搏动性耳鸣致病机制的生物力学和机器学习研究

目的搏动性耳鸣是与患者心跳合拍的耳鸣,常由颅内客观声源引起,但病理机制不明确,缺乏针对性疗法。研究搏动性耳鸣的生物力学机制,并分析CT影像的致病特征。方法首先,在体外模拟脉动血流-织振动-传导的生物力学通路。基于典型患者CT图像,以光敏树脂3D打印制造了乙状窦-板-骨蜂房的三维实体模型,材料弹性模量均与体内组织模量相近。以脉动流产生系统在乙状窦模型中形成正弦流,录制并分析鼓膜处声信号。

生物软组织力学测试及相关理论研究

合理的本构模型及正确的材料参数是进行有效数值计算以及靶标制备来表征生物软组织高速撞击下力学响应的前提方法。对典型的生物软组织及材料力学测试方法从单一加载模式拓展到剪切加载乃至混合加载进行了阐述,均进行详细的理论推导并得到各个模式下的主伸长。结果表明:基于各个加载模式下的主伸长,可以得到应力主面、形变最大值及方向来评估生物软组织及其对应仿生靶标的最大受力面及破坏程度等,便于深入探索生物软组织细观结构及模拟材料设计与其宏观力学性能相关性规律,旨在建立更加科学合理的人体仿生靶标。

负泊松比镁合金气管支架的生物力学研究

目的具有负泊松比效应的植介入医疗器械逐渐备受关注。对具有负泊松比效应的镁合金气管支架与气管的相互作用规律进行探索,以揭示该类型支架的生物力学特征。方法建立包括气管软骨和膜壁等组织在内的具有详细解剖结构的气管三维模型,设计并建立具有拉胀结构与非拉胀结构的镁合金气管支架,计算验证拉胀结构支架的负泊松比效应。

基于混联机构的多维力加载生物材料试验机

目的多数骨科植入物在人体内需要承受压力、扭矩、弯矩、剪切力构成的复杂载荷,在此多维力载荷下植入物所用生物材料的力学性能直接影响其服役功能和安全,而力学性能也是植入物结构优化和失效分析的重要依据。因此,在接近植入物复杂服役载荷下开展生物材料力学试验十分必要。目前,生物材料力学试验多采用单轴拉伸、剪切或扭转。

面向非生物专业本科生的“生命科学导论”教学改革初步探索

就面向非生物专业本科生的"生命科学导论"课程建设进行了初步探讨,通过分析面向非生物专业本科生的"生命科学导论"课程开设现状、存在问题,提出了针对该课程建设的具体措施,为完善"生命科学导论"课程体系提供了参考和借鉴。

晚期糖基化终末产物对尾吊大鼠后肢骨微观结构及力学性能的影响研究

目的长期空间飞行导致失重性骨质疏松,其发生机理尚不清楚。晚期糖基化终末产物AGEs是老年性/糖尿病性骨质疏松发病机制之一,与失重性骨丢失关系尚不明确。本课题研究模拟微重力效应下AGEs改变与大鼠后肢骨微观结构、微观力学性能间的关系,探究AGEs在失重性骨丢失中的作用。方法SD大鼠分为尾吊组和对照组,尾吊21 d。Micro-CT法检测骨微观结构参数,高效液相色谱法检测右后肢皮质骨/松质骨基质戊糖素(PEN)含量。

人体主动脉瓣膜钙化组织的力学性质

目的采用纳米压痕测试方法,测量人体主动脉瓣取出物的钙化组织的材料力学性能。方法采集5名主动脉瓣狭窄患者的瓣叶取出物,选取钙化瓣叶进行纳米压痕测试,获得钙化组织弹性模量、硬度等材料力学参数。结果瓣叶钙化组织的弹性模量为(15.69±3.89)GPa,硬度为(0.59±0.15)GPa。结论通过纳米压痕测试方法得到瓣叶钙化组织的弹性模量和硬度,为瓣膜的生物力学研究提供实验数据参考。

