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。

股骨颈骨折术后股骨在不同运动负荷条件下的生物力学研究

目的生物力学在股骨颈骨折并发股骨头坏死过程中起着决定性的作用。本文拟探究股骨颈骨折术后股骨在不同运动负荷下的力学特性,为骨折康复提供理论指导。方法纳入股骨颈骨折术后复位质量评价良好的患者30例。建立双侧股骨颈模型(健侧与患侧),首先以健侧镜像模型为标准,测量患侧股骨复位量化参数,包括股骨头小凹最低点位移,股骨头中心位移,股骨头空间偏转角度。然后建立股骨颈有限元模型,结合Any Body人体建模仿真软件,建立不同运动模拟,并将产生的关节力、肌肉力、力矩及约束条件生成环境变量施加于有限元模型;动作包括站立、步行、起立和下蹲,其中下蹲和起立分别由九个节段动作完成,下蹲由模型站立位起始,每下蹲一节段髋关节与膝关节弯曲15°,直至135°停止,起立则是相反的动作过程。结果30例股骨股骨头小凹最低点平均距离9.22±4.42 mm,股骨头中心平均距离为5.32±2.98 mm,股骨头平均偏转角度为19.73°±11.61°。站立时平均应力峰值为18.97±7.8 MPa,步行过程中平均应力峰值为66.85±36.18 MPa,起立过程中平均应力峰值为61.74±114.38 MPa,下蹲过程中平均应力峰值为1607.04±869.58 MPa。结论30例股骨颈都存在不同程度的空间移位。4个日常动作中,站立时股骨颈受力最小,其次是起立和步行,下蹲时股骨颈受力最大。

力-化-生耦合的生物力学理论及其应用

癌症以及心脑血管、免疫系统等的重大疾病的发生发展,都涉及多种生物学、化学、力学等因素的相互作用与协同演化。针对这些重大疾病,建立相应的生物力学理论与模型,对于癌症的追踪溯源、趋势研判、诊疗康复具有重要意义。本报告将汇报力-化-生耦合生物力学理论的点滴进展及其在胚胎、肿瘤等的生理和病理过程中的初步应用。首先,将介绍力-化-生耦合的生物组织生长发育力学理论,并将该理论应用于胚胎、肿瘤、淋巴等生理和病理过程的研究。在生物组织的生长、发育、衰老、病变等过程中,力学、化学、生物学等各类因素相互耦合、彼此调控,并涉及多种物质成分和能量的输运与转化。通过上述机制的定量化描述,基于冯元桢的应力-生长理论、热力学基本定律等,给出了力-化-生耦合的生物组织生长理论框架,可以应用于生物组织在多种条件下的生长、发育与重塑研究。其二,发展了力-化-生多场耦合的生物稳定性分析方法。稳定性是力学学科的一个核心命题。对于生命体而言,从生物大分子、亚细胞、细胞直至生物组织和系统尺度,都存在大量的稳定性问题,相关机制在胚胎发育、疾病的发生发展、组织和器官工程等领域起着重要作用。在各种生命过程中,不仅存在以机械能主导的欧拉失稳、以化学能或熵主导的图灵失稳,而且存在诸多力学、化学、生物学等因素耦合的失稳现象。将从控制方程、能量转换、时间和空间特征等角度对这些不同类型的稳定性问题进行讨论。应用该方法,研究了肿瘤、胚胎、脑等生物组织在生长发育、病变等中的稳定性问题;并结合实验,研究了细胞与分子尺度的动力学稳定性,解释了卵母细胞和囊胚的周期振荡、螺旋波等现象及其机制。其三,讨论从分子、亚细胞、单细胞、细胞群体到组织的时空多尺度动力学研究方法。对于很多生命过程的理解,需要考虑在不同时间和空间尺度上力、能量、几何、功能等的传递和转化机制,而这些机制涉及结构、力、响应等的复杂性和特异性,对其进行定量化和理论化遇到多方面的困难。将对时空多尺度动力学研究方法进行初步的探索与讨论。利用该方法,研究了细胞迁移与群体运动等问题。结合数值模拟与实验,揭示了癌细胞转移的一种力学效能,即肌动纤维网络通过力学感知与生化信号的正负反馈,确定其迁移路径。

