心血管植介入体的生物力学分析和仿生设计

植介入手术是临床治疗心血管疾病的最重要手段之一。然而,血栓形成和血管内膜增生而致的再狭窄限制了血管支架、人造血管、机械瓣膜等植介入体的手术效果。尽管这一系列事件的相关机理并不十分清楚,但是血流动力学因素在其中起着关键的作用已成为不争的事实。为此,开展植介入体与血液和血管组织之间相互作用的研究无疑将利于临床手术方案的制定、促进植介入体的发展、提高植介入效果。另外,人体心血管系统经过长期的进化,在正常生理条件下,血管结构和血流特性已趋于最优,因此,基于血流动力学原理仿生设计的植介入体将符合血管本身的结构和功能。为此,开展了血管植介入体的生物力学分析和仿生设计。首先,使用数值仿真技术,研究了血管支架植入对局部血流的影响,发现支架植入会引起血流的扰动,控制支架局部的一氧化氮的浓度,导致支架植入的区域一氧化氮浓度分布不均,且浓度较低,从而形成促血栓的力学微环境。为了消除支架植入引起的局部扰流,设计了局部带孔的支架,数值仿真结果表明该种支架能够减少涡流区域,提高近壁面的壁面剪切力,降低震荡剪切指数[1]。另一方面,由于高剪切率会促进血小板激活,而低剪切率会加速血小板聚集,一般做法是避免在血管中形成这样的促血栓形成的力学微环境。拟将这样的力学微环境应用在动脉瘤治疗中,使用多层血管支架技术,使得在心脏收缩期血流剪切率提高到激活血小板,而在舒张期降低的血流剪切率促进血小板的聚集和黏附,从而在动脉瘤中形成稳定的血栓结构,希望达到治疗动脉瘤的目的。其次,器械表面的界面设计也是解决血栓形成一个思路,为此,受血管内皮细胞糖萼结构和功能的启发,构建了一种仿糖萼的液体移动界面[2]。血管内皮细胞糖萼是位于内皮细胞顶膜的一层绒毛状多糖蛋白和血浆的复合结构,研究表明糖萼可以作为选择性通透屏障,控制进入血管壁的大分子,还可以抑制血细胞对内皮细胞的黏附。作为初步研究,使用硅润滑剂孵育在多孔膜表面,形成了液体移动界面,该液面可阻止血细胞接触膜表面,防止血栓形成。近年研究发现,动脉系统的血流形态可能大多呈旋动流态。该旋动流态是结构与功能统一在心血管系统的体现。旋动流能使血管壁得到光滑冲刷,减小血液中有害物质在血管壁沉积,增强氧气的传输,抑制血小板和单核细胞的黏附[3]。基于旋动流重要的生理功能,设计了仿生旋动流的锥型螺旋人造血管,数值仿真结果表明,通过锥度可以实现旋动流强度的控调,随着锥度的增加,旋动流强度显著增加。在旋动流强度的增加作用下,搭桥血管和吻合处等容易堵塞的区域,血流的扰动急剧减小[4]。人体器官中的血管从动脉、毛细血管到静脉,其尺寸、结构和成分会连续变化,如何实现这种动态的结构一直是个挑战。基于微流控的三维生物打印技术,仿血管从三层结构到单层结构的动态调控[5]。打印了含有内皮细胞的内膜层和平滑肌细胞的中膜层,打印过程中细胞存活率高。打印完后立即测量细胞的存活率,发现细胞存活率可达93±2%,在培养的7~14 d过程中,细胞的存活率保持在85%~97%。通过对血管细胞的细胞核和细胞骨架进行免疫荧光染色,发现血管细胞在生物墨水中能够很好地铺展和增殖。该方法为制造组织工程人造血管提供了思路,该方法不仅能打印血管,还可以应用在尿道等其他管状结构的生物打印。

生物力学建模与应用——贺冯元桢先生百岁诞辰

近代生物力学自以冯元桢先生为代表的科学家们创立以来,将工程学的系统思想和演绎方法运用到对生命组织特性和行为的定量描述和预测中,为人们进一步理解生命活动、推动人类健康科学的发展提出了至关重要的新思路和新方法。