钙化组织对生物瓣瓣叶破损影响的数值模拟研究

目的瓣叶发生钙化是人工生物瓣膜退行性性变的主要因素之一。通过分析损毁生物瓣膜外科取出物发现,瓣叶钙化位置常伴随出现穿孔、撕裂等破损现象。瓣叶损伤是诱发钙化的因素之一,而由于瓣叶组织钙化变硬而造成的应力分布改变也可能是造成瓣叶破损的原因。为探究钙化组织对瓣叶破损的影响,对钙化组织的力学性能进行了测量,并采用数值模拟方法研究了两例具有不同钙化模式的生物瓣瓣叶应力损伤规律。

反应器技术研究性综合实验设计与探索

基于培养学生创新精神和实践能力的需求,结合科研实践,设计了具有研究性和开放性的综合教学实验,并进行了教学探索。该教学实验项目探究培养模式对动物细胞生长代谢的影响。实验涵盖动物细胞培养模式、细胞生长和代谢动力学参数检测分析等多个环节,综合训练学生生物反应动力学、仪器分析、数据分析等多方面的知识和技能,并且培养学生利用实验数据进行反应器设计的拓展和创新能力。在类似于现实科研工作的场景中,激发学生的科技创新兴趣、培养学生的科技创新能力、实践能力和工程意识。

不同厚度垫底材料对龋齿充填后应力分布的影响

目的采用有限元方法对比分析不同厚度垫底材料对充填后牙体应力分布的影响。方法选用正常形态下颌第1磨牙,基于MicroCT扫描建立Ⅰ类洞充填的三维有限元模型,选择Vitrebond和Dycal作为垫底材料,分别考虑4种不同的厚度(0.5、1.0、1.5和2.0mm),施加250N的咬合力,对各模型中牙体、充填体和垫底材料的最大/最小主应力进行比较。结果 Dycal垫底,厚度为2.0mm,牙体的最大主应力峰值超过其抗拉强度,垫底材料的最大/最小主应力峰值分别超过其抗拉和抗压强度;垫底厚度为1.5mm和2.0mm,充填体的最大主应力峰值接近其抗拉强度的90%。Vitrebond垫底时,各材料的最大主应力峰值也都在1.5mm或2.0mm时达到极值。结论从防止充填后牙体折裂的角度,建议临床上采用较薄的垫底层厚度,取0.5～1.0mm。

牙釉质和牙髓不同材料属性对牙周组织应力分布的影响

对比分析区分牙釉质和牙髓与否对牙周组织应力分布的影响,指导建模时是否考虑牙釉质和牙髓。选用正常形态的下颌中切牙,基于CT扫描建立3维有限元模型,所有结构都采用各自的材料属性,在此基础上,将牙釉质、牙髓分别考虑为和牙本质相同的材料属性,施加与5种典型正畸牙移动相对应的载荷,对3个模型在相同载荷作用下牙周组织的vonMises应力进行比较。结果表明,将牙本质的材料属性赋予牙釉质和牙髓导致牙根的最大应力差异分别为21.43%和9.25%,而对牙周膜和牙槽骨的计算结果几乎没有影响。当研究对象是牙体时,模型应区分牙釉质和牙髓;而当研究对象是牙周膜和牙槽骨时,则可不做区分。

单瓣补片瓣叶形状对应力分布影响的参数化研究

目的针对肺动脉狭窄患者,临床上通常采用右心室流出道重建术来改善,常用医疗器械单瓣补片在拓宽流出道的同时还能防止肺动脉反流。但单瓣长期耐久性较差,在患者体内易失效。目前研究瓣叶应力分布是提高单瓣耐久性的有效手段,而瓣叶构型是影响瓣叶应力分布的重要因素。提出一种瓣叶形状的参数化描述方法,探究不同参数对瓣叶应力分布的影响。

