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.      

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.     

关节软骨两相多孔介质非线性模型的有限元方法

基于混合物理论的两相多孔介质模型可以准确描述关节软骨的力学行为，关节软骨的渗透率与固体相体积应变相关。本文研究这一模型的非线性有限元法。具体采用伽辽金加权残值法得到有限元平衡方程，编制了有限元程序，进而对关节软骨围限压缩蠕变和应力松弛行为进行了数值模拟。与视渗透率为常数的线性模型的计算结果比较表明，在变形较大时，渗透率随固体相体积应变变化这一非线性效应不容忽视。     

动物关节的力学

一、引言近年来,有兴趣把工程方法用于生物学问题的工程师已致力于研究动物关节的力学。躯体滑膜关节的结构和机能的病理研究本来是适合于工程研究的,因为动物关节的基本功能就是使躯体能够执行运动的基本力学任务。这篇评述介绍一些来自关节运动力学的生物流体力学问题。为此,我们必须先暂时离开本题,介绍活动关节的一些基本的解剖学特点和两种主要关节组织即关节软骨和滑膜液的一些生物流变特      

力敏感受体介导细胞功能调控的力学生物学研究

细胞膜是细胞与外部环境进行物质与能量交换的界面,是调节细胞正常生命活动的重要结构基础.细胞膜上力敏感受体可通过力学作用方式参与并影响细胞的力信号转导等功能.整合素和钙黏素是细胞膜上典型的力敏感受体,可介导细胞与细胞周围基质或邻近细胞发生力学作用,并将力学刺激信号转导为生化信号,进而激活细胞内一系列应答反应,最终影响细胞生长、分化、增殖、凋亡和迁移等功能.力敏感受体介导细胞功能调控研究已成为探索细胞主动响应外界复杂力学微环境的力学生物学机制的关键,为进一步深入认识生理和病理状态下细胞功能变化规律,为揭示疾病的发生、发展机制提供重要的力学生物学理论与实验依据.本文总结了力敏感受体介导细胞功能调控的国内外研究进展;介绍了黏附界面处典型力敏感受体的结构和功能;总结了这些力敏感受体参与的细胞力信号感知与响应的数理模型;概述了细胞通过力敏感受体进行力学信号转导的过程;介绍了黏附介导细胞功能调控的力学生物学过程和机制;简述了体外构建模拟细胞力学微环境中细胞-细胞外基质和细胞-细胞力学相互作用的技术;指出了力敏感受体介导细胞功能调控的力学生物学研究发展趋势和未来方向.     

人体膝关节应力场分析

本文对人体膝关节提出了由不同弹性常数和不同厚度平板形成的组合结构模型.用有限单元法求解.计算结果表观:1)对胫骨平台,最大压应力和最大剪应力都发生在外侧平台上,这与胫骨平台破裂的临床统计结果相符;2)股骨表面上的载荷经过软骨几乎是直接传递给胫骨表面,这个结果证明:软骨并不改变力的传递,它的作用在于提供了小摩擦系数、润滑良好及坚韧的接触面,它保证了关节能在一种保护性的力学环境中灵活运动;3)虽然模型中没有考虑关节润滑液,但从计算结果来看,在股骨—胫骨之间几乎没有产生剪应力,故这种模型是可取的.     

不同载荷下钛合金激光熔覆Ni60/h-BN自润滑耐磨复合涂层的摩擦学性能

为提高钛合金的摩擦学性能,以金属陶瓷Ni60和固体润滑剂h-BN复合合金粉末为原料,采用激光熔覆技术在钛合金表面制备出了以硬质Ti C、Ti B2、Cr B等为耐磨增强相、以h-BN为固体润滑相的自润滑耐磨复合涂层.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析了涂层的显微组织结构及物相;在室温条件下分别在不同载荷(2、5和8 N)下以Si3N4陶瓷球为对偶件测试了复合涂层与基体的干滑动磨损性能,并分析了其磨损机理.结果表明:复合涂层的平均硬度为HV0.21 013.75,约是基体(HV0.2360)的3倍,在所有试验载荷下,复合涂层的摩擦系数和磨损率均比基体的低.随着载荷的增加,涂层的摩擦系数和磨损率均先减小后升高,说明涂层在5 N载荷下显示出最好的自润滑和耐磨性能.     

