从生物力学到力学生物学的进展

本文介绍了现代生物力学的发展历程和冯元帧先生的贡献、力学生物学的概念与发展以及我国生物力学的发展历程和力学生物学的研究新进展;思考了从生物力学到力学生物学的进展与现状;展望了我国生物力学学科发展的愿景.     

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.     

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.     

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.     

考虑载荷特性的骨重建力学调控机制

骨组织具有适应变化力学环境的能力.通过分析骨组织适应力学环境的调控机制,吸纳工程强度设计准则思想,提出考虑载荷特性的骨重建力学调控机制,探讨载荷特性对力学激励的影响,对牙槽骨“张力区骨增生和压力区骨吸收”的现象进行分析和数值模拟.结果表明考虑载荷特性的骨重建力学调控机制是合理的,是骨重建力学调控机制理论的补充和完善.     

剪切载荷作用下植物细胞的力学特性分析

根据植物细胞的结构特点,以二维问题为研究对象,在已建立的植物单细胞力学模型的基础上,利用有限元方法和MATLAB计算软件研究了单细胞受到剪切载荷作用时,外力、应力、应变及内压间的相互关系,给出了关系曲线图。得出了在剪切情况下,外力、应力、应变及内压之间的关系是非线性的;细胞内压改变量随外力或细胞变形或细胞壁应力的增加而增加;细胞壁的应力随剪切力的增大而增大;细胞将在哪个方向破裂等6个结论。     

植物细胞力学模型研究进展

植物细胞在结构上具有特殊性, 即细胞壁和胞内物质在力学性质上差异很大. 因此其力学模型的研究具有特殊意义. 植物细胞力学模型是植物组织力学行为的研究基础, 是连接宏观与微观生物力学发展的桥梁, 在农业和食品加工等领域中有重要的潜在应用价值. 本文就目前国际上在细胞力学模型研究中所采用的模型形式和理论分析与数值模拟等方法做较全面而简要的介绍, 并对本领域中存在的现实问题加以论述, 希望能够对我国在细胞力学领域的研究有所帮助.      

发育生物学中模式形成的力学模型

对所有多细胞生物体而言,其个体发育均涉及由初始的单个细胞开始,经过在时间和空间上细胞有序地增殖、凋亡、分化、迁移等诸多过程,并最终生成物种特异的生物模式.对模式形成的机制的探讨一直是发育生物学的中心课题.目前已就这个问题积累了大量的分子生物学、生物化学、数学、力学等多学科的研究数据并提出了一些模式形成的理论,然而,迄今为止,模式形成的真正机制仍然很不清楚而需进一步的深入探索.本文简要介绍了生物发育过程中模式形成的一些典型的力学模型,重点在于力学模型的建立及其模型本身的介绍,而对其数值模拟和具体应用很少涉及.      

基于膜理论的细胞压痕力学模型

基于膜理论和细胞压痕实验,本文提出了一种可用于分析细胞变形的新的力学模型,通过对乳胶球和聚氯乙烯(PVC)球进行宏观压痕试验、理论分析以及与不同细胞压痕试验曲线的比较,验证了细胞力学模型的适用性。同时,利用新模型对单个软骨细胞进行了具体的力学分析,得到了细胞的力学参数、细胞膜表面的应力分布等,为单细胞力学特性的研究提供了一种新思路。     

植物细胞对外加压缩载荷的响应分析

根据植物细胞的结构特点,以二维问题为研究对象,建立了单细胞力学模型。用有限元方法和MATLAB计算软件研究了单细胞压缩时细胞外力与应力、应变及内压间的关系,给出了关系曲线图。数值计算表明在压缩情况下,外力与应力、应变及内压的关系是非线性的。细胞的内压随细胞的应力或应变的增加而增加,在外力施加的开始时刻增加的速度比较慢,但外力增加到一定值以后细胞内压增加的速度急剧增加等 5个结论。     

松质骨拉伸细观分析的实验研究

设计了扫描电镜内专用的加载装置,研究了松质骨受拉时胞体结构的细观力学行为,获得了不同加载条件下的松质骨SEM照片和断口SEM照片,为分析松质骨变形机理和破坏机理提供实验基础,也为同类研究提供有益参考。     

人的密质骨的力学性能

本文把骨组织看作是一种材料和骨骼系统的粘弹性结构元件,评述了它们的力学性能.首先描述了骨的结构,包括宏观结构、微结构和超微结构.随后是骨的力学性能.第三部分介绍了哈弗氏骨的力学模型.笔者指出,单个哈弗氏骨可考虑为正交铺设的胶原纤维增强的粘弹性厚壁筒.最后讨论了哈弗氏骨的应力-应变关系.显然,简单的弹性关系是不可用于实际的.      

松质骨的细观力学研究评述

用细观力学方法分析松质骨的力学性能,研究松质骨的弹性模量、压缩强度与其相对密度之间的关系,这是骨力学的一个重要研究方向．      

松质骨的细观力学研究评述

用细观力学方法分析松质骨的力学性能，研究松质骨的弹性模量、压缩强度与其相对密度之间的关系，这是骨力学的一个重要研究方向．     

人头盖骨微观组织结构及能量吸收机制研究1)

头盖骨对于维持生命安全至关重要。作为一种多孔夹芯结构,头盖骨由密质骨面板和松质骨芯子构成。本文通过头盖骨截面与冲击物相互作用,并基于能量守恒定律分析了人头盖骨能量吸收随着冲击速度的变化规律,给出了头盖骨在不同冲击速度下的破坏形貌图。通过头盖骨截面的失效面积,反映出结构的吸能特性。     

骨的力电性质

骨的力电性质包括两个来源,压电效应和动电现象。骨力电性质的研究是包含力学、物理学、化学、生物学和生理学等多学科的综合性课题。本文分别介绍了骨压电效应和动电现象的基本机理、产生原因、研究方法和研究结果。      

飞行器变后掠过程非定常气动特性形成机理

可变体飞行器变后掠过程中的时变气动力与力矩特性对于飞行安全具有重要意义,是亟待深入研究的基础问题.通过风洞实验对其开展了研究,揭示了可变体飞行器变后掠引起的气动特性动态迟滞现象及滞回环大小与方向的影响因素.基于风洞实验结果和力学中一些重要概念,提出了3种物理效应:流场迟滞效应、附加运动效应、固壁牵连效应,以此定性与定量论证了可变体飞行器变后掠过程中非定常气动特性的形成机理.除了能解释实验现象,这一机理研究亦可用于后续可变体飞行器变后掠过程中的气动特性建模.