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不同心脏泵血条件下人工心脏脉动和恒流模式对主动脉血流动力学环境、器官灌注及血栓形成风险的影响研究

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医用生物力学 2024年第S1期 54-54页

作者：孙康立陈增胜北京航空航天大学生物力学与力生物学教育部重点实验室北京市生物医学工程高精尖创新中心生物与医学工程学院

目的研究不同心脏泵血条件下人工心脏(LVAD)脉动和恒流模式对主动脉血流动力学环境、器官血流灌注以及血栓形成风险的影响,指导临床对LVAD的选择。方法基于临床数据构建正常人体主动脉模型和植入LVAD后的主动脉模型,使用具有人体特异...

目的研究不同心脏泵血条件下人工心脏(LVAD)脉动和恒流模式对主动脉血流动力学环境、器官血流灌注以及血栓形成风险的影响,指导临床对LVAD的选择。方法基于临床数据构建正常人体主动脉模型和植入LVAD后的主动脉模型,使用具有人体特异性的三参数模型作为压力出口,对二者分别进行血流动力学计算研究。(使用生理状态下的主动脉速度波(5 L/min)以及模拟的心衰速度波(2.5 L/min)作为正常主动脉的入口条件;使用全支持脉动,全支持定常,半支持脉动和半支持定常作为植入LVAD的主动脉的入口条件)结果脉动和恒流模式对于心衰情况下的血流灌注均有改善:相较于恒流模式,脉动模式下LVAD供给主动脉上动脉的血流减少,供给肾动脉和下肢的血流增加;此外,恒流模式下释放的血栓颗粒也更容易运输至主动脉上动脉导致颅内血栓形成风险增加;LVAD半支持与全支持模式的结果显示,心脏泵血功能对主动脉的血流动力学指标均有改善,有助于减少主动脉血液滞留时间和血栓颗粒向上游运输的比例。结论相较于恒流模式,LVAD脉动模式有助于降低血栓形成风险,保证肾动脉及下肢的血液灌注;心脏收缩功能有助于改善主动脉血流环境,临床中对于心脏具有部分收缩功能的患者,可以考虑保留其功能。未来将进一步结合心脏收缩泵血的具体情况对LVAD脉动模式的设计进行研究。

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可主动调控药物递送的多功能诊疗一体可吸收柔性电极

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医用生物力学 2024年第S1期 199-199页

作者：牛旭锋樊瑜波生物力学与力生物学教育部重点实验室北京市生物医学工程高精尖创新中心北京航空航天大学生物与医学工程学院

目的构建具有主动调节药物递送功能的诊疗一体装置,用于实时监测患者病情变化,并及时递送药物对疾病进行干预和治疗。方法构建具有主动控制药物递送能力的多功能药物递送装置,再对该装置进行结构优化,增加疾病诊断和监测功能,从而制...

目的构建具有主动调节药物递送功能的诊疗一体装置,用于实时监测患者病情变化,并及时递送药物对疾病进行干预和治疗。方法构建具有主动控制药物递送能力的多功能药物递送装置,再对该装置进行结构优化,增加疾病诊断和监测功能,从而制备具有诊疗一体能力的植入装置。通过体外药物释放实验对系统的主动控制、组织压力和生物电信号采集能力进行检验;通过动物体内实验对该装置的应用效果进行评价。结果体外药物释放功能结果表明,该系统能够通过主动控制实现精准的药物递送,且可以进行多次数和多种类药物递送。该装置还能实现短期快速和长期慢速的双时间线药物递送。动物体内实验结果显示,该系统能够进行疾病监测和诊断,并且能够在癫痫等急性疾病病发时及时进行药物干预。此外,通过电阻与压力之间的转换实现了对生物力学信息的测量。细胞和体内生物相容性实验结果也显示其能够满足作为长期植入物的生物安全需求。结论通过结构设计和优化构建的诊疗一体植入装置能够通过力学信号或电生理信号采集实现疾病的监测和诊断,并能够及时进行多种类、多次数、多时间线药物递送。该系统可以满足临床对于急性疾病的监测和治疗,以及多并发症疾病的药物递送需求。

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Ⅰ型胶原自组装动力学特征及其与流体切应力耦合效应的研究

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医用生物力学 2024年第S1期 39-39页

作者：马春阳牛旭锋生物力学与力生物学教育部重点实验室北京市生物医学工程高精尖创新中心北京航空航天大学生物与医学工程学院

目的模拟胶原体内自组装过程,探讨流体切应力在胶原自组装中的作用,为开发具有良好生物相容性和生物力学性能的新型骨修复材料提供理论依据。方法使用浊度实验、天狼猩红染色、动态光散射、扫描电镜、傅里叶红外光谱等多种检测手段对...