硬膜外脊髓电刺激在脊髓损伤后下肢运动恢复的研究进展

目前,美国每年新增近1.3万脊髓损伤患者,而下肢运动功能障碍是脊髓损伤患者最常见的病症之一,这会严重影响患者的日常生活和社交[1]。促进脊髓损伤后的运动功能恢复一直是脊髓损伤治疗的关键问题之一,生物医学界也开展了多种研究以期恢复脊髓损伤患者的运动功能。

基于光电容积脉搏波的无袖带血压测量技术研究进展

无袖带血压监测技术由于低生理/心理负荷等特点,在健康监测领域具有广阔的应用前景。其中,基于光电容积脉搏波的无袖带血压测量技术能够获取连续动态的血压参数,有效弥补传统袖带血压测量不便、间断测量等不足。本文对基于光电容积脉搏波的无袖带血压测量技术的研究进展进行综述。首先从传感测量和数据处理方面介绍了光电容积脉搏波信号的获取与分析方法。然后简述了传统的基于脉搏波速度理论进行血压测量的研究,重点分析了该领域的主要研究方向:基于形态学参数的机器学习方法研究以及基于序列学习的深度网络研究。最后对基于光电容积脉搏波的无袖带血压测量技术所面临的挑战及其应对策略进行了深入分析和详细讨论,以期为该领域的相关研究提供参考。

航天器组装环境中极端微生物的筛选与特性

航天器在进入太空飞行前需要对微生物进行严格把控.航天器组装、集成与测试厂房(AIT厂房)是航天器携带微生物的重要环境来源之一,因其装配洁净室具有通风干燥、营养物质匮乏等不利于微生物生长繁殖的特性,因此航天器潜在携带的都是能够适应极端环境的极端微生物.针对我国某AIT厂房内部空气与表面环境,通过平板培养并应用细菌16S序列分析共鉴定出13株细菌,分别对其进行了各种极端环境耐受力测试以及抗生素耐药性和成膜能力测试.这些细菌全都来自厚壁菌门Firmicutes和变形菌门Proteobacteria,且其中9株都属于芽孢杆菌属(Bacillus).13株细菌均为耐盐耐酸耐碱微生物,且大部分细菌能在80℃热激和紫外光照射下存活.除了一株在表面环境中分离得到的Sphingomonassp.JCM7513对所有测试的抗生素均不敏感,具有极强的耐药性之外,其余的12株细菌对大部分β-内酰胺类抗生素敏感,但对四环类抗生素和红霉素具有较强的耐药性.分离到的细菌绝大部分具有很强的生物被膜形成能力.本研究表明在航天器组装环境中存在一定数量的极端微生物,为了保护航天器免受生物腐蚀和行星保护的正向污染,需要有更加有效的监测和消杀方法.(图6表3参29)

中国生物力学研究展望

现代生物力学经过近60年的不断发展,如今已成为生物医学工程重要的学科前沿交叉领域。本文回顾了21世纪以来国际生物力学研究领域主要进展和发展趋势,以及中国生物力学学科正在发展的力学生物学和生物力学建模分析、临床应用两大重点领域;展望了中国生物力学学科应重点关注的生命科学、现代医学、大健康工程和国防等四大领域;提出了促进中国生物力学学科在疾病力学生物学机制研究、生物力学设计与健康工程研究、特殊环境生物力学与力学生物学研究等方面发展的建议。

脊柱手术机器人研究进展及趋势分析

法国格勒诺布尔医学院(Facultéde Médecine de Grenoble)于1992年开展了第1例机器人辅助脊柱临床手术[1]。自此以后,脊柱手术机器人技术快速发展,先后出现了多种原型系统或产品,并开展了广泛的临床应用。现总结脊柱手术机器人的临床功能特点,分析其发展过程与技术进展,并探讨其发展趋势。

