,影响骨细胞对力学刺激的感知。本研究旨在探究NEG交联对骨细胞力学敏感性的影响机制。方法用0.1 M和0.4 M浓度核糖孵育骨切片,在切片上接种骨细胞,分为CON、0.1 M和0.4 M组。HPLC检测NEG产物AGEs含量,纳米压痕检测骨基质力学性能;免疫荧光染色检测突起形态、F-actin、整合素αVβ_(3)和perlecan的表达和分布,q PCR检测突起功能相关蛋白表达,原子力显微镜检测突起弹性模量,显微注射仪给突起施加局部力学刺激检测细胞瞬时钙离子响应。结果与CON相比,0.1 M和0.4 M组骨切片AGEs含量、弹性模量及硬度显著升高。与CON相比,0.1 M组和0.4 M组骨细胞突起形态无显著改变;0.1 M组突起F-actin和整合素αVβ_(3)的荧光强度、Perlecan的基因表达、突起对局部力学刺激钙离子响应均更高;0.4 M组突起F-actin、αVβ_(3)和Perlecan的荧光强度、Perlecan的基因表达、钙响应均被抑制。结论病理水平NEG交联(0.4 M)抑制骨细胞突起力学感知结构基因及蛋白表达,影响骨细胞对力学刺激的感知能力。这有助于理解微重力下骨细胞力学敏感性改变机制。

模拟微重力效应下IL-4促进大鼠骨膜成骨

本课题组前期研究发现,模拟微重力效应(SMG)下骨膜干细胞(PSCs)的成骨分化能力增加,骨膜成骨活动增强,这可能有助于解释微重力下航天员皮质骨的相对稳定性,但其中机制尚未阐明。白介素-4(IL-4)与骨膜成骨存在明显相关性,而PSCs是骨膜成骨活动的主要细胞来源。目的探索微重力下IL-4水平变化及其对PSCs的增殖及分化的影响将有助于揭示骨膜成骨的变化机制。方法在体内实验中,对8周龄大鼠尾吊21 d,利用多通道生理信号采集系统检测比目鱼肌的肌力,ELISA法检测血清、比目鱼肌IL-4水平,免疫组化检测骨膜表面IL-4水平,免疫荧光染色检测骨膜表面骨膜蛋白的水平。在体外实验中,对PSCs加入重组IL-4,Alamar blue法检测PSCs的增殖,ELISA法检测ALP活性,茜素红染色检测矿化结节、q RT-PCR检测成骨向分化相关因子;此外,旋转培养PSCs,同时加入重组IL-4,利用Ed U染色检测PSCs增殖能力,q RTPCR检测成骨向分化潜能。结果体内实验显示:尾吊大鼠比目鱼肌的肌力下降,比目鱼肌及骨膜表面的IL-4水平升高,血清IL-4无明显变化;骨膜表面骨膜蛋白水平增加。体外实验显示:IL-4促进PSCs的增殖及成骨向分化能力,且在SMG下,IL-4对PSCs也具有类似的促进作用。结论模拟微重力效应下IL-4促进PSCs的增殖及分化能力,进而促进大鼠骨膜成骨。

