MSCs定向诱导移植修复关节软骨的实验研究

目的 用组织工程方法修复软骨损伤.方法 兔骨髓间充质干细胞体外扩增诱导分化后,移植于兔关节损伤区,术后进行大体及x线观察.结果 实验组移植8周后,软骨损伤区由透明软骨样组织填充,软骨修复良好.结论 自体间充质干细胞移植可修复关节软骨损伤.     

个性化三维打印仿生骨骼术前诊断模型

目前骨科临床手术利用CT数字图像诊断病案、规划手术方案及复位策略,不易在术前进行操作练习,所选取的内固定骨钉和骨板无法测定力学匹配,从而难以避免术后应力并发症.术中依赖手术医生的经验和工具反复测量以便准确选取内固定器械,从而延长了患者创面开放时间,增加术中静脉血栓甚至动脉血栓并发症几率.尤其对于血管和神经丰富的股骨头更是容易引起术中并发症,甚至致残致死.本文分析了骨骼解剖模型的结构,研究了骨骼的内部微细结构、术前诊断模型外形轮廓以及力学性能的仿生设计方法,在此基础上,通过控制三维打印工艺、粉体材料成分和材料参数,得到不同力学性能的骨支架,从而实现了个性化定制的全骨仿生术前诊断模型.利用该模型可有效反映病患骨折和骨缺损真实特点,并可增加观察视场,明确骨折和骨缺损的实际情况和病症分型,从而有助于制定固定骨钉和骨板实际操作方案和规划替代骨植入方案,为术前手术设计、复位模拟、内置物选择、三维数据测量等重要手术环节提供物理操作模型,可明显改善手术效果,有效缩短手术时间,减少术中和术后并发症几率.     

基于增材制造技术的钛合金医用植入物

基于数字化成型的增材制造技术具有成型效率高、设计自由度高以及近净成形等优点,为医用钛合金植入物的加工带来了新的发展机遇.这种"绿色制造"技术能够将植入物的宏观尺寸与待修复缺损部位的生理环境进行有机结合,实现个性化匹配治疗和复杂微观结构的可调控性,提高其生物力学相容性,减缓植入部位的应力遮挡,在骨-植入物界面构建良好的骨性结合.本文综合评述了增材制造技术制备钛合金植入物的工艺流程以及影响因素,对钛合金的组织、力学性能、体内外生物相容性以及临床应用等进行了全方位的总结评价,并对该技术在钛合金医用植入物制备领域的未来发展方向进行了展望.     

组织工程骨膜修复兔大段骨缺损的可行性实验研究

目的探索组织工程骨膜体内成骨修复兔大段骨缺损的可行性。方法培养新西兰大白兔骨髓间充质干细胞(BMSCs),以成骨诱导剂诱导成骨分化后,与猪小肠粘膜下层(SIS)复合构建组织工程骨膜。扫描电镜(SEM)观察细胞与材料复合情况。选4月龄新西兰大白兔24只,制备单侧桡骨干4 cm缺损模型。随机选12只植入组织工程骨膜,作为实验组;另12只骨缺损旷置,作为对照组。术后6周后摄x线片观察,切取整段桡骨作为标本行HE及Masson染色观察。结果BMscs诱导14 d后可成骨分化。SEM显示构建的组织工程骨膜上黏附大量种子细胞。x线片观察:实验组骨缺损处有长柱状新生骨形成,并与截骨端骨性融合,密度与正常骨相近;对照组骨缺损处无成骨征象,密度同周围软组织影。组织学观察:实验组骨缺损处有新骨形成,新生骨组织中可见丰富的血管腔及不规则髓腔样结构;对照组骨缺损处仅为纤维结缔组织,无骨组织形成。结论以SIS和BMSCs构建的组织工程骨膜有修复兔大段骨缺损的可行性。组织工程骨膜有进一步深入研究、开发的价值和前景。     

