骨组织生长重建的力学生物学机制研究进展

生物力学已被证实是骨组织生长、重建及成形当中一个十分重要的因素. 骨组织的损 伤修复过程本质上是细胞的生物学过程和应力作用下的生长过程. 这虽然肯定了生物力学在 骨组织生长、重建过程中的重要地位, 但是, 人们对生物力学因素如何诱导骨生长、 重建的力学生物学机制仍不甚了解. 而骨组织工程需要更为科学完善的细胞生物学机制来研究和探 索骨组织的构建过程. 本文概述了国内外生物力学与骨组织生长重建的宏微观理论, 主要讨 论了骨组织结构及功能形成过程中的力学生物学相关问题.     

载荷诱导骨生长的力学细胞生物学机制

骨骼的结构和功能在很大程度上依赖于其所处的力学环境,这一观点已被广为接受．自从Ｗｏｌｆｆ提出其著名的骨转换定律以来,骨生长与载荷间的关系一直是生物力学中一个重要的问题．大量的动物实验均证明二者之间存在明确的关联．然而,载荷诱导骨生长的力学细胞生物学（ｍｅｃｈａｎｏｃｙ－ｔｏｂｉｏｌｏｇｙ）机制仍很不清楚．十余年来体外培养骨骼细胞加载的研究为应力（应变）诱导骨生长提供了一个微观理论框架．目前认为,载荷诱导骨生长的过程可分为四个环节,即：力学耦联、生物化学耦联、胞间信号转导和效应细胞反应．详细阐述了这几个环节,并就今后的研究方向作一讨论．     

关于我国生物力学发展的几点意见

如果说生物力学的崛起（６０年代中期到８０年代初）是它的第一次高潮,那么,跨世纪之际,生物力学和生物医学工程正处于第二高潮之中．其特点是：由宏观向微观深入,宏观和微观相结合,宏观与微观并进;生物力学方法和生物化学方法相结合;生物力学更深入于医学（临床和基础两个方面）,深入于生物医学工程的多个领域（如生物医学材料）,尤其是一些新生的前沿领域（如组织工程、生物功能材料、生物芯片、新型生物传感器等）;并扩及生物化学工程领域之中． 我国的生物力学是在生物力学的开创者冯元帧教授推动下从无到有生长起来的,在此…     

过载性损伤与防护生物力学

损伤与防护生物力学(injury and protection biomechanics)是研究生物组织或器官损伤机理及其防护方法的一门交叉性学科,属于现代生物力学的重要分支.其研究目标是降低载荷环境下组织或器官的损伤程度,主要内容包括载荷造成生物组织和器官的损伤机制、损伤耐受极限以及损伤过程中的生物力学动态响应、如何改善组织和器官所处的力学环境降低其损伤程度、有效的防护装备优化设计思路.高过载性载荷由于其作用短时性和爆发性具有较高致命性, 因此,人在过载环境下的抗损伤能力已越来越成为航空器研制、汽车性能提升、运动员竞技能力提升与充分发挥的瓶颈;尤其是更快、更灵活新型飞机的出现,超音速弹射救生、大过载高增长率的机动飞行防护等问题向损伤与防护生物力学研究提出了新的挑战,同时也为损伤与防护生物力学的发展提供了新发展机遇.随着科技不断进步,航空航天、交通事故、体育运动乃至日常生活中老年人跌倒等过程中人体冲击过载性损伤越来越呈现发生率高、防护效率低等问题,一方面由于人体耐限实验会造成损伤而难以获得真实数据,另一方面生物组织具有复杂非线性及黏弹性、可再生和重建特性,涉及到如何精准描述生物组织或器官的本构关系、组织解剖学特征与其力学特性之间相关性,建立不同尺度的组织或器官损伤机理与耐受极限、防护方法及防护装备设计准则.为此,本文将主要总结过载性损伤与防护生物力学的主要研究内容和研究方法,并在此基础上针对人体在复杂过载环境下的损伤类型、损伤机制(包括生物力学和力学生物学响应)、损伤耐限及防护方法进行回顾,包括近年来该领域国内外的主要进展, 并提出该领域发展趋势.过载性损伤与防护生物力学研究对于保障和提高复杂过载环境下人体安全性具有重要意义,可为解决航空航天、交通、体育运动中广泛涉及的骨肌多轴向损伤评价方法与标准制定提供科学依据,对指导防护装备优化设计具有重要理论价值,同时该方面研究在工程仿生材料和防护装备方面具有潜在实用价值和广阔应用前景.      