个性化最佳枕型的生物力学与工效学研究

目的头颈部骨肌系统疲劳及引发的颈椎病已经成为社会性健康难题。本研究旨在探索不同体型受试者仰卧及侧卧的最佳枕型,并以此为依据研发一款自适应调节枕型的智能枕。方法采集23名受试者在6种枕型下的颈椎形态、表面肌电图和主观舒适度等。以卧姿下颈椎形态(运动捕捉、柔性尺测量)、肌肉骨骼内力(头颈部有限元骨肌系统仿真)和表面肌电活动为依据评估枕型优劣。分析受试者身高、肩宽等体型参数与仰卧、侧卧最佳枕型的相关性与回归模型。智能枕通过压力分布监测睡姿,通过气囊充放气实现枕型动态调控。结果受试者侧卧最佳枕高与Hφ(半肩宽与头枕高度之差)显著相关(R^(2)=0.78,P<0.001),此时椎间盘应力分布均匀,且最大应力较小,肌肉应力总和较小。仰卧最佳枕高与身高显著相关(R^(2)=0.68,P<0.001),此时上斜方肌和胸锁乳突肌的表面肌电中位数频率斜率高于其他枕高,肌肉疲劳程度最低。结论机本研究揭示了枕型与卧姿颈椎曲线之间的关系,提出基于个性化体型参数预测仰卧、侧卧最佳枕型的数学模型。基于上述结论研发了可调整枕型的自适应智能枕,广泛适用于各体型及睡姿习惯人群,确保使用者卧姿下头颈部骨肌系统疲劳的高效恢复。

颅高压引发静脉塌陷与搏动性耳鸣的生物力学研究

目的静脉源性搏动性耳鸣是一种与心率同步的客观性耳鸣,长期罹患可严重影响患者的身心健康。高颅内压是搏动性耳鸣的病因之一,其致病机制尚未明确,最近的临床影像发现,颅内压的升降与静脉窦的狭窄或扩张密切相关,而对二者的定量化分析目前仍然欠缺。本研究旨在探究颅内压-静脉窦形态-搏动性静脉声的定量化关系,以期为搏动性耳鸣的临床诊疗提供相应的生物力学支撑。方法体外物理模型与数值仿真方法相结合。体外物理实验设置3种横静脉窦形态工况(引流等势、引流劣势、发育不全),利用近生理血液循环模拟-颅内压加载-搏动性静脉声采集实验系统,分析不同工况下在高颅内压(150 mm H_(2)O)加载下搏动性静脉声的RMS声压和频率特征。同时,通过数值仿真分析高颅内压状态下静脉窦形态及内部血流场变化。结果体外实验结果显示,随着模拟颅内压的增高,引流劣势和发育不全相较于引流等势更易被诱发产生搏动性耳鸣,且搏动性噪声的强度随着模拟颅内压的增高亦呈上升趋势。数值仿真表明,随着颅内压增高,双侧横窦的流量分配差距逐渐扩大,表现出明显的极端化。结论本研究定量化揭示了横窦引流差异及颅内压高低与搏动性静脉声之间的关系,即引流劣势、横窦发育不全可能是引发搏动性耳鸣的危险因素,而在高颅内压状态下,这两种情况下的双侧横窦引流会进一步极端化,进而被诱发产生搏动性耳鸣。

接触器低速大吸力合闸优化控制策略

为了更好地抑制接触器合闸触头弹跳,提出一种控制策略以优化合闸过程。首先,利用线圈电压与电流作为输入构建参数观测器,实时观测接触器的动态吸力、弹簧反力、动铁心速度及位移。在此基础上,构造双闭环控制结构,外环采用模糊控制逐次调节超程前吸力裕量,内环将吸力裕量与实时弹簧反力叠加用作参考吸力,进行吸力闭环控制,实现外环动铁心合闸速度的逐次迭代优化。将观测位移与触头开距进行实时比较,一旦动铁心运动到超程阶段时,增大吸力参考,使电磁吸力快速增加,实现触头的低速大吸力合闸,以压制动铁心反弹,尽量抑制触头弹跳,并兼顾可靠合闸。通过仿真与实验验证了方案的可行性,该控制策略对依靠电磁力进行操动的电磁及永磁开关的合闸优化具有一定意义。