动态载荷下羟基磷灰石骨替代材料刚度的力学相容性

羟基磷灰石骨替代材料被植入人体后骨组织在其内部生长, 它的强度、刚度会逐渐增加. 其力学相容性是指成为活体骨的一部分后, 其力学性质应与周围骨组织的力学性质一致. 由于骨的力学性质与应变率相关, 骨替代材料的力学相容性既包括静态也包括动态力学性质. 应用分离式霍普金森压杆实验技术(SHPB)研究了羟基磷灰石骨替代材料、不含有机物的牛骨和含有机物的牛骨动态力学性质, 测量了 3 种试样在冲击载荷下的应力-应变曲线, 比较分析了 3 种材料的弹性模量的差别, 以判断胶原纤维的作用. 将羟基磷灰石骨替代材料看作颗粒复合材料, 估计了植入体内后其弹性模量的变化, 判断其动态刚度方面的力学相容性. 确定所研究的羟基磷灰石骨替代材料的孔隙率在0.8左右时有利于刚度方面的相容性.     

高强度双网络高分子水凝胶：性能、进展及展望

作为一种虽然含有90wt%的水,但力学强度高达数十兆帕的高分子水凝胶材料,双网络（double network,DN）设计思路对大幅度提高水凝胶力学性能以及推动其在生物材料中应用研究意义重大.近年来高强度DN凝胶研究不断取得令人注目的进展,在DN凝胶概念的基础上,设计合成了天然和仿生DN凝胶、低摩擦和低磨损DN凝胶以及细胞亲和性高强度水凝胶,并研究了DN凝胶的生物相容性和诱导关节软骨再生等生物材料性能.高强度、多功能DN凝胶在生物材料中的研究极大地扩展了高分子水凝胶材料的应用范围.本文综述了DN凝胶的设计思路,分析了影响其性能的因素,并对其未来发展进行了展望.     

海藻酸-纳米羟基磷灰石构建可降解原位成型水凝胶

可注射原位成型水凝胶支架材料能填充任意形状的缺损, 并在很大程度上降低植入对机体组织的侵入性, 且方便与药物和活性物质复合. 采用原位释放法将海藻酸钠与纳米羟基磷灰石复合构建了可降解的原位成型水凝胶, 体系的凝胶化时间10~15 min, 材料具有多孔结构, 孔径20~300 µm, 孔内及孔壁上有大量羟基磷灰石晶体连续均匀分布. 体内植入试验证明该水凝胶材料可实现原位成型且具有良好的细胞相容性和组织相容性.     

超灵敏、宽频域新型柔性仿生振动传感器

信息化社会对电子产品的柔性化、便携性(轻薄、可折叠、可穿戴)的需求日益增加,最近的研究表明,利用碳纳米管优异的电学、力学特性和纳米尺度效应而设计出的柔性纳米传感器表现出更高的灵敏度、更快速的响应-恢复时间等优异的特性.本文基于多壁碳纳米管(multiwalled carbon nanotube,MWNT)复合材料,采用一种简单喷涂成膜的方法制备了具有空腔结构的柔性仿生振动传感器,该柔性仿生振动传感器时间分辨短(22.7μs),信噪比高(55 dB),检测范围宽(20~22000 Hz),可以高质量地实时检测并记录声音信息,在声音检测以及构筑电子耳膜来治疗耳膜损伤导致的耳聋等方面提供了新的可能性方案.     

高韧温敏复合水凝胶仿生变色鱼

韧性水凝胶具有超大弹性变形、高韧性、高透光性、良好的生物相容性等优势,在生物医疗、柔性电子、驱动传感、软机器等领域具有广泛应用前景.本文针对海洋生物的变色功能进行仿生模拟,合成了PAAMAlginate韧性水凝胶和PNIPAM温敏水凝胶,采用3D打印技术制作了仿生结构模具,通过倒模制备了高韧温敏复合水凝胶仿生鱼.制备的仿生鱼在常温下能与水体环境良好融合,在外界温度升高时可改变自身透明度和颜色,模拟海洋生物受外界刺激后的伪装行为.另外,该仿生鱼具有高韧性,在受到弯曲、扭转、冲击及印压作用后仍能恢复初始形状,无明显损伤.本文设计的高韧温敏复合水凝胶在软体仿生领域极具潜力,可为未来共融机器人的研发提供新思路.     

