摘要:

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摘要:新型冠状病毒肺炎自爆发以来，已成为全球关注的焦点。由于疫情来势迅猛，给医疗制度体系、医疗资源、应急处置、医疗器械等提出了严峻的挑战，也暴露出其中诸多不足。以病毒的体外活性规律研究、气溶胶传播的生物力学问题、呼吸性疾病对心血管疾病影响的研究、公共交通和公共场所中通风方式的改进、医疗器械的生物力学研究为例，应用生物力学的原理、观点和方法，认识和剖析其中所存在和亟待改进的问题，期望生物力学能在疫情防控中发挥学科优势和力量，以此促进生物力学学科发展。

摘要:目的 探讨汽车在正面碰撞过程中，约束系统误用对乘坐于后排的6岁儿童乘员头颈部损伤的影响。方法 基于已验证的6岁儿童有限元模型，根据ECE R44法规进行加载，在Pam-Crash软件中模拟正确以及错误使用约束系统下的汽车正面碰撞。结果 仅使用增高垫时，儿童颈部作用力、力矩最小，但最大颅内压力、最大应力、脑组织最大主应变远大于其损伤阈值，会导致儿童头部产生致命的脑损伤；仅使用成人三点式安全带时，儿童颈部作用力、力矩最大，会对儿童颈部造成严重损伤。结论 两种错误使用约束系统的方法加重了6岁儿童头部和颈部的损伤，只有正确使用约束系统，才能对6岁儿童头颈部起到最好的保护效果。

摘要:目的 根据全膝关节置换术后康复训练中的按压需求，针对曲面肢体设计一种基于3D打印支具的精准加压装置，并通过有限元分析验证该装置的有效性和安全性。方法 以下肢小腿腓肠肌部为加压对象，设计由气压发生模块、充气气囊和3D打印支具所构成的曲面肢体精准加压装置，通过闭环控制算法在气囊内实现不同气压值，然后采集在各个实验条件下的“气囊-皮肤”接触面的压力分布数据，再应用仿真软件将压力分布数据作用于CT图像重建出的下肢生物力学三维模型，最后得到各个实验条件下的有效按压面积分数和关节微动角度，从而判断系统的有效性和安全性。结果 采用优选的4 cm偏移量和四压条气囊形态的方案，在5.32、6.65、7.98、9.31、10.64 kPa不同囊内压强下，分别仿真得到膝关节综合微动角度为5.3°、6.1°、7.2°、9.5°、10.6°，有效按压面积分数可达90-8%～95-2%。结论 在优选方案下，不同囊内压强设置值所导致的关节微动角度和有效按压面积分数综合最优，满足有效性和安全性的设计目标。研究结果有助于分析加压系统对肢体的生物力学影响，对全膝关节置换术后安全有效地进行康复训练具有重要的意义。

摘要:目的 建立家兔静脉动脉化模型，探讨静脉动脉化前后以及动静脉之间力学参数差异。方法 24只家兔随机分成实验组12只、对照组12只。实验组家兔完成静脉动脉化模型的建立，使得静脉桥中流过动脉血，造模完成后术后4 周取下静脉桥。同时获取对照组家兔单侧颈外静脉和颈总动脉，三者同时完成充压拉伸力学测试，并采用HE染色和免疫组织化学技术观察。结果 24只家兔无死亡，静脉桥内均血流通畅。随着血管内升压，血管外径变化规律均为先变化而后稳定于某一固定值附近；静脉弹性比动脉更差，静脉血管外径随着血管内升压快速增大并达到其弹性极值；相较而言，动脉血管外径则是缓慢增大。HE染色显示，静脉血管的管壁厚度更薄；静脉动脉化后其管壁厚度增加。静脉动脉化后增殖细胞抗原（proliferating cell nuclear antigen, PCNA）及α-actin阳性表达，证实平滑肌细胞出现增殖，静脉血管桥出现再狭窄趋势。移植入动脉系统后的静脉弹性较移植前有所提升。结论 伴随血管内升压，相较动脉，静脉更快地达到其弹性极限，长期处于高压状态下的静脉内膜易因此受损；静脉动脉化后，随着静脉内膜的逐渐增厚，血管腔再狭窄的趋势逐渐明显，其弹性较移植前有所提升。