Ⅰ型胶原自组装动力学特征及其与流体切应力耦合效应的研究

目的模拟胶原体内自组装过程,探讨流体切应力在胶原自组装中的作用,为开发具有良好生物相容性和生物力学性能的新型骨修复材料提供理论依据。方法使用浊度实验、天狼猩红染色、动态光散射、扫描电镜、傅里叶红外光谱等多种检测手段对Ⅰ型胶原的自组装过程、分子结构、纤维形貌等进行表征。借助锥板黏度计施加4个不同大小的恒定流体剪切力,通过天狼猩红染色、黏度测定、圆二色光谱、扫描电镜、原子力显微镜等手段探究流体剪切力对胶原自组装过程的影响。结果实Ⅰ型胶原的自组装动力学过程包括成核、生长、平衡3个阶段。胶原溶液浓度越大,组装速度越快,纤维粒径值越大。在流体切应力的作用下,胶原分子链之间的作用力被削弱,纤维粒径值减小,刚性减弱,且在切应力作用下,胶原纤维更易朝单一方向进行组装,形成有序结构。结论成功在体外构建了化学-力学耦合体,更真实地模拟了胶原体内自组装过程。研究结果对于新型骨修复材料的开发和应用具有重要的指导意义,有助于提高生物材料的生物相容性和力学性能,促进生物医用材料等相关领域的发展。

初级纤毛介导微重力效应下骨细胞力学感知/传递变化

目的骨细胞是骨中的力感受细胞,具有多个感受外界力学刺激的结构。初级纤毛作为细胞伸出的“天线”,能感知胞外环境变化,将胞外信号转导至胞内引起细胞应答。前期研究发现,模拟微重力效应下,骨细胞对流体剪切响应减弱,并伴随骨细胞纤毛缩短及纤毛运输系统功能变化。在“神舟”十六号空间站细胞学实验中,真实空间微重力下纤毛缩短的现象也已得到验证,但纤毛结构变化是否与微重力效应下骨细胞力敏感性降低有关还不明确。方法本研究中,建立了药物调控骨细胞纤毛长度变化的模型,探索了具有不同纤毛长度的骨细胞受流剪后的多囊蛋白PC1/PC2复合体-Ca^(2+)-NO信号通路的响应变化,并利用“半渗透双通道共培养流动腔系统”研究了具有不同纤毛长度的骨细胞对共培养体系中成骨细胞的成骨功能的调控作用。结果和结论结果表明,水合氯醛能显著缩短骨细胞纤毛,纤毛缩短下调了骨细胞受流剪后的PC1/PC2复合体-Ca^(2+)-NO信号响应,共培养体系中的成骨细胞矿化结节数减少、胶原合成量降低;Li离子处理能显著增长骨细胞纤毛,并上调PC1/PC2复合体-Ca^(2+)-NO信号响应及共培养体系中的成骨细胞功能,表明纤毛长度与骨细胞对流剪的响应相关。上述研究的发现将为今后明确骨细胞力敏感性的干预靶点并提出有效对抗措施提供有力依据。

RN254型铁钻工冲扣钳设计与力学分析

铁钻工作为安全、高效的钻杆拧卸工具,逐步取代了液气大钳,成为自动化钻探装备的标准配置。作为铁钻工核心部件的冲扣钳对于整个铁钻工的工作性能至关重要。通过分析冲扣钳的结构原理及工作方式,进行油缸选型与力学分析,为RN254型铁钻工设计了一套高效率的冲扣钳结构装置,并进行了野外生产试验。试验表明,冲扣钳结构设计科学,油缸选型合理,极大地提高了铁钻工的工作效率,为铁钻工的设计制造提供了借鉴。