三种不同浓度木瓜蛋白酶建立SD雌性大鼠膝骨关节炎模型的比较研究

目的对三种不同浓度木瓜蛋白酶所建立的SD雌性大鼠膝骨关节炎模型进行比较研究,以提供不同损伤程度的膝骨关节炎动物模型的建立方法。方法选取健康SD雌性大鼠72只,随机挑选18只为一组,各组在第1、3、5天均按0.1 m L/kg剂量左膝关节腔分别注射0.03 mol/L的L-半胱氨酸与2%、5%、10%(w/v)木瓜蛋白酶混合液,以及生理盐水,依次编为低浓度组、中浓度组、高浓度组和对照组。首次给药后第2、4、6周测量SD大鼠左膝关节宽度,各组随机处死6只大鼠对其进行解剖,观察膝关节滑膜及上下软骨表面,并进行大体及组织病理学评分。结果 SD雌性大鼠注射不同浓度木瓜蛋白酶2周后,出现不同程度的左膝关节宽度增大,左膝关节解剖后,可见滑膜厚度有所增加,软骨层损伤等病变,对照组与部分造模组的差异有统计学意义。结论 SD雌性大鼠按0.1m L/kg剂量膝关节腔注射2%、5%、10%木瓜蛋白酶和0.03 mol/L的L-半胱氨酸混合液,两周后可得到不同损伤程度的膝骨关节炎模型,在研究范围内,随着木瓜蛋白酶注射浓度的升高,所得膝骨关节炎模型的损伤程度加重,此造模方法操作简单、成功率高、周期短。     

基于有限差分的直接顶稳定性影响因素的数值模拟分析

基于有限差分计算方法,利用flac2d有限差分数值模拟软件,在不考虑节理间距的情况下对不同结构参数和不同力学参数的直接顶垮落过程进行数值模拟；分析直接顶力学参教、结构参数与直接顶稳定性的数值关系；并得出了直接顶的力学参数和结构参数对直接顶稳定性的影响结果,为制定岩层控制措施,支架选型及支护参数以及直接顶的稳定性分类提供一定的理论依据.     

具有环境适应能力的蛇形机器人仿生控制方法

基于生物学原理,本文构建了一种能够产生蛇形机器人多种仿生步态的多模态中枢模式发生器模型.该模型通过外部激励的引入,可以实现蛇形机器人运动形式的自由调整和转换,有助于提高蛇形机器人的环境适应能力.文中主要针对任意节数的多模态中枢模式发生器模型的稳定性进行了证明;分析了多模态中枢模式发生器模型参数对系统输出的影响;研究了蜿蜒运动中环境参数与蛇形机器人关节最优幅值的对应关系,从而确定了多模态中枢模式发生器幅值优化调整策略;并通过建立外部激励与模型参数之间的约束,使得蛇形机器人在多模态中枢模式发生器控制下具有三维运动能力以及相应的环境适应能力.最后,利用蛇形机器人平台验证了仿生控制方法的有效性以及与生物蛇步态的相似性.     

形状记忆聚合物微纳米纤维膜在生物医学中的应用进展

形状记忆聚合物作为一种新兴的智能材料能够记忆暂时形状,并在外界激励条件下实现主动回复到初始形状的驱动过程.基于静电纺丝技术获得的形状记忆聚合物微纳米纤维膜与天然细胞外基质具有相似的三维结构,因此在生物医学领域,特别是组织工程中显示出巨大的应用前景.形状记忆微纳米纤维膜作为智能可变形材料为生物医疗的快速发展带来个性化、智能化的机遇.本文综述了形状记忆聚合物微纳米纤维膜的制备技术、结构形貌及驱动方法,总结了形状记忆聚合物微纳米纤维膜在骨组织支架、骨组织修复、神经支架及细胞培养等方面的应用研究,分析了形状记忆聚合物材料的其他结构在生物医疗领域的应用现状,进一步阐述了形状记忆聚合物材料未来面临的挑战及发展方向.     