生物力学与组织工程：实验室研究工作进展

生物力学与组织工程教育部重点实验室挂靠在重庆大学,是专门从事生物力学与组织工程研究的开放性实验室．近２年,实验室以组织工程研究为主线,以细胞力学、分子动力学、生物材料、体液流变学、组织／器官力学、生物医学仪器各研究方向为基础,以国家自然科学基金重点项目“应力一生长关系及其应用”和教育部“２１１工程”生物力学及组织工程重点学科建设为龙头,在相关领域研究工作中取得了一定的新进展．１体液流变学及其应用研究 近年的工作重点是：深化血液流变学的研究,完善和改进血液流变检测仪;以心脑血管疾病为对象,以药物流…     

骨与膝关节生物力学行为研究

膝关节的运动损伤和累积疲劳损伤引起的骨性关节炎非常普遍,膝关节生物力学行为的研究在探求膝关节疾病的病因和发病机制、治疗和预防关节病方面起到重要作用,同时也有助于膝关节康复与矫形支具的设计。对于膝关节生物力学的研究可以采用实验法和有限元法,近年来有限元方法得到广泛的应用,而其进一步发展还有赖于关节骨及其组织细观结构与宏观力学性能间关系的研究。     

生物力学的两个核心问题

生物力学应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究。本文把"本构关系"和"应力–生长关系"总结为生物力学的两个核心问题。通过"血浓于水"、"动脉硬化"、"骨头受力"这3个例子说明本构关系的含义;通过"骨生长"、"硬气功"、"高血压与心血管病"这3个例子说明应力–生长关系的含义。本文内容可以启发读者从身边的事物中体会生物力学的科学道理。     

生物力学的两个核心问题

生物力学应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究。本文把“本构关系”和“应力-生长关系”总结为生物力学的两个核心问题。通过“血浓于水”、“动脉硬化”、“骨头受力”这3个例子说明本构关系的含义;通过“骨生长”、“硬气功”、“高血压与心血管病”这3个例子说明应力-生长关系的含义。本文内容可以启发读者从身边的事物中体会生物力学的科学道理。     

细胞力学实验技术研究

本文介绍了近年来现代生物力学领域内,细胞力学研究过程中所采用的各种实验技术,并根据实验方法的不同将其大致归纳为四类：单个细胞加载实验技术,细胞介质间接及流变学加载实验技术,细胞基底应变加载技术,细胞分子学加载技术,并指出细胞乃至分子的力学实验技术的进展将对细胞生物力学的发展起着决定性的作用,特别是对生物医学工程的最前没领域-组织工程学中的应力与生长有着重大的影响。     

骨组织细胞的力学调控研究

力学环境是影响骨组织细胞形成、增殖和功能成熟的一个重要因素. 骨细胞是力学感受细胞, 将力学信号传递给效应细胞; 成骨细胞、破骨细胞为力学效应细胞, 使骨形成和骨吸收处于动态平衡以维持骨力学稳定性. 目前对骨组织细胞间力学调控的机理仍不甚清楚. 综述了骨组织细胞力学生物学作用和细胞间力学调控的一些相关问题. 在概述了成骨细胞、骨细胞和破骨细胞的生物学特性基础上,阐述了骨重建力学调控理论,成骨细胞、骨细胞和破骨细胞生物力学效应和细胞间力学调控最新研究进展. 最后对骨组织细胞三维网络间力学调控研究做出展望.     

Engineering mechanical-electrical cell microenvironment in myocardium using advanced biomaterials

心血管疾病是当前全球范围内导致人类死亡的首要原因, 心肌组织工程的发展为心血管疾病的治疗, 尤其是心肌组织再生修复提供了最有潜力的解决方案.心血管疾病的发生发展与细胞力--电微环境的变化密切相关. 近十几年, 随着先进生物材料和微纳生物制造技术的发展, 越来越多的研究表明, 细胞力--电微环境的调控对工程化心肌组织的成熟和功能化以及心肌组织再生修复具有重要意义. 本文首先阐明了在体心肌细胞所处力学微环境的生物学基础以及电信号的传导过程, 包括正常和疾病状态下心肌细胞所处的力--电微环境.其次调研了用于心肌组织工程的先进生物材料的研究现状.最后总结用于基底硬度与应力应变细胞微环境以及细胞电学微环境的构建和调控, 以及细胞对力--电微环境的生物学响应.%     