软骨终板退化对颈椎椎间盘物质运输和力学响应的影响

软骨终板内的液体流动是椎间盘营养供给和代谢废物运输的主要途径.退化的终板刚度增加、渗透性和含水量下降,会影响椎间盘内物质运输和力学响应.基于人体颈椎计算机断层扫描数据建立了C5-C6节段的多孔介质有限元模型.对验证后的模型施加压缩、前屈、后伸、轴向旋转和侧弯五种载荷,通过改变终板渗透性、孔隙比和模量,分析了正常、钙化和硬化三种状态下椎间盘的响应.结果表明:软骨终板退化增加了软骨终板和髓核的多孔压力,降低了软骨终板的流体速度.前屈载荷下,与正常终板对比,钙化和硬化终板导致髓核内流体的多孔压力分别增加了50.8%和88.9%.退化终板渗透率和含水量的降低导致髓核内液体不易流动,增加了髓核基体的应力,在压缩和轴向旋转载荷下,硬化终板导致髓核基体的最大主应力分别增加了122.2%和100.0%.

颞下颌关节内软组织的模拟方式

对比分析关节盘周围软组织的不同模拟方式对颞下颌关节(TMJ)内各结构的位移和应力分布的影响。选择一位无TMJ症状的志愿者,基于其头部CT扫描建立下颌骨和TMJ的3维有限元模型,关节盘周围软组织分4种方式进行模拟,关节盘及其周围软组织和关节软骨层间考虑接触,施加正中咬合的载荷。结果表明,将关节盘周围软组织建立为实体模型,使得关节盘偏离正常位置,且TMJ的功能区(髁突前斜面-关节盘中带-关节结节后斜面)都是低应力区。将双板区建立为实体模型,关节盘接近正常的位置,但仍没体现出TMJ的功能区应力较高的现象。用非线性缆索元来模拟关节盘前、后附着,关节盘处于正常位置,且髁突和颞骨的最大应力都出现在前部区域,关节盘的最大应力出现在中带。当研究重点是TMJ时,应该采用缆索元来模拟双板区和关节盘前附着,同时考虑关节盘与关节软骨层之间的接触。

飞行过程中头盔对飞行员颈部损伤的影响

为研究飞行过程中不同头盔对飞行员颈部损伤的影响,基于头颈部多刚体动力学模型,对急转弯及稳定盘旋飞行工况下4种头盔情况开展了动力学分析。得到了不同头盔作用下颈部肌肉力、椎间力、力矩及颈部损伤指数N的变化规律,对不同头盔作用下的颈部损伤风险进行了评估。结果表明:所建立的头颈部模型与实验结果较为吻合,可以用来进行仿真模拟分析;相同飞行工况下,B头盔的佩戴使得头部质心前移,增加了颈部前屈时斜方肌的肌肉力;对于同一颈椎节段,B头盔的轴向压缩力最大,而C头盔导致的后伸力矩最大;在所有的计算工况中,上下颈椎的颈部损伤指数N均小于0.5,满足航空领域的安全要求;B头盔和C头盔的质量相近,而B头盔质心位置靠前,C头盔靠后,说明头盔质心的前后位置会对颈部的损伤产生重要影响。研究结果可为飞行员头盔的设计优化及其对颈部损伤的影响提供研究支撑。

半蹲式跳伞着陆时最佳负重重心位置评估

目的通过跳伞着陆模拟实验分析负重重心位置对下肢关节运动的影响,进行损伤评估。方法招募7名受试者进行负重跳伞着陆模拟实验,负重重心位置分别为背部下侧(位置1)、背部上侧(位置2)、腹部(位置3)。结果负重重心在位置2处的垂直地面反作用力峰值显著小于(P<0.05)负重重心在位置1处;负重重心在位置2处髋关节矢状面关节力矩显著大于负重重心在位置1、3处;负重重心在位置2处髋关节吸收能量显著大于负重重心在位置1处;负重重心在位置2处髋关节矢状面角位移显著大于负重重心在位置1处,显著小于负重重心在位置3处;负重重心在位置2处髋关节矢状面角速度显著小于负重重心在位置3处。结论不同的负重重心位置能够显著影响髋关节的动力学和运动学参数,负重重心在背部上侧处能够降低下肢损伤风险。研究结果可以为跳伞者背包负重重心位置评估、减少跳伞着陆损伤提供依据。