生物力学进展和趋向(续)

三、运动关节力学运动关节(diarthrodial joint)的功能在于使动物能灵巧地运动肢体。译成力学术语就是:传递载荷,吸收冲击、振动,承受相当高的应力,且运动时摩擦系数很小。L.L.Malcom曾精细地测量过牛肱关节的摩擦系数,在正应力1—20kg/cm~2的范围内,动摩擦系数为0.0025—0.0040,而最好的工程材料的摩擦系数为0.01—0.05,整整差一个量级。      

大推力液体火箭发动机结构中的力学问题

依据大推力液体火箭发动机工作时极端的力热环境状态, 阐述分析了大推力发动机强振动、大静载、多源激励和传递路径复杂的力学特点. 静力学方面介绍了整机结构载荷分析和组件静力学分析方法, 动力学方面介绍了整机低频模型、精细化动力学修正、多源载荷等效等问题的研究情况. 针对发动机典型的部件, 梳理了大推力发动机研制中面临的力学挑战, 包括高温高压燃气摇摆装置、转子动力学、动静干涉流体激振、诱导轮汽蚀振荡、大范围轴向力平衡、超音速涡轮颤振、推力室热疲劳、喷管侧向力载荷、总装管路疲劳断裂等问题, 指出了力学需求和未来研究方向. 最后对发动机结构概率失效分析的现状进行了简要介绍, 为大推力液体火箭发动机研制提供力学支撑.      

冲击载荷作用下材料与结构的响应与防护

冲击载荷作用下材料与结构的响应与防护是固体力学和爆炸力学研究的热点课题,在国防工程和民用防护工程中有着重要的应用背景.本文主要评述了我国武器装备与防护工程常用材料与结构在冲击载荷作用下响应与防护的国内外研究现状与发展趋势,内容涉及材料的动态力学特性、本构关系和结构的变形与破坏等方面,着重探讨了混凝土、钨合金、陶瓷等材料的动态本构特性以及混凝土坑道、舰船等结构的防护作用机理.     

酯基功能化离子液体作为钢/钢摩擦副润滑剂的摩擦学性能研究

合成了含酯基官能团的咪唑类离子液体;研究了其物化性质及热稳定性;通过与非功能化的烷基咪唑离子液体对比,在SRV摩擦磨损试验机上研究了常温及高温条件下酯基功能化离子液体作为钢/钢摩擦副润滑剂的摩擦学性能;用SEM和XPS对磨斑表面进行了分析.结果表明:酯基功能化离子液体具有很高的热稳定性;酯基团的引入使得离子液体的黏度有所增加,导致其在较低载荷下的减摩性能降低,但引入的酯基官能团增强了离子液体对金属表面的化学吸附力,使其抗磨性能显著提高,在高载荷下离子液体分解所产生的活性元素氟与摩擦副表面的金属发生摩擦化学反应,生成以氟化亚铁和氧化铁为主体的边界润滑膜,从而降低了摩擦和磨损.同时发现含有TF₂N^-阴离子的功能化离子液体较含有BF^-₄阴离子的功能化离子液体具有更好的抗磨性能;含有较长N-烷基链的功能化离子液体的抗磨减摩性能较好.     

天然关节软骨与医用不锈钢摩擦磨损行为研究

采用天然关节软骨与不锈钢摩擦副在往复运动试验机上进行关节软骨的摩擦学试验研究,探讨载荷、速度、润滑和作用时间对摩擦磨损行为的影响并分析其作用机理,并对摩擦磨损前后的软骨表面进行分析.结果表明:随着载荷从10 N增至22 N,软骨与不锈钢间的摩擦系数从0.147降至0.117;在同样的润滑和压力下,速度越大软骨和不锈钢的摩擦系数越小;透明质酸溶液可以有效降低软骨与不锈钢之间的摩擦,长时间试验后摩擦系数基本保持在0.23左右.试验后软骨表面出现磨损并伴有大量磨损颗粒,表面有明显的划痕出现,磨粒的粒径大小分布范围较窄,小尺寸的磨粒数目较多.     

金属-碳管复合结构的计算力学研究

系统地研究了金属-碳纳米管复合结构的力学行为,考察了单轴压缩载荷作用下填充管的临界屈曲应变对管内金属原子数目的依赖性,分析了管的几何特征,包括管径、管长及手性,对填充管变形与力学行为的影响,并与连续体力学模型的预测进+行了对比分析.本文的研究结果对金属-碳管复合结构的理论研究和工程应用都具有较好的指导意义.     

