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．     

生物力学与骨组织工程

组织工程是生物工程中的一个重要部分,是多学科交叉而形成的新兴工程技术学科．从生物力学角度研究组织工程有特殊意义,因为生物力学在生长、重建和成形方面发挥着极其重要的作用,而组织工程需要这些知识来研究和制造组织．文章介绍了组织工程的概念和生物力学的作用,主要讨论骨的生长、重建、成形和骨的组织工程中的一些重要问题      

均匀化理论及其在生物力学中的应用

在线弹性理论的范围内,简要介绍了新近发展起来的均匀化理论（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙ）,并引入了误差分析方面的一些研究成果．由于均匀化理论可以详尽地考虑材料的微观结构,在生命器官组织的细观力学研究中会起到推动作用．作为应用实例,本文介绍了均匀化理论在密质骨力学性能的数值模拟中的应用．      

青鱼鳍骨、肋骨和鳃盖骨微观结构与力学性能的比较研究

本文从材料学角度定量分析了青鱼鳍骨、肋骨、鳃盖骨的微观结构、成分及力学特性。利用电子显微镜观察了鳍骨、肋骨、鳃盖骨的微观结构;通过X射线衍射、电镜能谱以及煅烧的骨灰综合分析,探讨了青鱼鳍骨、肋骨、鳃盖骨的有机、无机成分之间的密切联系;进行了青鱼鳍骨、肋骨、鳃盖骨的拉伸实验;利用显微硬度计对干、湿状态下的鳍骨、肋骨、鳃盖骨进行了硬度测试。结果显示,鳍骨无机物含量较多,鳃盖骨有机物较多,肋骨介于两者之间;矿化胶原蛋白束在鳍骨中的排列非常规则,在鳃盖骨中排列不是很规则,在肋骨中排列较规则;鳍骨中矿化胶原纤维束间孔洞非常少,骨质密实,而在腮盖骨中孔洞很多,骨质稀疏;干的鱼骨显微硬度均大于湿的鱼骨。结论是,鳍骨、肋骨、鳃盖骨的微观结构、成分及力学特性存在差异,其中鳍骨的力学性能明显强于鳃盖骨,肋骨介于二者之间,水份对青鱼鳍骨、肋骨、鳃盖骨的硬度有明显的影响。     

J.L.KATZ教授在成都和西安作生物力学学术报告

美国纽约伦塞勒工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)生物医学工程中心和物理系主任,生物力学杂志编委,J. Lawrence Katz教授应成都科技大学副校长康振黄教授的邀请,于1982年9月26日至10月14日先后访问了北京、成都和西安。9月28日至10月9日在成都科技大学连续作了八次报告。题目是:1.骨的结构.2.骨的粘弹性理论,3.超声波在骨中的传播(一),4.超声波在骨中的传播(二),5.骨的复合材料模型,弹性和粘弹性,6.骨的声发射,7.与骨直接粘合的生物材料,8.骨的声扫描;回顾与展望。10月12日在西安作了题为“骨的结构与声发射      

骨陷窝--骨细胞形状和方向对骨单元内液体流动行为的影响

骨组织内的流体流动不仅为骨细胞的生存提供了充足营养供应及代谢物排放途径,也在骨重建过程中起到关键作用.为了更精确地阐明骨内液体流动的具体形式,这项研究利用骨陷窝-骨细胞的密度,形态和方向等参数来计算骨单元内液体的流动行为.首先,计算出不同形状和方向的骨陷窝周围骨小管的数量及分布情况,其次利用算出的参数以及骨组织其他微结构数据来估计骨组织的渗透率和孔隙率等参数,最后根据计算所得的参数建立骨单元的多孔弹性力学有限元模型,并分析了在轴向位移载荷作用下骨陷窝形状和方向对骨单元内液体渗流行为的影响.结果表明,在所研究的参数范围内不同骨单元模型的相同区域上,骨陷窝形状影响下的骨单元最大压力和流速比最小的分别增加了86%和18%;骨陷窝方向影响下的最大压力和流速比最小的分别增加了125%和56%.伸长形骨陷窝对单个骨单元局部压力的影响远大于扁平形和圆形骨陷窝.骨陷窝从0°绕x轴旋转到90°过程中压力是逐渐降低的,且30°,45°和60°的模型对骨单元内局部流速有显著影响.该模型表示骨陷窝的形状和方向以及骨小管的三维分布对骨单元内液体压力和流速幅值及沿不同方向的流动差异有显著的影响.这项研究将有助于精确量化描述骨内液体的流体行为.     