“刚-柔”共融型仿生机器鱼

智能软材料以其高柔顺度、多功能、多物理场效应等优良行为得到了研究者们的关注.作为一类典型的智能软材料,介电高弹体(DE)具有电驱动大变形、快速响应、质轻价廉、生物亲和性好等优点,具有广阔的应用前景.该材料尤其适合作为人工肌肉应用到仿生机器人中,实现其结构柔软与大变形驱动.本文以蝠鲼为仿生原型,基于材料的电压驱动控制大变形机制,设计优化了一类介电高弹体薄膜面内驱动变形转化为扑动-波动混合型推进的驱动机构.将该机构用于胸鳍驱动的机器鱼系统,通过电子器件-刚性结构-柔性材料的融合集成,成功设计了一种材料与结构"刚-柔"共融型仿生机器鱼,并开展了相应的性能测试和功能集成."刚-柔"共融型仿生机器鱼通过分别独立控制两个胸鳍机构,可实现良好的机动性能;并利用高分子材料特性,可实现结构柔软与全透明化等优异的环境适应性能.该研究结果和机构设计原理将有望为"刚-柔"共融型机器人和仿生机器人的研究与应用提供参考.     

电活性介电弹性体的本构理论和稳定性研究进展

电活性聚合物在外加电场诱导下能够改变形状或体积,不施加电场时,它又能恢复到原来的形状或体积,具有特殊的力学及电学性能.介电弹性体是制造驱动器、传感器、振动器和能量收集器等转换器的最有潜力电活性聚合物材料之一,在人工肌肉、智能仿生、航空航天、机械、生物等领域都有广泛的应用潜力.本文首先简要综述了介电弹性体及其应用,然后重点介绍了介电弹性体EAP材料的理论研究进展,其中包括本构关系、机电稳定性、突跳稳定性、超大电致变形机理、许用区域描绘及其应用器件的失效分析.本文最后对介电弹性体电致活性聚合物软质材料相关研究进行了展望.     

基于条件风险价值的两阶段随机规划模型在草地生态系统恢复中的应用——以三江源区为例

以三江源草地生态系统为例,构建了基于条件风险价值的两阶段随机规划模型,通过综合考虑环境需求、水土流失、治理成本等若干因素,对三江源区4个州的超载畜牧面积、草地修复面积进行优化分析,对超载带来的损失、修复带来生态效益增加及成本增加进行了核算,为三江源区的生态恢复与管理提供了理论依据.本文的优化分析结果表明,草地超载畜牧面积以及由此带来的损失随着随机水平的增加而减少.此外,三江源区的生态经济收益将随着风险因子值增加而减少,决策者所持风险态度对生态恢复方案的制定起着决定性影响.优化结果有助于决策者在经济效益与系统风险之间进行权衡,建议将减少牲畜总量作为草地恢复和治理的主要目标,同时发展生态畜牧业以促进草地生态与畜牧业协调发展.同时,建议相关地区进一步完善畜牧业生态补偿机制,协调好地区经济发展与生态系统保护之间的关系.     

川芎嗪对IL-1β诱导的兔原代软骨细胞增殖和凋亡影响

目的 观察川芎嗪对白细胞介素-1β诱导的软骨细胞的增殖及凋亡的影响.方法 兔原代软骨细胞培养及鉴定,用IL-1β10ng/ml和/或不同浓度川芎嗪共培养兔原代软骨细胞48h后,利用流式细胞仪检测各组软骨细胞的周期及凋亡率；利用MTT法检测软骨细胞的生长状态.结果 与对照组比较,IL-1β诱导下软骨细胞的凋亡率显著增加,差异具有显著统计学意义(P＜0.01)；加入川芎嗪能明显降低IL-1β诱导的软骨细胞凋亡率,有显著统计学意义(P＜0.01)；与对照组比较,IL-1β诱导下软骨细胞被明显阻滞在G1期(P＜0.01)；加入川芎嗪能明显降低IL-1β对软骨细胞G1期的阻滞作用,细胞增殖指数明显增加(P＜0.05或P＜0.01).结论 川芎嗪对IL-1β诱导的兔原代软骨细胞抑制凋亡并促进生长.     