高速铁路工程中若干典型力学问题

高速铁路是一个复杂的系统工程,涉及一系列关键力学问题.本文讨论高速铁路工程中的3个关键固体力学问题:高速铁路轮轨滚动接触力学问题、高速列车关键结构部件疲劳问题和高速列车与线路结构动态相互作用问题;概述了其研究进展与工程应用;提出了今后进一步结合高速铁路工程需求的研究方向.     

ACL单束/双束重建对多屈曲角位姿的胫股关节力学特性影响

进行膝关节的轴移仿真, 在证实了单例个体膝关节的重建模型能反映不同重建术后膝关节力学特性有效性的基础上, 应用SONATA MAESTRO 1.5T扫描得到的屈曲角位姿为0°/25°/60°/80° 的膝关节MRI图像数据, 建立了对应屈曲角的正常/ACL(anterior cruciate ligament)单束/双束重建胫股关节3D模型, 通过对该系列关节模型施加轴向压力与压扭载荷, 来分析多屈曲角度位姿的ACL单束/双束重建法对胫股关节软骨、半月板和韧带应力分布影响及韧带张力特性影响. 结果表明: (1) ACL单束/双束重建关节的软骨与半月板上的应力分布改变跟屈曲角度相关, 某些角度位姿下软骨应力分布改变显著; (2) 单束重建关节的软骨和半月板上的最大等效应力有较明显的增大, 最大增幅达40%左右; 双束重建关节在各屈曲角位姿下软骨和半月板上的最大等效应力值更接近于正常关节; (3) ACL单束重建虽降低了PCL(posterior cruciate ligament)的最大等效应力值, 却使高屈曲角位姿的内侧/外侧副韧带等效应力明显增大; 双束重建后MCL(medial collateral ligament)上的最大等效应力随屈曲角的变化明显, 但LCL(lateral collateral ligament)和PCL的最大等效应力随屈曲角度的变化趋势与正常关节相一致性; (4) 单束/双束重建后MCL上平均张力要高于另外两条韧带, 而双束重建的韧带张力特性比单束重建更接近于正常关节. 总之, 综合ACL重建后软骨、半月板和3条韧带随屈曲角度的等效应力分布、张力变化等多种特性表明: ACL双束重建的胫股关节力学特性比单束重建更接近于正常关节, 且无论ACL单束还是双束重建, 都引起术后关节软骨与韧带上应力分布变化与等效应力峰值增大, 这将是诱发术后关节慢性退变与膝关节并发症的根源.     

THE EFFECT OF THE ACL SINGLE-BUNDLE/DOUBLE-BUNDLE RECONSTRUCTION ON THE BIOMECHANICS OF TIBIO-FEMORAL JOINT AT DIFFERENT FLEXION ANGLES 1）

进行膝关节的轴移仿真,在证实了单例个体膝关节的重建模型能反映不同重建术后膝关节力学特性有效性的基础上,应用SONATA MAESTRO 1.5T扫描得到的屈曲角位姿为0°/25°/60°/80°的膝关节MRI图像数据,建立了对应屈曲角的正常/ACL（anterior cruciate ligament）单束/双束重建胫股关节3D模型,通过对该系列关节模型施加轴向压力与压扭载荷,来分析多屈曲角度位姿的ACL单束/双束重建法对胫股关节软骨、半月板和韧带应力分布影响及韧带张力特性影响.结果表明：（1）ACL单束/双束重建关节的软骨与半月板上的应力分布改变跟屈曲角度相关,某些角度位姿下软骨应力分布改变显著;（2）单束重建关节的软骨和半月板上的最大等效应力有较明显的增大,最大增幅达40%左右;双束重建关节在各屈曲角位姿下软骨和半月板上的最大等效应力值更接近于正常关节;（3）ACL单束重建虽降低了PCL（posterior cruciate ligament）的最大等效应力值,却使高屈曲角位姿的内侧/外侧副韧带等效应力明显增大;双束重建后MCL（medial collateralligament）上的最大等效应力随屈曲角的变化明显,但LCL（lateral collateral ligament）和PCL的最大等效应力随屈曲角度的变化趋势与正常关节相一致性;（4）单束/双束重建后MCL上平均张力要高于另外两条韧带,而双束重建的韧带张力特性比单束重建更接近于正常关节.总之,综合ACL重建后软骨、半月板和3条韧带随屈曲角度的等效应力分布、张力变化等多种特性表明：ACL双束重建的胫股关节力学特性比单束重建更接近于正常关节,且无论ACL单束还是双束重建,都引起术后关节软骨与韧带上应力分布变化与等效应力峰值增大,这将是诱发术后关节慢性退变与膝关节并发症的根源.     