基于坐标变换理论分析Ilizarov骨外固定架矫形力传导效率

背景:Ilizarov骨外固定架力传导机制的研究对膝内外翻、胫骨骨折等临床畸形矫治手术具有重要意义。目的:分析胫骨矫治过程中Ilizarov骨外固定架的力传导机制和各矫形力变化情况,客观评价外固定架整体使用效果。方法:根据骨外固定器的构型,基于坐标变换理论建立矫形力矩阵关系式,得到调节力、支撑力和牵张力之间的数学转换关系。搭建专用实验台,以羊胫骨为实验对象进行胫骨矫治实验,测得骨外固定架调节杆上调节力、支撑杆上的支撑力及断骨处的牵张力,计算得出断骨处的牵张力理论值,与六维力传感器测得的牵张力实际值对比,得出矫治过程的力传导效率变化曲线。结果与结论:①在矫治过程中,Ilizarov骨外固定架的结构构型导致其调节杆和支撑杆存在相互作用和制约的情况,当某一调节力增大时另一调节力将出现下降的趋势;②力传导效率在前期存在较大幅度的增大,然后稳定在50%上下波动,实验结果可评估外固定架的整体矫治效果;③由于力传导过程中的损耗,断骨处的牵张力理论计算和实验结果曲线存在数值上的差别,但由实验结果可知,调节力、支撑力、牵张力理论值和牵张力实际值的整体力变化趋势基本一致,说明理论计算和实验结果的有效性,该实验量化评估结果可为Ilizarov骨外固定架构型的优化设计和胫骨矫治手术的精准调控提供参考。

剪切力作用下巨噬细胞和间充质干细胞内皮向分化的相互作用

目的损伤血管会发生局部力学环境变化,巨噬细胞会大量浸润,间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)可归巢至局部参与早期再内皮化修复,本文主要研究剪切力作用下巨噬细胞和间充质干细胞内皮向分化的相互作用。方法采用transwell直接共培养巨噬细胞和MSCs,通过RT-PCR和免疫组化技术检测细胞表达内皮细胞相关因子基因和蛋白的情况,利用流式细胞术检测巨噬细胞的表型。使用脂多糖、干扰素-γ和白细胞介素4分别诱导获得高纯度M1、M2型巨噬细胞,提取其培养上清制备条件培养基,探究间接共培养下巨噬细胞对MSCs向内皮细胞方向分化的影响。利用实验室自制的细胞力学生物学实验系统加载剪切力,研究剪切力作用下巨噬细胞和间充质干细胞内皮向分化的相互作用。结果直接共培养下,巨噬细胞可以促进MSCs表达内皮细胞相关的基因和蛋白,同时,巨噬细胞自身向M2表型极化。间接共培养下,M1型和M2型巨噬细胞均可以促进MSCs内皮向分化,其中M2型巨噬细胞的促进效果更显著,与间接共培养作用的促进效果无显著差异。剪切力条件下,M2型巨噬细胞可以更好地促进MSCs向内皮细胞方向分化,尤其是较高剪切力组。结论剪切力可以影响巨噬细胞和间充质干细胞内皮向的相互作用,但其规律和机制有待进一步深入研究。

支持性人力资源实践、柔性能力与适应性绩效

如何提升知识型员工的适应性绩效?从支持性人力资源实践切入开展研究可以更为本质地解答这个问题。基于“工作需求—资源”模型,采用“组织干预—员工能力—员工绩效”逻辑,构建支持性人力资源实践对知识型员工适应性绩效影响机制的分析框架,并侧重分析知识型员工的3种柔性能力的中介效应。对305名知识型员工样本数据的实证结果表明:支持性人力资源实践能够显著正向影响知识型员工柔性能力和适应性绩效;技能柔性、认知柔性以及关系柔性在支持性人力资源实践对知识型员工适应性绩效的影响过程中具备完全中介作用。

压制压力对纳米Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织和力学性能的影响研究

采用不同的压制压力制备纳米Ti(C,N)基金属陶瓷生坯,研究低压烧结后金属陶瓷的微观组织、收缩性和力学性能。结果表明:当压制压力过低时,粉末排列不紧密,金属陶瓷组织不均匀;当压制压力过高时,金属陶瓷组织发生分层,孔隙度和缺陷增加。当压制压力为180 MPa时,得到的纳米Ti(C,N)基金属陶瓷最为致密,其相对密度为97.06%,收缩系数为1.23,孔隙率最低,为A02B00C00;同时,该金属陶瓷具有最优异的综合力学性能,其中维氏硬度为1680 HV_(30),抗弯强度为1650 MPa,断裂韧性为8.8 MPa·m^(1/2)。