竞技体育运动生物力学研究

目的探讨运动生物力学在竞技体育领域研究现状。方法文献资料法。结果运动生物力学,主要是研究人体运动过程中技术动作规律的科学。体育科学还包括:运动解剖学、运动生理学、运动生物化学、运动医学、运动心理学、体育教育学等。但这些学科都是通过运动生物力学,来实现人体运动的。因此,运动生物力学是与运动实践最为直接相关的体育科学,是研究运动和服务于运动最为直接有效的工具。在我国,长期以来,可应用于竞技体育实践的运动生物力学研究,严重滞后于运动实践。这既阻碍了运动生物力学学科的发展,更是影响我国竞技体育水平快速提高的绊脚石。竞技体育运动生物力学研究的金字塔尖领域,是国内外高水平选手比赛现场运动技术的三维分析。受实验环境等因素影响,可对高水平竞技选手科技支持的研究,更是凤毛麟角,但这正是我国竞技体育发展急需的。近期,就有关于国内外优秀选手比赛现场技术动作三维运动生物力学研究成果在国内体育权威期核心刊发表,引起竞技选手、教练等业内人士广泛关注与好评。脚踏实地、探索、创新,是可以实现的。结论只有在竞技体育运动生物力学研究领域砥砺前行、不断创新、领先世界,并有效应用于实践,我国才能真正实现体育强国梦。

面向新医科和大健康的生物力学

医疗器械是国之重器,我国正成为全球最大医疗器械消费市场,然而高端器械大比例依赖进口,技术卡脖子严重,医工交叉融合是医疗器械创新之源。面向新医科和大健康的生物力学关系国家大计与民生福祉,已成为服务健康及产业发展的国家需求。力-组织/细胞-材料相互作用的多层次生物力学与力学生物学研究是组织/器官损伤、防护、修复、重建及替代的坚实基础。本研究以力-组织/细胞-材料相互作用的多层次生物力学与力学生物学研究为目标,突破以推动医疗器械创新和产业发展。(1)基于力-组织/细胞-材料作用机制的植介入器械创新:创新了复杂近生理多尺度生物力学模拟理论和实验技术,揭示了力-组织/细胞-材料相互作用机制,研制了国际领先的体外模拟实验系统;发现应力调控降解动力学规律,创新了一批生物力学适配性优异的活性智能生物材料(自适应再生/抗菌抗异物/新型示踪/自供能感知等),研发了可精准调控应力-降解的智能植介入器械(具有形状记忆功能的微创式可降解诱导再生型人工髓核、镁-聚合物主动控制降解释药体等);构建了植介入器械高效设计/先进制造/精准评测一体化创新平台并用于器械研发、评测和标准制定,研发了人工心瓣/血管支架/骨科植入物等系列创新产品。(2)基于生物力学的康复技术与系列康复辅具/器械创新:构建了多模态康复机器人平台,揭示了力觉、视听觉、触觉、本体感觉等刺激反馈与调控机制,突破康复机器人交互优化关键技术并用于脑卒中患者运动功能康复,实现了评估-反馈-训练一体化精准康复;结合脑血流动力学、神经血管耦合原理,突破生物组织非接触无标记半色调空间频域近红外成像技术,实现康复过程脑功能动态评估。(3)基于仿生生物力学的组织损伤和防护机制及技术、装备:发现了自然界生物(啄木鸟、核桃壳等)损伤防护机制,基于上述机制提出防护新思路、开发防护新技术及装备,用于航空航天、交通、体育、运动等领域人体损伤防护,解决了人体高过载损伤率高、防护难、装备差的问题。