目的模拟胶原体内自组装过程,探讨流体切应力在胶原自组装中的作用,为开发具有良好生物相容性和生物力学性能的新型骨修复材料提供理论依据。方法使用浊度实验、天狼猩红染色、动态光散射、扫描电镜、傅里叶红外光谱等多种检测手段对Ⅰ型胶原的自组装过程、分子结构、纤维形貌等进行表征。借助锥板黏度计施加4个不同大小的恒定流体剪切力,通过天狼猩红染色、黏度测定、圆二色光谱、扫描电镜、原子力显微镜等手段探究流体剪切力对胶原自组装过程的影响。结果实Ⅰ型胶原的自组装动力学过程包括成核、生长、平衡3个阶段。胶原溶液浓度越大,组装速度越快,纤维粒径值越大。在流体切应力的作用下,胶原分子链之间的作用力被削弱,纤维粒径值减小,刚性减弱,且在切应力作用下,胶原纤维更易朝单一方向进行组装,形成有序结构。结论成功在体外构建了化学-力学耦合体,更真实地模拟了胶原体内自组装过程。研究结果对于新型骨修复材料的开发和应用具有重要的指导意义,有助于提高生物材料的生物相容性和力学性能,促进生物医用材料等相关领域的发展。

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几种主要水化学因素对典型重金属水生生物毒性的影响分析

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中国环境科学 2024年第7期44卷 4071-4083页

作者：王昕噶玛扎西石文卿程英豪许子寒郭伟王颖北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191 北京航空航天大学空间与环境学院北京100191 生态环境部核与辐射安全中心北京100082 北京师范大学水科学研究院北京100875 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室北京100012 北京市水文总站北京100089

为阐明不同水化学条件对水体中重金属生物毒性的影响,本研究探究了pH值、硬度、温度和有机碳(OC)四个主要水化学因素对4种典型重金属引起不同类别水生生物急、慢性毒性的影响.结果表明,单一水化学因素对不同金属的水生生物毒性影响存在... 详细信息

为阐明不同水化学条件对水体中重金属生物毒性的影响,本研究探究了pH值、硬度、温度和有机碳(OC)四个主要水化学因素对4种典型重金属引起不同类别水生生物急、慢性毒性的影响.结果表明,单一水化学因素对不同金属的水生生物毒性影响存在较大差异;硬度和OC的升高会使得鱼类的水生生物毒性降低;温度的升高则会增加鱼类、昆虫的水生生物毒性.对不同类别的生物,单一水化学因素的毒性影响不同.考虑综合水化学因素的影响时,水生生物急性毒性和慢性毒性受到的影响效果显著不同;综合因素中OC可能是影响毒性的重要因子.

关键词：重金属水生生物水化学因素毒性影响

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基于染色质和代谢重塑的力学记忆调控间充质干细胞增殖和平滑肌分化的机制研究

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医用生物力学 2024年第S1期 89-89页

作者：纳静石秋生杨智杰刘宇陈鑫远王子怡樊瑜波郑丽沙北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室北京市生物医学工程高精尖创新中心

目的干细胞响应和记住来自微环境的力学信号,通过力学记忆调控其命运进而影响疾病治疗和再生效果。本研究旨在探究单轴拉伸载荷下基于染色质和代谢重塑的力学记忆对间充质干细胞的命运调控机制。方法对间充质干细胞加载不同振幅、频...