颞骨蜂房气化程度对血管性耳鸣的影响

为了研究颞骨蜂房气化程度与血管性耳鸣之间的生物力学关系,本文基于典型的血管性耳鸣患者的数据进行了计算分析。首先,基于血管性耳鸣患者CT图像分别建立颞骨蜂房的基础气化和过度气化2种气化程度的三维几何模型。然后,将三维几何模型分别导入Hypermesh软件中并以四面体单元进行网格划分,生成可计算的三维有限元(FE)模型。再将三维有限元模型导入Virtual.Lab Acoustics软件中,加载相同速度边界条件,计算模型的声压幅值响应。最后,以前庭处检测的声压幅值作为计算结果。由2个模型生物力学数值模拟计算的结果,可以发现频率为250 Hz时经气化模型产生的声压幅值比基础模型的值低3.02 d B。经过气化模型产生的声压幅值小于基础模型,且在相同频率下2个模型间的声压幅值差异可被血管性耳鸣患者察觉。这一结论可以尝试为临床创新治疗血管性耳鸣提供新的理论依据。

半蹲式跳伞胫腓骨及踝关节骨折损伤分型及骨折区段分析

目的对跳伞着陆中胫腓骨和踝关节骨折病例进行分型及损伤区段测量分析,探究伞伤骨折的主要类型和易发区段。方法收集并筛选得到56例跳伞着陆骨折损伤病例,基于数字化X线片图像对胫腓骨和踝关节骨折分别使用AO-OTA标准和Lauge-Hansen标准进行分型,将与踝关节胫骨和距骨关节面的距离相等的平面定义为零平面,标定胫腓骨损伤最高和最低点以确定骨折区段并进行统计分析。结果在胫腓骨和踝关节伞伤骨折中,胫腓骨一并骨折占80.4%。胫腓骨骨折以42-D/5.2(45.8%)、42-D/5.1(16.7%)为主要分型;踝关节骨折以旋前外旋型(59.4%),旋后外旋型(37.5%)为主要分型。在胫腓骨及踝关节伞伤骨折时,胫骨骨干在零平面向上57~143 mm、零平面以下6 mm至以上24 mm区段、腓骨在零平面以上4~45 mm、74~83 mm区段内均有超过50%概率存在骨折损伤。结论在跳伞下肢损伤防护中,胫腓骨骨干均骨折的情况应被重点防护,旋前外旋和旋后外旋这两类踝关节骨折的扭转机制应该予以重点防护。

TiO_2纳米材料对前成骨细胞MC3T3-E1增殖分化及免疫毒性影响

研究不同晶型、不同浓度纳米TiO_2对成骨细胞MC3T3-E1的增殖和分化能力及免疫毒性的影响。采用CCK-8法检测发现,锐钛矿和金红石在不同浓度下(20、50、100μg/mL)均抑制了细胞的增殖能力。相比于金红石材料,锐钛矿材料对细胞增殖有一定的抑制效果,但是不存在显著性差异。共培养7d和14d时,锐钛矿和金红石均导致细胞碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)含量显著下降。酶联免疫吸附(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)法测定细胞培养上清液中白介素1(interleukin-1,IL-1)、白介素6(interleukin-6,IL-6)水平,发现纳米TiO_2刺激细胞分泌IL-1,同时大量分泌IL-6。并且,在培养24h和48h时,20μg/mL的锐钛矿相比于金红石纳米TiO_2,引起细胞分泌IL-6的水平更高。因此,纳米TiO_2能够影响MC3T3-E1细胞的增殖、分化能力,并引起免疫毒性。

MSC胞外基质功能化纤维支架通过调控巨噬细胞极化预防跟腱黏连

目的创伤或过度运动引起的肌腱损伤是一种常见的职业和运动性疾病。肌腱损伤后极易发生与周围组织的黏连,严重影响患者的肢体功能康复,成为外科领域亟待解决的难题。术后黏连的形成是一个多因素驱动的过程,其中巨噬细胞介导的炎症反应在该过程中扮演重要角色。假设通过调节巨噬细胞从M1向M2型极化,降低损伤微环境中的炎症反应可以有效预防肌腱黏连。