单轴周期性压缩对细胞骨架与细胞膜生物力学特性的作用

目的细胞感应局部力环境后自身结构发生改变,特别是细胞骨架的排布发生重定向。本研究旨在分析细胞受到单轴周期性压缩后,细胞骨架排布的改变以及对细胞膜拉伸应变的影响。从而明确细胞增强响应周期性力刺激的生物力学机制。方法 通过定制的细胞周期性力学刺激装置对细胞进行静态与周期性的压缩应力刺激;然后对静态压缩(幅值:75~175 Pa;时间:10~60 min)以及单轴周期性压缩刺激(幅值100 Pa;频率:0.25~10 Hz;时间:60 min)后的细胞进行肌动蛋白细胞骨架染色,量化分析细胞肌动蛋白丝在不同周期性压力刺激下的取向变化;最后进行单细胞黏弹性有限元建模,计算细胞骨架的取向对细胞膜的拉伸应变的量化关系。结果 随着静态压缩应力作用时间的增加,细胞肌动蛋白应力纤维与细胞长轴夹角增大(9°增大到34°),且细胞膜表面最大主应变的平均值与峰值分别增大1.8%与17%,表明细胞在静态压缩下细胞损伤风险增加;而最佳频率为0.25 Hz的周期性压力下的细胞肌动蛋白应力纤维与细胞长轴夹角减小至12.5°,细胞膜表面最大主应变的平均值与峰值也分别减小4.1%与25%。结论 静态压缩应力会导致细胞肌动蛋白骨架的取向偏离细胞长轴,周期性压缩应力会改善细胞骨架的取向,并降低细胞膜的平均拉伸应变,保护细胞免受机械损伤。

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。

老年双任务步行稳定性和效率的生物力学研究

目的探究衰老对步行稳定性和效率的影响,为老年步行辅助和干预方案提出理论依据。方法纳入健康年轻人13位和健康老年人15位,采用三维动作捕捉系统、K5代谢分析仪、表面肌电同步获取受试者在多任务TUG测试和最大步行速度时的生物力学和代谢能耗数据。采用两因素重复测量方差分析,比较不同测试和受试者组别下的步态参数、XCo M位置样本熵、肌肉协同模式和代谢能耗指标。结果在常规步行测试中,年轻组步长、速度和支撑相对称性显著大于老年组(P<0.05);在步行稳定性方面,老年组在双任务步行时XCo M_x样本熵增大,而XCo M_y样本熵减小,且两组在双任务步行时XCo M-Co P的X和Y方向偏移均增加;在肌肉协同模式方面,老年组在常规步行和多任务TUG步行时肌肉协同模式数量无显著差异(P>0.05),而年轻人多任务步行时肌肉协同模式减少(P<0.05),老年组主动肌和拮抗肌协同收缩增加(P<0.05);在步行效率方面,任何步行条件下,年轻组的净耗氧量均高于老年组,但老年组的能量利用占比更高,且老年组在多任务步行时能耗增加(P<0.05)。结论在双任务步行中,老年人减少左右侧力学调整和肌肉协同模式调整,但通过增加主动肌和拮抗肌协同收缩增加下肢刚度,最终增加步行代谢能耗。

类皮肤生物力学信息采集-调控技术

目的皮肤是人体与外界交互的重要媒介,始终处于力、热等环境刺激的作用之中。因此,探究皮肤对外界刺激的感知机理、并开发相应技术对外界刺激进行有效采集与调控,对于了解疾病成因、探索诊疗方法具有重要意义。方法本研究基于前期创立的生物组织力-热-电(疼痛)耦合行为理论,系统阐释了热、力等外源性物理刺激通过电生理传导引起人体痛觉感知的作用机制,并提出了力学刺激信息采集与调控的技术需求。在此基础上,建立了类皮肤柔性器件的力学结构设计理论与技术体系与基于水凝胶材料的柔性器件制备技术与应用体系。结果提出了通过结构变形降低材料变形的思路,设计开发了内嵌三维螺旋、空间刚度异质、仿生叠覆鳞片等多种可承受大变形的力学结构,将这些结构应用于柔性器件的制备中,可显著提升器件在大变形工况下的结构与功能稳定性;建立了基于水凝胶材料的柔性器件制备技术与应用体系,开发了一系列功能化水凝胶材料与器件,搭建了在体力学信息采集与调控平台,并探索了其在健康监测、疾病诊疗、创面修复等方面的应用前景。结论本研究基于力学设计原理,开发柔性生物力学信息采集-调控器件,对于人体健康监测、创面减张修复等实际临床应用具有借鉴意义。