β'-CuZn有序合金逆向孪生的晶体学机制

以β'-CuZn相为例分析了轧制应力作用下B2结构金属发生机械孪生的基本过程,并从力学和晶体结构的稳定性两个方面论证了B2结构金属的逆向机械孪生行为. 结果表明, 逆向孪生能保持B2结构不变, 且在多晶轧制变形条件下的应变阻力最小.     

仿生蜻蜓脉膜折纸结构的压缩性能研究

折纸结构具有折叠诱发的独特力学特性,在机器人、航空航天、材料科学等诸多工程领域有广泛的应用前景.基于膜结构设计的Kresling折纸承载能力小、折叠路径不稳定的不足,本研究利用蜻蜓脉膜的刚柔耦合结构进行仿生设计.以软质硅胶为膜、硬质树脂内嵌为脉,形成柔性软膜与刚性内嵌互相包被的二级刚柔耦合类Kresling折纸结构.该折纸结构具有变刚度特性,有优异的折叠特性和较高的折叠比.准静态压缩试验结果表明,有内嵌折纸结构折叠路径单一稳定,轴向压缩量与层间转角呈现单自由度结构的特征.相对于无内嵌折纸结构,刚性内嵌限制了峰折折痕的屈曲,可显著提升其力学性能,其中n=4的构型中有内嵌结构支反力极大值提高了60.87%.同时,其支反力具有迟滞性,折纸结构具有稳定的滞回耗能特性,在1000次加载-回复循环后仅下降3.60%,未发生显著降低.     

基于单向陷门置换的长消息签密方案

在随机Oracle模型的基础上, 提出一种基于单向陷门置换（trapdoor permutations, TDPs）的、可并行的、长消息签密方案——PLSC （parallel long-message signcryption）. 该方法采用“整体搅乱, 局部加密（scramble all, and encrypt small）”的思想, 用一个伪随机数对要传送的消息和用户的身份（ID）进行“搅乱（scrambling operation）”, 然后对两个固定长度的小片段（并行地）进行单向陷门置换（TDP）操作. 这种设计使得整个方案可直接高效地处理任意长度的消息, 既可避免循环调用单向陷门置换（如CBC模式）所造成的计算资源的极度消耗, 也可避免由“对称加密方案”与“签密方案”进行“黑盒混合（black-box hybrid）”所造成的填充（padding）冗余. 不仅可以显著地节约消息带宽, 而且可以显著地提高整体效率. 具体地说, 该方法对任何长度的消息进行签密, 仅需进行一次接收方的TDP运算（相当于加密）, 以及一次发送方的TDP运算（相当于签名）, 从而最大限度地降低了TDP运算的次数, 提高了整体的运算效率. 因为, 对于公钥加密算法来说, 运算量主要集中在TDP运算上, TDP运算是整个算法的瓶颈所在. 另一方面, 由于避免了填充上的冗余, 新方案的效率也高于标准的“黑盒混合”方案.重要的是, 新方案能够达到选择密文攻击下的紧致的语义安全性（IND- CCA2）、密文完整性（INT-CTXT）以及不可否认性（non-repudiation）. 而且所有这些安全要求都可以在多用户（multi-user）、内部安全（insider-security）的环境下得以实现. 另外, 尽管新方案主要针对长消息的签密, 但它也可应用于某些不能进行大块数据处理的环境（智能卡或其他只有少量内存的环境）. 也就是说, 对于这些小内存设备来说, 仍然可以用该方案来实现长消息的签密处理.