骨陷窝-骨细胞形状和方向对骨单元内液体流动行为的影响

骨组织内的流体流动不仅为骨细胞的生存提供了充足营养供应及代谢物排放途径,也在骨重建过程中起到关键作用. 为了更精确地阐明骨内液体流动的具体形式,这项研究利用骨陷窝-骨细胞的密度,形态和方向等参数来计算骨单元内液体的流动行为. 首先,计算出不同形状和方向的骨陷窝周围骨小管的数量及分布情况,其次利用算出的参数以及骨组织其他微结构数据来估计骨组织的渗透率和孔隙率等参数,最后根据计算所得的参数建立骨单元的多孔弹性力学有限元模型,并分析了在轴向位移载荷作用下骨陷窝形状和方向对骨单元内液体渗流行为的影响. 结果表明,在所研究的参数范围内不同骨单元模型的相同区域上,骨陷窝形状影响下的骨单元最大压力和流速比最小的分别增加了86%和18%;骨陷窝方向影响下的最大压力和流速比最小的分别增加了125%和56%. 伸长形骨陷窝对单个骨单元局部压力的影响远大于扁平形和圆形骨陷窝. 骨陷窝从0°绕$x$轴旋转到90°过程中压力是逐渐降低的,且30°,45°和60°的模型对骨单元内局部流速有显著影响. 该模型表示骨陷窝的形状和方向以及骨小管的三维分布对骨单元内液体压力和流速幅值及沿不同方向的流动差异有显著的影响. 这项研究将有助于精确量化描述骨内液体的流体行为.      

胶原对生物组织的增强作用

胶原纤维对生物组织起一种拉伸增强作用．它们的功能可用三种组织的性质来说明：腱、关节软骨和椎间盘．腱在人体的关节周围将肌肉与骨连接在一起．关节软骨覆盖在大部分关节骨的端部表面，椎间盘则连接着脊椎骨使得它成为一种柔性结构．增强度β由组织中胶原的体积分量所定义和确定．增强效应系数η，则依赖于纤维的取向．在键中纤维是波形的．腱的变形的第一步主要是拉直波形纤维以增加η值．其结果是，当应变在低应变值时，应力会迅速增加．当波形纤维被拉直时，η＝１．关节软骨足以支持着外加的压缩是因为它本身具有高的内部膨胀压力．胶原纤维能增强组织则是因为它们的取向使得它们的应变适于这种压力．椎间盘大致是柱状的，它们由内核区和包围内核的环状结构组成．这些环状结构由胶原层组成，每一层内的胶原纤维是平行的，但都与脊椎轴倾斜成一定角度．扭转和弯曲牵伸一些纤维，这种纤维增强了椎间盘．由于不是所有的纤维被牵伸，故所施的压力并不是均匀分布的．于是，扭转和弯曲是潜在的损伤力．椎间盘的压缩使所有的纤维受力．外部压缩会损伤脊椎的骨头而无损于环状结构．     

骨疲劳损伤研究

和所有人造的结构材料一样，骨在重复载荷作用下也会发生疲劳 断裂.近年来,在骨疲劳损伤领域的研究已取得较大发展.本文综述了骨 疲劳损伤的一些共同性研究课题,重点包括骨疲劳损伤的特性,基于骨疲 劳微裂纹的损伤评估模型及骨疲劳行为的实验研究结果等.最后提出要 更好理解骨疲劳损伤,修复和再生行为仍然有大量的研究工作需要开展.     

一种骨小管中液体流动产生的流量及切应力模型

骨组织受力变形后其内部液体就会流动,同时在其微观结构——骨单元壁中扩散,并进一步产生一系列与骨液流动相关的物理效应,如流体剪切应力、流动电位等,这些物理效应被细胞感知并做出破骨或成骨等反应,来使骨适应外部载荷环境.鉴于骨组织产生的内部液体流动很难实验测定,理论模拟是目前的主要研究手段.基于骨单元的多孔弹性性质建立了骨小管内部液体的流动模型,该模型将骨单元所受的外部载荷与骨小管内部液体的压力、流速、流量和切应力联系起来,并进一步可以研究其力传导与力电传导机制.骨小管模型的建立分别基于中空和考虑哈弗液体的骨单元模型,并考虑了骨单元外壁的弹性约束和刚性位移约束两种边界条件.最终得到骨单元在外部轴向载荷作用下,骨小管内部液体的流量及流体切应力的解析解.结果表明:骨小管中的液体流量与流体切应力都正比于应变载荷幅值和频率,并由载荷的应变率决定.因此应变率可以作为控制流量和流体切应力的一种生理载荷因素.流量随着骨小管半径的增大而非线性增大,而流体切应力则随着骨小管半径的增大而线性增大.此外,在相同的载荷下,含哈弗液体的骨单元的模型中,骨小管中液体的流量和切应力均大于中空骨单元模型.