一种治疗夹层合并瓣膜疾病器械的生物力学分析

目的提出一种微创治疗升主动脉夹层合并主动脉瓣膜关闭不全的新型植入物。基于生物力学研究,对比不同结构器械的有效性和安全性,为新器械的临床应用提供了基础。方法微创治疗A型主动脉夹层伴有主动脉瓣反流的器械,包括血管内支架(ESG)和心脏瓣膜替代物(HVS)两个部分,根据ESG和HVS之间的相互连接关系和结构特点,现有的植入物有分离式Z形植入物(SZ)和分离式菱形植入物(SD)。在此基础上,本研究首先提出了一种新型移植物(LD),然后建立相应的有限元模拟模型,在升主动脉轴向拉伸载荷的条件下,评估移植物的内漏、移位和血管壁破裂的风险。结果SZ、SD和LD 3种移植物采用模拟方法被释放到预期部位后,3种移植物均可封堵升主动脉的夹层入口,但窦管交界部位未能被有效覆盖的距离分别为14.5、13.1和7.4 mm;3种移植物下的最大间隙面积分别为76.5、51.5和6.3 mm^(2);3种移植物的最大移位距离分别为1.27、1.06和0.1 mm;3种移植物下升主动脉最大应力分别为0.19、0.24和0.51 MPa,且均低于破坏应力(0.9MPa)。结论SZ和SD移植物对升主动脉的影响最小,但移植物移位和近端内漏的风险较大。但LD植入物不仅可以简化手术过程,而且内漏和移位的风险也较低,提高了器械的有效性和安全性。

面向牙槽骨增量的增材制造微支架生物力学研究

目的口腔种植修复中,复杂骨增量手术一直是种植外科最具挑战的难题。目前较为成熟的植骨材料结合现有手术技术仍难以企及精准植骨的临床需求。本研究基于胞元流体学结合生物力学原理设计优化植骨微支架的稳定性与成骨性能,并利用增材制造方法制备,最终实现精准植骨。方法首先选取5种不同的多面体构型,通过离散元仿真选取堆积稳定性较高的基本构型。随后设计不同的内部胞元构型,通过流体表面张力仿真及计算流体力学分析其流体生物力学及成骨性能并优化设计参数。最终通过光固化成型技术(DLP)和生物活性陶瓷材料制备所设计的微支架,植入新西兰大白兔颅骨下颌进行动物实验并作成骨效果分析。结果所选取的微支架构型在堆积仿真下形成了较高的自然堆积角,在流体表面张力仿真下表现出可控的流体诱导性能,在计算流体力学仿真下可形成良好的成骨环境。使用DLP和生物活性陶瓷材料成功打印了所设计的支架结构,并经动物实验具有良好的成骨效果。结论本通过胞元流体学及生物力学设计并优化的微支架具有可控的成骨性能及良好的稳定性,有望实现精准植骨的需求,具有临床潜力。