摘要:目的 通过构建计算机仿真模型分析全身麻醉引起的体温调节系统损伤和手术室低温环境对个体化病人围手术期体温调节的影响。方法 开发一个麻醉模型，通过降低基本代谢率、皮下血管收缩和骨骼肌颤抖的阈值来模拟麻醉效果，并耦合到作者建立的“皮肤-体核”二节点体温调节模型中。该模型可通过设置骨骼肌颤抖产热、出汗、及皮下血管舒缩能力的强弱模拟年龄衰老导致的热调节能力损伤，设置不同脂肪厚度模拟肥胖以及设置心血管模型参数模拟不同的心血管疾病，进而计算分析这些个体化特征对低温麻醉条件下体温调节的影响。结果 在低温环境下，与年轻人相比，老年人体核温度较低，体表温度较高。脂肪厚度增加或左心室功能衰竭加重，都有可能缓解低温环境中体核温度下降。风速或相对湿度增加会导致体核温度降低。当麻醉引起的血管收缩阈值降低0-5～3 ℃时，会引起体核温度显著降低。结论 通过对比模型预测与实验测量的结果，验证了该模型的可靠性。身体的个体化特征对低温环境下人体温度调节具有重要影响。个体体征与全身麻醉结合进一步复杂化了人体的体温调节，给临床医师带来巨大挑战。

摘要:目的 基于合理假设，推导冠脉支架位移及应力分布解析解；结合有限元分析结果，探究支撑筋数目对其应力的影响。方法 利用弹性力学理论推导出矩形波型冠脉支架一个周期支撑筋在血管收缩压作用下的位移和应力分量解析解；利用ANSYS有限元分析软件建立支架支撑筋模型，求解得到应力数值分析结果。分析两种方法应力曲线的一致性，验证解析解正确性和适用性；再利用解析解探究支撑筋波峰数量对收缩压作用下应力的影响。结果 解析解与数值解应力曲线一致性极强；波峰数为6时，横杆环向既有拉应力又有压应力。结论 波峰数为6的支架在血管中支撑时，能有效避免血管中再狭窄情况的发生。推导的解析解能适用于分析矩形波型支架1个周期支撑筋的力学性能，研究结果为深入认识和研究冠脉支架的应力分布以降低介入治疗再狭窄率提供一种新思路。

摘要:目的 比较不同区域巩膜力学特性的差异。方法 以健康家猪眼为材料，将巩膜分为前部、赤道部和后部3个区域，对整体眼球巩膜的不同区域分别进行局部压痕；沿赤道方向对不同区域巩膜进行环切，制成条带状试件，采用INSTRON 5544材料试验机进行单轴拉伸。结果 正常生理载荷范围内，局部压痕法测得巩膜前部、赤道部、后部的刚度分别为(0.91±0.21)、(0.6±0.16)、(0-39±0.13) MPa；单轴拉伸测得巩膜前部、赤道部、后部的弹性模量分别为(1.28±0.37)、(0.95±0.31)、(0.72±0.28) MPa。结论 局部压痕法能够反映巩膜的区域性力学特性；巩膜前部相比赤道区域及后部具有更强的刚度。实验结果为进一步探讨近视等眼部疾病的发病机理提供参考。

摘要:目的 探究伴偏斜对下颌前突患者颞下颌关节（temporomandibular joint，TMJ）应力分布的影响。方法 在Mimics中建立4名下颌前突伴偏斜患者和4名下颌前突不伴偏斜患者的三维颌面部模型，在ABAQUS中赋予模型偏侧咬合（单侧磨牙咀嚼）的肌肉力与边界条件，分析偏侧咬合工况下患者TMJ的最大和最小主应力。结果 偏侧咬合工况下，伴偏斜患者髁突的平均最大应力显著大于不伴偏斜患者（P<0-05），伴偏斜会使髁突处应力增加2～3倍，关节窝应力增加5～7倍，且伴偏斜患者中颞下颌关节紊乱综合征(temporomandibular disorder，TMD)患者同侧TMJ处的应力高于无TMD患者。结论 伴偏斜会增大患者髁突和关节窝的应力，TMD会引起伴偏斜患者同侧TMJ的高应力。建议根据偏斜与否考虑下颌前突的治疗。