固体力学发展与重大工程应用专题序

作为力学的分支学科之一,固体力学一直伴随着工程技术的进步而发展;同时,固体力学理论和方法的发展为工程建设提供了重要保障并促进了技术创新。 近年来,我国的重大工程建设以前所未有的态势蓬勃发展,包括高层建筑、江河大坝、大型隧道、大型桥梁、高速公路、高速铁路和海洋平台等等。这类重大工程的结构动力响应及其承载容限是必须要给予解答的基本问题。 随着工程结构的大型化（如更高的高层建筑、更大的桥梁跨度和更大的隧道截面等）、复杂化（如多种环境因素耦合的载荷作用等）和受载动力的高速化（如更快的车行速度等）,大型结构工程的设计和建设不断解决了新的科技问题,同时也不断面临新问题的挑战。 作为以刊登评述文章为主的期刊,《力学进展》特别关注力学在重大工程中可能发挥的引导作用。不久前,《力学进展》编委会讨论议定：以“固体力学发展与重大工程应用”为专题,邀请这方面有造诣的专家撰写相关的评述文章。在本期里,我们先选登《高速铁路工程中若干典型力学问题》,《轻质夹层材料的制备和振动声学性能》和《爆炸与冲击动力学若干问题的研究进展》等3篇文章,以后我们将再陆续刊登这方面的文章。 我们期望,本专题以及《力学进展》的相关文章,能够给读者提供反映相关重大工程与固体力学研究耦合互动的新进展,并起到促进我国重大工程建设发展的作用。这亦是《力学进展》的重要宗旨之一。     

步态条件下人工膝关节线接触弹流润滑分析

参照关节模拟试验机的运动和力学参数,利用多重网格技术对人工膝关节摩擦副进行了1个步态周期仿人体环境线接触弹流润滑仿真,关节支承表面的弹性变形按半无限体计算.同时,观察了几种参数对流体压力分布和膜厚形状的影响.结果表明:在1个步态周期内,中心压力与载荷变化基本相同,且等效曲率半径的变化会引起中心压力的跳跃.站立相时在卷吸和挤压膜效应的共同作用下,中心膜厚呈逐步减小并伴随着波动;摆动相时,载荷固定,膜厚的变化主要与卷吸速度有关.减小胫骨平台曲率半径有助于提高滑液膜厚度;延长步态周期的时间,会使滑液膜厚减小.     

CD44-配体相互作用的生物力学与功能调控

作为一种广谱表达的细胞粘附分子, I型跨膜糖蛋白CD44(cluster of differentiation 44)参与细胞增殖、分化、迁移, 血管生成等生物学过程,对于介导细胞信号转导, 调节组织稳态等功能具有关键作用. 特别地,CD44-选择素、CD44 -透明质酸相互作用介导的细胞粘附动力学在经典炎症反应、肿瘤转移或组织特异的肝脏免疫中具有重要作用.该综述分别从细胞层次粘附动力学、二维与三维条件下的分子层次反应动力学、原子层次微观结构以及胞内信号转导通路等方面综述了CD44 -选择素、CD44 -透明质酸相互作用的研究进展及尚待回答的生物力学问题.力学、物理因素对生命活动的不可或缺性逐渐被研究者们接受,力学医学、力学免疫学、力学组学等新概念相继提出. 生理、病理条件下,CD44 -配体相互作用介导的细胞粘附必将受到血流剪切、基底硬度等力学、物理微环境的调控,但是其调控机制还远不清楚. 基于此,本文就CD44 -配体相互作用相关的未来研究方向做出展望, 主要包括:力学、物理因素如何调控CD44 -配体相互作用介导的细胞粘附动力学及其内在机制;CD44 -配体相互作用反应动力学的力学调控规律及结构基础是什么;以及力学作用下CD44 -配体相互作用原子层次的微观结构如何发生动态演化.本文可为深入理解CD44 -配体相互作用的生物学功能及其结构功能关系提供线索.      

第四届全苏理论与应用力学大会液体与气体力学大组会内容简况

大会于1976年5月21—28日在基辅由苏联理论与应用力学全国委员会和乌克兰科学院联合召开。大会工作分一般力学与应用力学、液体与气体力学、可变形固体力学三个大组进行。在液体与气体力学大组中,分9个小组在会议上宣读了122篇报告。Л.И.谢道夫在全体会上的报告《连续介质力学的发展方向和问题》,在很大程度