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。

高水平青少年高尔夫运动员全挥杆足底压力生物力学分析

目的高尔夫全挥杆过程中的足底压力变化显著影响击球效果,但国内外对于该项运动的足底压力研究鲜有。高尔夫运动中的木杆和铁杆技术模式不同,其挥杆过程中的足底压力变化也不同,科学应用该项技术,是提高运动成绩的关键。方法本研究以河北省青少年高尔夫球锦标赛A组(15~18岁)8名男性参赛运动员(4名一级,4名二级)为研究对象,身高178.75±5.39 cm,体重68.06±11.95 kg,球龄4.50±2.33 y,对其一号木与五号铁的击球数据和足底压力数据进行采集。受试者站在My Swing Balance足底压力测量系统上,将Flight Scope Xi仪器放置于受试者击球位置正后方2 m处,两个仪器调试完毕并同步后,进行10次一号木和10次七号铁全挥杆击球。结果(1)在准备时刻,一号木与五号铁的左脚前侧重力分别为47.63±12.14%与50.65±10.28%,均与挥速和球速呈正相关关系(P<0.05)。(2)在击球瞬间,一号木左脚重力(51.02±16.08%)与挥速呈负相关关系(P<0.05),而五号铁左脚重力(53.41±9.27%)与挥速呈正相关关系(P<0.05)。结论(1)青少年高尔夫选手在一号木与五号铁的准备时刻中,均可通过增加左脚前脚掌的重力百分比,来达到提升挥速和球速的效果。(2)在击球瞬间,增大左脚重力百分比有利于五号铁挥速的提高,而不利于一号木的击球效果。

青少年女子高尔夫球员不同铁杆挥杆技术生物力学研究

目的通过对比青少年女子高尔夫球员7号铁杆和劈起杆挥杆技术,探究影响不同铁杆挥杆技术的因素,揭示不同铁杆挥杆技术的生物力学特征与技术差异。方法选取8名青少年女子球员(年龄:12.13±0.99,差点:14.90±8.34),应用Myswing Golf和Flight Scope Xi设备,同步采集7号铁杆和劈起杆数据。结果7号铁杆的起飞角度显著小于劈起杆(P<0.05),而7号铁杆的倒旋值和下降角度均显著大于劈起杆(P<0.05)。准备时刻,7号铁杆的前倾角显著小于劈起杆(P<0.05),7号铁杆的侧倾角显著大于劈起杆(P<0.05)。上杆顶点时,7号铁杆的胸腔旋转幅度、骨盆向前的位移均显著大于劈起杆(P<0.05)。击球瞬间,7号铁杆的骨盆向左、向前和向上的位移均显著大于劈起杆(P<0.05)。7号铁杆的骨盆、胸腔、前臂和球杆峰值角速度均显著大于劈起杆(P<0.05)。结论7号铁杆的倒旋值和下降角度更高,有利于停球。相较于劈起杆,7号铁杆在准备时刻的躯干前倾较少、侧倾更多。7号铁杆在上杆顶点时刻的胸腔旋转幅度与骨盆向前位移大于劈起杆,增加挥杆幅度同时保证了躯干稳定。7号铁杆在击球瞬间的骨盆向左、前和上的位移更为积极,降低起飞角度同时增加倒旋值。各项峰值角速度越大,铁杆挥速越快。

仿豆荚自动弹射的肠道给药系统设计及生物力学调控机制研究

目的临床上肠道给药存在响应慢、药效差、量难控等问题,严重制约了口服大分子类药物的有效性,亟待寻找突破以上问题的新思路和新方法。本研究以豆荚双稳态弹射结构为灵感,提出一种新型仿豆荚肠道给药系统。方法基于豆荚弹射前后的平坦及手性螺旋荚瓣构型,该肠道给药系统由p H敏感肠溶性外壳、机械锁定水溶性包衣、互为手性的螺旋状温敏形状记忆聚合物及药物微针构成。本研究对形状记忆聚合物转变温度、力学性能进行调控,结合数值仿真模拟形状记忆聚合物弹射药物微针过程,探究形状记忆聚合物合成参数、结构参数与储能模量之间的定量化关系,并通过离体小肠及在体实验对系统的可行性和有效性进行验证。结果在体动物实验验证,系统可实现口服进入体内后,平直的条状温敏形状记忆聚合物产生变形趋势,其形状被包衣锁定,系统应力积累;进入肠道后,外壳及包衣降解,系统应力瞬间释放,两片形状记忆聚合物由条状瞬时变为螺旋状,将负载在其内部的药物微针弹射,刺入肠壁并给药。结论本文提出的仿豆荚肠道给药系统可实现肠道内的快速响应和毫秒级弹射过程,药物微针可有效刺入小肠内皮层并实现大分子药物递送。系统响应快速,给药剂量可控,可用于多种大分子药物口服oou。