健康/病理动物内皮细胞表达谱差异研究

目的小口径人工血管植入人体后的急性血栓问题,至今困扰着临床。快速实现人工血管的内皮化是抑制血栓形成,达到长期通畅率的根本。然而,目前内皮化的策略尽管在动物实验上可行,运用到临床效果却不尽人意。本研究从动物模型选择的角度,去研究健康/病理动物内皮细胞表达谱的差异。方法将SD雄性大鼠分为两组:对照组(Control)和动脉粥样硬化实验组(AS)。对照组饲喂基础饲料,AS组饲喂高脂饲料。12周后,取对照和AS大鼠主动脉弓至腹主动脉段,提取内膜RNA,作表达谱分析。芯片扫描得到的原始数据做归一化处理,表达倍数差异以及t检验统计学方法筛选出差异基因,筛选标准为:表达倍数差异≤0.5或者表达倍数差异≥2,P<0.05。结果对颈动脉做冰冻切片以及油红-0染色。结果表明,对照组大鼠颈动脉内壁光滑,油红-O染色呈阴性。AS组大鼠则在血管内壁得到不同程度的阳性结果。该结果提示,高脂饲喂大鼠12周后,出现了动脉粥样硬化斑块,该模型造模成功。相对于Control组,AS组有29个基因显著上调,19个基因显著下调。对显著差异的48个基因作进一步筛选,可获得与细胞生长、增殖相关的基因8个:Ccne2(0.25倍)、Slc7a11(0.25倍、Zbtb16(0.46倍)、Hamp(0.36倍)、Egr2(0.41倍)、Hpgds(2.84倍)、Wnt2(3.2倍)、Cd7(2.75倍);与免疫反应相关的基因有4个:Zp2(0.05倍)、Tnfrsf 17(0.18倍)、Acp5(2.48倍)、Vtcn1(2.43倍)。且表达谱芯片和real time PCR的结果基本一致。结论由此可知,健康/病理大鼠主动脉内皮细胞的表达谱的确存在差异,且差异基因中,与细胞增殖\生长、免疫反应等相关的基因存在不同程度的上调或下调,提示相关的蛋白以及细胞的功能可能出现了差异,这或许是内皮化差异的根本原因。

基于髋部骨骼属性预测骨折风险研究进展

随着人口寿命不断延长,老年人口所占比例不断增加,老年骨质疏松患者易发生髋部骨折,给家庭和社会带来沉重的经济负担。从股骨近端几何结构、骨密度(bone mineral density,BMD)、骨折风险评估工具(fracture risk assessment tool,FRAX)和基于CT影像的有限元分析(finite element analysis,FEA)等方面阐述髋部骨折风险预测的研究进展,旨在了解骨折风险的影响因素,提高老年人髋部骨折风险预测的准确性,尽量在早期发现易骨折的高危人群,并通过及时干预降低骨折发生概率,同时也为髋部骨折的预防和治疗方法提供理论参考。

活体芫荽植株释放挥发物和负离子对大学男生情绪和睡眠的影响

目的 探讨活体芫荽植株释放的挥发物和负离子对大学生情绪和睡眠的影响,为利用可食芳香蔬菜改善大学生的情绪和睡眠提供实验证据。方法 于2021年4月,采用被试内设计,设置有、无活体芫荽植株2种环境条件,从北京航空航天大学招募的13名大学男生进行主观情绪、睡眠指标和唾液激素含量变化测量,并对唾液激素与睡眠指标之间的相关性进行分析。结果 活体芫荽植株显著提高了环境中的空气负离子水平(t=627.54,P<0.01),其释放的挥发物主要成分为d-柠檬烯(21.44%)、异佛尔酮(15.88%)、苯甲醇(12.30%)和α-松油醇(10.77%)。受试者在具有活体芫荽植株的环境中主观正性情绪提高(t=2.32,P<0.05),主观失眠程度下降(t=-2.54,P=0.03),深睡比例和快速眼动(REM)睡眠比例升高(t值分别为2.50,2.87,P值均<0.05)。唾液褪黑素含量与失眠严重程度指数量表得分呈负相关(r=-0.43,P=0.03)。结论 活体芫荽植株释放的挥发物和负氧离子对大学男生的情绪和睡眠具有积极调节作用。