基于先进生物材料的心肌细胞力——电微环境体外构建

心血管疾病是当前全球范围内导致人类死亡的首要原因, 心肌组织工程的发展为心血管疾病的治疗, 尤其是心肌组织再生修复提供了最有潜力的解决方案.心血管疾病的发生发展与细胞力--电微环境的变化密切相关. 近十几年, 随着先进生物材料和微纳生物制造技术的发展, 越来越多的研究表明, 细胞力--电微环境的调控对工程化心肌组织的成熟和功能化以及心肌组织再生修复具有重要意义. 本文首先阐明了在体心肌细胞所处力学微环境的生物学基础以及电信号的传导过程, 包括正常和疾病状态下心肌细胞所处的力--电微环境.其次调研了用于心肌组织工程的先进生物材料的研究现状.最后总结用于基底硬度与应力应变细胞微环境以及细胞电学微环境的构建和调控, 以及细胞对力--电微环境的生物学响应.%      

Biomechanics in cartilage tissue engineering

关节软骨是关节表面具有弹性的承重组织, 其结构复杂, 由固体相和液体相组成. 固体相包括胶原纤维、蛋白多糖等, 属纤维增强型复合结构; 液体相包括水、电解质等.关节软骨提供了一个低磨损和低摩擦的光滑界面, 起缓冲振动和传递载荷等支撑作用. 由于膝关节承受的运动量大、应力高, 关节软骨损伤在临床上较为常见. 但软骨内没有血管, 代谢缓慢, 其损伤后难以实现自我修复. 组织工程从理论上建立了一种治疗软骨缺损的理想方法, 但尚未成为临床上常规的治疗选择. 如何获得结构和功能相匹配, 同时适用于临床治疗的工程软骨, 至今仍是亟需解决的问题.在体外构建功能化工程软骨, 关键在于运用生物反应器对组织施加合适的力学载荷: 首先保证工程软骨复合体内信号分子、营养和废物的有效运输; 其次对支架内种子细胞产生特定的力学刺激; 同时促进细胞外基质结构与功能的适应性发展.本文对力学载荷在软骨组织工程构建中的应用进展加以综述: 按照作用于组织层面的力学载荷传递所需的介质属性, 将其分为液体介导、固体介导和其他媒质介导三种类型, 重点关注不同载荷对工程软骨功能化构建的作用和效果; 分析讨论软骨组织工程构建中存在的关键生物力学问题; 总结和展望软骨组织工程未来的发展趋势.软骨组织工程体外培养需要考虑力学载荷和生化刺激的耦合作用; 在合适的生化条件下进行滚动、滑动和压缩复合加载, 将有利于工程软骨的体外功能化构建.     

软骨组织工程构建中的生物力学

关节软骨是关节表面具有弹性的承重组织, 其结构复杂, 由固体相和液体相组成. 固体相包括胶原纤维、蛋白多糖等, 属纤维增强型复合结构; 液体相包括水、电解质等.关节软骨提供了一个低磨损和低摩擦的光滑界面, 起缓冲振动和传递载荷等支撑作用. 由于膝关节承受的运动量大、应力高, 关节软骨损伤在临床上较为常见. 但软骨内没有血管, 代谢缓慢, 其损伤后难以实现自我修复. 组织工程从理论上建立了一种治疗软骨缺损的理想方法, 但尚未成为临床上常规的治疗选择. 如何获得结构和功能相匹配, 同时适用于临床治疗的工程软骨, 至今仍是亟需解决的问题.在体外构建功能化工程软骨, 关键在于运用生物反应器对组织施加合适的力学载荷: 首先保证工程软骨复合体内信号分子、营养和废物的有效运输; 其次对支架内种子细胞产生特定的力学刺激; 同时促进细胞外基质结构与功能的适应性发展.本文对力学载荷在软骨组织工程构建中的应用进展加以综述: 按照作用于组织层面的力学载荷传递所需的介质属性, 将其分为液体介导、固体介导和其他媒质介导三种类型, 重点关注不同载荷对工程软骨功能化构建的作用和效果; 分析讨论软骨组织工程构建中存在的关键生物力学问题; 总结和展望软骨组织工程未来的发展趋势.软骨组织工程体外培养需要考虑力学载荷和生化刺激的耦合作用; 在合适的生化条件下进行滚动、滑动和压缩复合加载, 将有利于工程软骨的体外功能化构建.      