目的干细胞响应和记住来自微环境的力学信号,通过力学记忆调控其命运进而影响疾病治疗和再生效果。本研究旨在探究单轴拉伸载荷下基于染色质和代谢重塑的力学记忆对间充质干细胞的命运调控机制。方法对间充质干细胞加载不同振幅、频率、持续时间和加载周期的间歇单轴拉伸,通过免疫荧光染色,Real-time PCR,转录组测序,si RNA和Western blotting等手段,检测相关蛋白及基因的表达,探究力学记忆相关机制。结果实验结果表明,振幅是间歇拉伸诱导细胞转向后有序排列记忆的主要因素,而频率和持续时间是影响细胞有序排列记忆的次要因素。同时,F-肌动蛋白、黏着斑和细胞核形变比细胞排列更容易被间歇拉伸重塑。其次,发现间歇拉伸可诱导细胞形成转录记忆,并保持持续的高代谢活性。此外,间歇拉伸可促进间充质干细胞的增殖和平滑肌向分化,并通过H3K27me3介导持续性的染色质凝集影响间充质干细胞的分化效率。有趣的是,力学记忆可通过直接接触传递,加载间歇拉伸后的细胞可以重塑静态细胞的代谢稳态,并促进其增殖活性。结论间歇拉伸通过染色质和能量代谢重塑介导的力学记忆促进间充质干细胞的增殖和平滑肌分化。

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剪切力作用下巨噬细胞和间充质干细胞内皮向分化的相互作用

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医用生物力学 2024年第S1期 405-405页

作者：黄艳孟凡哲赵江涛樊瑜波北京航空航天大学生物与医学工程学院生物医学工程高精尖创新中心生物力学与力生物学教育部重点实验室北京航空航天大学医学科学与工程学院

目的损伤血管会发生局部力学环境变化,巨噬细胞会大量浸润,间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)可归巢至局部参与早期再内皮化修复,本文主要研究剪切力作用下巨噬细胞和间充质干细胞内皮向分化的相互作用。方法采用transwell...

目的损伤血管会发生局部力学环境变化,巨噬细胞会大量浸润,间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)可归巢至局部参与早期再内皮化修复,本文主要研究剪切力作用下巨噬细胞和间充质干细胞内皮向分化的相互作用。方法采用transwell直接共培养巨噬细胞和MSCs,通过RT-PCR和免疫组化技术检测细胞表达内皮细胞相关因子基因和蛋白的情况,利用流式细胞术检测巨噬细胞的表型。使用脂多糖、干扰素-γ和白细胞介素4分别诱导获得高纯度M1、M2型巨噬细胞,提取其培养上清制备条件培养基,探究间接共培养下巨噬细胞对MSCs向内皮细胞方向分化的影响。利用实验室自制的细胞力学生物学实验系统加载剪切力,研究剪切力作用下巨噬细胞和间充质干细胞内皮向分化的相互作用。结果直接共培养下,巨噬细胞可以促进MSCs表达内皮细胞相关的基因和蛋白,同时,巨噬细胞自身向M2表型极化。间接共培养下,M1型和M2型巨噬细胞均可以促进MSCs内皮向分化,其中M2型巨噬细胞的促进效果更显著,与间接共培养作用的促进效果无显著差异。剪切力条件下,M2型巨噬细胞可以更好地促进MSCs向内皮细胞方向分化,尤其是较高剪切力组。结论剪切力可以影响巨噬细胞和间充质干细胞内皮向的相互作用,但其规律和机制有待进一步深入研究。

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剪切力对骨髓间充质干细胞向角膜上皮细胞方向分化的影响

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医用生物力学 2024年第S1期 432-432页

作者：赵江涛李冬妍李伶汲婧黄艳王丽珍樊瑜波北京航空航天大学生物与医学工程学院生物医学工程高精尖创新中心生物力学与力生物学教育部重点实验室北京航空航天大学医学科学与工程学院

目的干细胞在角膜修复中起到了重要作用,在体外生化因素或共培养等可以诱导干细胞向角膜上皮细胞方向分化,力学因素可以影响干细胞的生物学功能,本文主要研究流体剪切力对兔骨髓间充质干细胞(rabbit bone marrow-derived mesenchymal s...