截瘫患者在上肢对称动作中呈现非对称的生物力学特征

目的脊髓损伤(SCI)患者的日常活动严重依赖于上肢。许多研究在分析相关损伤机制和康复策略时,常将上肢运动视为双侧对称运动,通过分析单侧运动规律代表双侧运动。前期研究已发现颈SCI患者存在上肢不对称现象,然而,目前尚未有研究关注截瘫患者上肢对称性表现。本研究旨在比较截瘫患者和健康对照组在不同难度的对称动作中,双侧上肢肌肉活动和运动学特征及其对称性表现。方法共计30名受试者(截瘫患者21名和健康受试者9名,均为右利手)参与本次测试。运用表面肌电测试系统和运动捕捉系统采集受试者进行完全对称动作(CSM)和交替对称动作(ASM)时的双侧三角肌、肱二头肌、肱三头肌、斜方肌和背阔肌活动和肩关节活动角度并计算对称性指数(symmetry index,SI)。结果截瘫患者上肢肌群和运动学特征的SI值大于健康受试者,多块肌肉的活动特征呈现显著差异(P<0.05);截瘫患者在ASM中的左右侧肌电和关节活动角度呈现高度显著差异(P<0.01),而健康对照组在不同难度对称动作中双侧特征并无显著差异(P>0.05)。结论截瘫患者上肢运动呈现出双侧非对称性,并随动作难度增加,对称性呈下降趋势。因此,在讨论脊髓损伤相关上肢损伤机制和康复策略时有必要将上肢非对称性纳入考虑。

重度关节盘前移位对颞下颌关节与咬合的生物力学影响

目的探究重度关节盘前移位(ADD)对颞下颌关节生物力学响应和咬合力传递模式的影响。方法构建了精细的咀嚼系统有限元模型并分析了重度ADD对咀嚼系统力学响应的影响。针对双侧与单侧重度ADD进行了不同肌肉力强度下的正中咬合(ICC)与偏侧咬合(UMC)模拟。结果重度ADD会引起下颌升支前缘高应力区扩张,应力峰值升高;升支后缘高应力区收缩,应力峰值降低。双侧与单侧ADD组患病关节盘上的接触应力条带均移至后带边缘处,接触面积严重收缩;髁突上对应的接触位置前移,且条带后方出现异常分布的点状高应力集中,应力峰值远高于正常水平。双侧ADD组UMC工况下过渡阶段(将髁突前斜面初次出现点状应力集中时视作过渡阶段)出现时咬合侧与平衡侧的肌肉力强度均为40%肌肉力,高于ICC(30%肌肉力),咬合侧(46.2 MPa)的点状应力集中显著高于平衡侧(10.3 MPa)。单侧ADD在各工况下引发模式转变所需要的肌肉力强度均显著升高,咬合与ADD同侧情况下过渡阶段出现(60%肌肉力)早于咬合与ADD异侧的情况(70%肌肉力)。结论重度ADD在高强度咬合下会引起关节盘受挤压向前滑出,导致髁突异常高应力,且这一现象在患侧进行偏侧咬合时更容易发生。因此,重度ADD患者应当避免患病侧进行高强度咬合,防止TMJ退行性病变的发生。