摘要:目的 探究凹凸界面对体外培养的小鼠胚胎干细胞多能性维持的影响。方法 制作凹凸不同的细胞外基质培养小鼠胚胎干细胞，观察细胞的克隆形态，并通过免疫荧光和碱性磷酸酶（alkaline phosphatase,ALP）染色，检测胚胎干细胞的多能性。结果 在凹面和凸面基底上，胚胎干细胞的立体度和圆度均比平面基底高，但凹面基底更明显。凹面和凸面基底上干细胞的Oct4-GFP表达含量和ALP染色强度均明显高于平面基底，其中凹面基底更为显著。结论 与平面基底相比，凹面基底和凸面基底均对胚胎干细胞的多能性维持有积极影响，能够有助于维持全能性，但凹面基底效果更好。通过改变细胞外基质曲率，可以帮助胚胎干细胞体外培养维持多能性。研究结果对胚胎干细胞的研究和临床应用有重要意义。

摘要:目的 探究血管性血友病因子（von Willbrand factor, vWF) A1、A3结构域间的相互作用及A3的2 M型突变W1745C对A3/A1热稳定性和机械稳定性的影响。方法 A1、A3的晶体结构取自PDB数据库，首先通过柔性对接获得WT-A3/A1(野生型)复合物结构；再利用计算机突变技术构建W1745C-A3/A1复合物体系；最后采用拉伸分子动力学模拟，观察接触面氢键和盐桥的形成与演化，对比分析WT-A3/A1与W1745C-A3/A1在复合物构象、解离力和解离时间的差异。结果 WT-A3/A1接触面之间存在5对生存率大于0-2的氢键和1对生存率大于0-5的盐桥；W1745C-A3突变提高了结合面氢键的生存率并增加1对稳定盐桥，从而能够抵抗更大的拉伸力，延缓A1/A3的解离。结论 vWF分子内部A1与A3的相互作用阻碍A1与血小板的结合，而W1745C-A3突变则强化这种分子内部的相互作用，降低A1对血小板的亲和力。研究结果为深入揭示临床中突变导致的血管性血友病的分子机制及相应药物研制提供参考。

摘要:目的 从力学生物学角度研究渗透压对未成熟树突状细胞（immature dendritic cells, imDCs）生物力学特性和免疫功能的影响。方法 不同渗透压处理imDCs后，CCK-8检测细胞存活率，激光共聚焦显微镜观察细胞骨架结构的变化，细胞电泳仪检测细胞电泳迁移率的改变，荧光偏振法检测细胞的膜流动性，实时荧光定量PCR检测免疫相关分子的表达变化，流式细胞仪检测细胞的抗原吞噬能力。结果 高、低渗均会改变imDCs的F-actin结构，甚至诱导细胞凋亡。低渗组电泳率显著高于等渗组，高渗组电泳率低于等渗组(P<0-05)。荧光偏振结果显示，高、低渗均会显著降低细胞的膜流动性（P<0-05）；qPCR结果发现，高、低渗会显著上调imDCs免疫表型分子CCR7、CD40、CD205、CD11a、CD11c的表达和抗原吞噬能力（P<0-05）。结论 高、低渗应激会影响imDCs生物力学特性和免疫表型分子表达，研究结果对深入理解DCs的免疫调节功能具有重要意义。