Measurement of the Dynamic Bulk and Shear Response of Soft Human Tissues

Traditionally, Kolsky bars are used to study the dynamic response of hard materials in uniaxial compression, tension or torsion. We present modifications to the technique that allow loading of a soft tissue specimen in (a) hydrostatic compression and (b) simple shear. The first modification is designed to determine the pressure vs. volume behavior of each material, and thence to extract a measure of the dynamic compressibility or equivalently of the bulk modulus. The second modification is designed to develop the shear stress versus shear strain behavior for a near-simple shear experiment. The critically important questions of the proper acquisition of human tissue samples and protocols for appropriate experimentation have also been addressed. The experimental techniques and the results are discussed in detail and the results compared to finite element simulations. We present examples of the dynamic response of typical tissue simulants as well as human liver and stomach tissues.     

生物组织中的残余应变

本文综述了生物组织中残余应力和残余应变的研究历史和现状,着重分析了心血管系统的残余应变和零应力状态,讨论了残余应变对血管和心脏等器官的力学分析和组织改造的重要意义,并提出了一些有待研究的问题．      

Methods for Examining the Fatigue and Fracture Behavior of Hard Tissues

An understanding of the fatigue and fracture behavior of hard tissues (e.g., bone and tissues of the human tooth) is critical to the maintenance of physical and oral health. Recent studies suggest that there are a number of mechanisms contributing to crack extension and crack arrest in these materials, and that they appear to be a function of moisture and age of the tissue. An understanding of these processes can provide new ideas that are relevant to the design of multi-functional engineering materials. As a result, we have adopted the use of microscopic Digital Image Correlation (DIC) to examine the mechanisms of crack growth resistance and near-tip displacement distribution for cracks in human dentin that are subjected to opening mode loads. We have also developed a special compact tension (CT) specimen that permits evaluation of crack extension within small portions of tissue under both quasi-static and fatigue loads. The specimen embodies a selected portion of hard tissue within a resin composite restorative and enables an examination of diseased tissue, or portion with specific physiology, that would otherwise be impossible to evaluate. In this paper we describe application of these experimental methods and present some recent results concerning fatigue crack growth and stable crack extension in dentin and across the dentin-enamel-junction (DEJ) of human teeth.

A mixed Von Mises distribution for modeling soft biological tissues with two distributed fiber properties

Constitutive modeling of biological tissues plays an important role in the understanding of tissue behavior and the development of synthetic materials for medical and bio-inspired applications. A structural continuum model that incorporates principal structural features of the tissue can potentially provide the link between microstructure and the macroscopic mechanical response of biological tissues. For most soft biological tissues, including arterial walls and skin tissue, the main load-carrying constituent is presumed to be the distributed collagen fibers embedded in a base matrix. It is believed that the organization of the collagen fibers gives rise to the anisotropy of the material. In this paper, a semi-structural constitutive model is proposed to account for planar fiber distributions with more than one distributed planar fiber property. Motivated by histology information of the wing membrane of the bat, a statistical treatment is formulated in this paper to capture the overall effect of the distribution of fiber cross-sectional area and the distribution of the number of fibers. This formulation is suitable for general cases when more than one fiber property varies spatially. Furthermore, this model is a two-dimensional specialization within the framework of a three-dimensional theory, which is different the formulation based on a fundamentally two-dimensional theory.     

Contactless Vibrational Analysis of Transparent Hydrogel Structures Using Laser-Doppler Vibrometry

Experimental Mechanics - Investigating the mechanical properties of biological and biocompatible hydrogels is important in tissue engineering and biofabrication. Atomic force microscopy (AFM) and...     

Stress and displacement fields in soft cylindrical multilayers

Multilayered gels play an important role in biomedical engineering as drug delivery vehicles, replacement tissues and bio-mimetic substrates for cell cultures. It has been established that the gel elasticity strongly influences the intended functionalities. In view of this, second-order elastic solutions for the stresses and displacements in cylindrical multilayered hydrogels subjected to various dilatation profiles are developed in this paper. The results emphasize the importance of nonlinearity in gel mechanics, and suggest the possibility of a rational selection of layer elasticities, layer thicknesses and dilatation profiles for improved mechanical responses such as maximum/minimum swelling and multiaxial stress states.