面向阿尔茨海默病的多模态多尺度脑生物力学

目的阿尔茨海默病(AD)是最常见的神经退行性疾病,随着社会老龄化程度的加深,给社会和个人造成沉重负担。当前针对AD的诊断和评估主要采用对脑脊液中Aβ蛋白开展穿刺化验,或用注射核素采用PET成像方法对葡萄糖代谢或特异蛋白开展检测,尚缺乏无创简便的早期诊断和随访方法。研究表明,脑组织生物力学特性变化与退行性疾病密切相关。在不同尺度下采用生物力学理论和方法对AD的进展开展相关机制和表征开展研究,有助于AD早期诊断和治疗。方法在组织层面,采用磁共振弹性成像(MRE)技术对早期认知障(MCI)碍患者的脑生物力学特性开展在体测量,分析组织黏弹力学特性及其全脑分布的网络特征对MCI的诊断效能。在微观细胞层面,对Aβ蛋白影响下,采用原子力显微镜(AFM)对神经元细胞的力学特性变化开展测量,并基于显微成像的细胞骨架特征开展细胞力学建模,并针对Aβ蛋白诱导的力学变化开展机制分析。结果脑组织剪切模量在老年组显著下降,且MCI患者的脑组织弹性模量对比健康老年人也具有显著下降特征。全脑弹性模量的分布呈现小世界属性,对比健康对照其图网络结构在MCI患者中具有显著变化。神经元细胞在Aβ蛋白诱导下也呈现出软化特征,其细胞骨架结构也呈现空间分布的差异。神经元细胞的力学模型分析表明Aβ蛋白诱导的骨架变化是其总体力学特性变化的重要原因。结论生物力学特性在宏观和微观尺度下可以作为AD的生物标记,并揭示其发生机制。

颈椎定点旋转手法在体生物力学量化及影响因素分析

背景:颈椎定点旋转手法属于技术要求较高的力学操作,但目前其生物力学还缺少相关量化数据;且颈椎定点旋转手法的影响因素研究包括了众多参数并且存在差异性,需要进一步对其影响因素进行分析,以完善其相关数据。目的:量化颈椎定点旋转手法在体生物力学参数,探讨各生物力学参数之间的相关性,及研究对象个体特征差异对手法力学参数的影响。方法:选取35例颈椎病患者为测试对象,均为广西中医药大学第一附属医院仁爱分院骨伤科门诊就诊者。术者佩戴穿戴式力学测量手套采集手法力学参数,包括拇指预加载力、拇指最大推力、掌心预加载力、掌心旋扳力和掌心旋扳最大作用力。并采集患者个人特征参数,包括年龄、身高、体质量和颈围。对手法操作过程中的关键力学参数进行特征分析及不同个体特征进行量化,对力学指标参数进行Spearman相关性分析;分析不同个体特征参数对生物力学可能存在的影响。结果与结论:(1)双侧力学参数相比,左侧操作与右侧操作无显著差异性(P>0.05)。(2)拇指预加载力均值为(7.21±1.19)N、拇指最大推力均值为(28.40±4.48)N、掌心预加载力均值为(5.67±2.49)N、掌心旋扳力均值为(10.90±5.11)N、掌心旋扳最大作用力均值为(16.00±7.27)N。(3)掌心预加载力和掌心旋扳力存在显著正相关(Rs=0.812,P<0.01);掌心预加载力和掌心旋扳最大作用力存在显著正相关(Rs=0.773,P<0.01);掌心旋扳力和掌心旋扳最大作用力存在显著正相关(Rs=0.939,P<0.01)。(4)患者体质量与拇指预加载力、掌心预加载力、掌心旋扳力及掌心旋扳最大作用力之间存在显著正相关(P<0.05)。(5)结果证实,颈椎定点旋转手法治疗颈椎病操作中生物力学有一定的标准量值。该手法左右侧操作无显著差异性,具有较好的一致性和可重复性。掌心预加载力、掌心旋扳力及掌心旋扳最大作用力3种力之间存在一致性和协调性,对于治疗效果的贡献是相近的。患者的体质量是影响颈椎定点旋转手法重要的因素。