摘要:目的 探索在生理载荷诱导下骨内液流刺激信号在不同尺度上的传导行为。方法 利用COMSOL Multiphysics软件建立多尺度三维有限元模型，从宏观-细观-微观不同尺度分析孔隙压力和流速在不同尺度上的变化规律。结果 在宏细观尺度上，靠近骨外膜和骨内膜处骨单元内的压力和流速分布与其他部位的骨单元有明显不同；在细微观尺度上，由于不同尺度的结构和材料参数差别较大，载荷和流体压力在由宏观传递到微观的过程中会引起不同的生物力学响应。结论 对骨组织进行骨结构-骨单元-骨陷窝-骨小管的多尺度分层建模，为更深层次理解骨内液流信号传递和力传导提供理论参考。

摘要:目的 研究5种不同空间构型空心螺钉对股骨颈骨折固定效果的影响。方法 将股骨CT图像通过逆向重建获得Pauwels Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型股骨颈骨折几何模型。基于有限元分析软件ANSYS，获取不同内固定方式下内固定物与股骨颈头侧、干侧的应力分布，以及模型的位移分布。结果 对于Pauwels Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型股骨颈骨折，倒三角置钉、两根平行钉、两根平行钉固定方式下股骨颈头侧应力峰值分别最大；倒三角置钉、倒三角置钉、两根平行钉固定方式下股骨颈干侧应力峰值分别最大，交叉置钉固定方式下内固定物应力峰值最小，强斜置钉固定方式下位移峰值最小。结论 交叉置钉的固定方式螺钉变形断裂几率最小，倒三角置钉固定方式可为骨折处提供良好的力学环境。对于Pauwels Ⅰ、Ⅲ型骨折，强斜置钉固定方式预防股骨颈短缩的能力最强；而对于Pauwels Ⅱ型骨折而言，交叉置钉固定方式预防股骨颈短缩的能力最强。

摘要:目的 探究锁定螺钉的头部角度以及锁定次数对钉板系统力学性能的影响，为医生在临床手术过程中选用适当锁定螺钉和把控锁定次数提供理论依据。方法 选用具有不同头部角度的锁定螺钉与同种接骨板配合，并进行不同次数的锁定，通过悬臂弯曲试验，比较各组试件力学性能的差异。结果 头部角度不同的锁定螺钉与锁定加压接骨板配合后的失效载荷与抗弯刚度存在显著性差异（P<0-05），锁紧程度最佳的钉板系统的力学性能最优；钉板配合进行3次锁定与进行1次锁定之间显著性差异不明显（P>0-05）；不同头部角度锁定螺钉在不同锁定次数情况下的螺钉失效形式存在差异，锁定螺钉失效形式与其头部角度以及锁定次数正相关。结论 头部角度不同的锁定螺钉与锁定加压接骨板配合后力学性能的差异性不容忽视，医生在临床过程中选用锁紧程度最佳的锁定螺钉与锁定加压接骨板，并选用合适扭矩的限力扳手酌情进行多次锁定，避免螺钉松动影响患者康复。

摘要:目的 研究《灵枢》卷首《九针十二原》针刺补泻法对小型猪皮下组织液压（interstitial fluid pressure，IFP）的作用，探讨其调节组织液的生物力学机制。方法 在9只健康实验用小型猪腹部随机取点行补法（提/按法）和泻法（摇大针孔），观察正常状态（normal state,NS）、抽取组织液的低组织液量（low volume, LV）状态和注入生理盐水的高组织液量（high volume, HV）状态下针刺前后IFP。结果 NS下提/按法可极显著升高IFP；泻法可极显著降低IFP，针后5 min泻法组IFP降低较快。LV 状态提/按法均能升高IFP，针后10 min二者IFP下降较慢。HV状态下泻法可极显著降低IFP，针后5 min与对照组变化趋势不同。结论 该补泻法可升高或降低IFP，证明其对IFP有相反方向的调节作用。研究结果为针灸临床使用补泻手法提供新的科学依据。

摘要:目的 研究帕金森病静止性震颤特征与人体反应迟缓的内在联系。方法 结合上肢腕关节的动力学建模，研究腕关节内外翻方向自由度运动特征。引入人体自主控制环节，以控制系统的时滞概念模拟帕金森患者反应延迟特性，进行人体腕关节不自主运动的稳定性分析和动力学响应。结果 通过时滞系统稳定性分析和数值求解，发现当反应延迟一定程度时，帕金森患者的腕关节将发生不自主震颤，与帕金森患者静止性震颤病症契合。结论 帕金森病静止性震颤属于神经系统感觉和动作延迟引起。

摘要:膝关节前交叉韧带损伤是临床常见的严重影响膝关节稳定性的运动性损伤。尽管前交叉韧带重建（anterior cruciate ligament reconstruction，ACLR）可以修复韧带结构，但却无法恢复膝关节正常的运动学与动力学。近年来，利用运动分析评估ACLR术后疗效是运动医学及康复医学领域的研究热点。目前运动分析主要应用于ACLR术后疗效评价、个性化康复方案制定，也是探讨ACLR术后继发性损伤和早发性骨性关节炎潜在危险因素的科学客观工具。未来ACLR术后的运动分析更多关注于优化手术方案和康复治疗方案。回顾近10年ACLR术后膝关节运动分析的观察性研究和随机临床试验，介绍光学运动捕捉和双平面透视追踪在ACLR术后运动分析中的应用进展。临床研究表明，无论选择何种移植物和术式重建前交叉韧带，术后膝关节在功能任务中仍表现出异常的运动学特征，但术后膝关节生物力学的改变与早发性膝关节骨性关节炎的关系仍不清楚。恢复膝关节的旋转稳定性是临床ACLR手术最大的挑战之一。未来研究应通过合理的研究设计与长期随访，探讨ACLR对膝关节生物力学机制的影响，帮助临床医生和物理治疗师制定更有效的干预措施。

摘要:简述硬度的可控性及其控制方法、不同硬度调控间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）分化的相应方向和整合素在硬度调控MSCs分化的信号通路中的作用。其中，重点说明整合素在硬度调控MSCs分化的信号通路中的作用。硬度调控MSCs分化的信号通路包括：Rho/ROCK信号通路、整合素/FAK信号通路、ERK信号通路、 JNK信号通路、Wnt-β-catenin信号通路和PI3K/Akt信号通路等。而整合素作为跨膜异二聚体糖蛋白，参与部分信号通路传递力学信号给MSCs。不同的整合素家族参与不同的信号通路来调控MSCs向不同方向分化，且这些信号通路间存在相互影响。研究结论为组织修复、器官再造和再生医学等方面的应用提供理论依据。

摘要:衰老是骨关节炎（osteoarthritis, OA）和骨质疏松等疾病的主要影响因素。然而，它们并不是衰老的必然结果，而且与衰老有关的骨和软骨的变化与疾病发展之间的关系尚不清楚。研究表明，骨关节炎的发生和发展并不是简单的软骨磨损过程，它的发生包括整个关节各组织复杂的生物、化学和力学变化，特别是软骨和软骨下骨之间生化和力学的相互作用。衰老促成OA的发生和发展，但并不是直接导致OA的原因。与衰老相关的变化为OA的发生提供了一个基础，使关节更容易受到其他因素（如异常的生物力学和生物化学）影响，从而促进OA发展。因此，了解衰老影响关节组织的基本机制可能会为减缓或预防OA发展提供新的靶点。从衰老过程中软骨和软骨下骨的年龄相关性变化、力学传导作用和血管新生机制3个方面对相关研究进展进行综述。

摘要:由于OpenSim肌骨系统模拟平台开源性，近年来快速发展且被大量研究使用。个体化OpenSim肌骨模型可计算基础的运动学与动力学数据，揭示神经肌肉控制、肌肉力量和几何学变化及关节接触力等信息；结合影像学建模分析病理步态的神经肌肉控制及辅具的人机工效学评估等研究均表明其应用的可靠性与可行性，但存在耗时及足踝关节模拟的局限性。构建个体化病理肌骨模型，能提升临床生物力学及医学工程学研究的精准性和多样性，揭示不同病理特点，并为制定精准的诊断与康复方案、健康监测与评估状况及外部装置的工效学定制与测评提供科学依据，以及为未来该领域研究提供启示与方向。