目的干细胞在角膜修复中起到了重要作用,在体外生化因素或共培养等可以诱导干细胞向角膜上皮细胞方向分化,力学因素可以影响干细胞的生物学功能,本文主要研究流体剪切力对兔骨髓间充质干细胞(rabbit bone marrow-derived mesenchymal stem cells,RBMSCs)向角膜上皮细胞方向分化的影响。方法使用含有表皮生长因子、胰岛素、兔角膜上皮细胞培养上清液的条件培养基诱导RBMSCs向角膜上皮细胞方向分化;利用平行平板流动腔对诱导或者不诱导的RBMSCs加载5、10、15 dyn/cm2流体剪切力;通过倒置相差显微镜和激光共聚焦显微镜观察剪切力对细胞形态和骨架的影响,通过RTPCR和免疫组化等检测剪切后细胞表达角膜上皮相关基因和蛋白的情况。结果剪切后的细胞表现出更加突出和伸长的肌动蛋白丝,且平行于剪切力方向排列。剪切力可以上调CK3、CK12和PAX6等角膜上皮细胞标志物的基因和蛋白表达,尤其是5 dyn/cm2剪切力的作用更为显著。结论适当的剪切应力可以促进RBMSCs向角膜上皮细胞方向分化,但其机制还有待进一步的深入探究,以期为干细胞应用于角膜上皮损伤修复的治疗提供参考。

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基于气管力学性质的镁合金支架结构设计

医用生物力学 2024年第S1期 117-117页

作者：高元明邓步宇冯文韬王丽珍樊瑜波北京航空航天大学医学科学与工程学院北京航空航天大学生物力学与力生物学教育部重点实验室北京市生物医学工程高精尖创新中心北京航空航天大学生物与医学工程学院

目的镁合金气管支架降解过程中受力不均,普遍存在局部降解过快导致断裂失效的问题。探究可降解镁合金支架在气管内所处的生物力学环境,通过支架结构设计调控支架在气管内所受应力状态。方法设计制备气管组织夹具以实现猪气管软骨样本...

目的镁合金气管支架降解过程中受力不均,普遍存在局部降解过快导致断裂失效的问题。探究可降解镁合金支架在气管内所处的生物力学环境,通过支架结构设计调控支架在气管内所受应力状态。方法设计制备气管组织夹具以实现猪气管软骨样本在生理弯曲状态下受到拉伸并利用数字图像相关法测试软骨变形,得到气管软骨生理弯曲状态下的应力-应变关系,通过Marlow模型对其本构关系进行描述,并基于此建立气管有限元模型。提出考虑气管软骨和膜壁力学性质差异的非均匀支架结构,利用有限元法模拟该非均匀结构支架与均匀结构支架在平静呼吸及咳嗽两种状态下的受力状态。结果镁合金支架所受最大主应力区域对应于气管软骨与膜壁交界处。提出的非均匀结构支架在径向支撑性能以及受力均匀程度方面具有优势。结论基于气管周向力学性质不均匀特点,采用非均匀结构的镁合金支架能顺应气管力学特性,提高径向支撑性能,降低支架失效风险。

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不同拉伸模式对人角膜上皮细胞形态及增殖、迁移的影响

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医用生物力学 2024年第S1期 434-434页

作者：谢懿李冬妍杜若田肖辉汲婧王丽珍樊瑜波北京航空航天大学生物与医学工程学院北京市生物医学工程高精尖创新中心生物力学与力学生物学教育部重点实验室

目的生理状态下,角膜受到眼压及其产生的拉伸力作用。当疾病或外力引起角膜所受拉伸力改变,可能影响角膜上皮细胞间连接,破坏上皮结构完整性及其屏障功能。已有研究表明,角膜细胞对不同拉伸模式的响应存在差异,但具体机制尚不清楚。因...

目的生理状态下,角膜受到眼压及其产生的拉伸力作用。当疾病或外力引起角膜所受拉伸力改变,可能影响角膜上皮细胞间连接,破坏上皮结构完整性及其屏障功能。已有研究表明,角膜细胞对不同拉伸模式的响应存在差异,但具体机制尚不清楚。因此,本工作拟通过研究不同拉伸模式对角膜上皮细胞相关功能的影响及其机制,为构建体外角膜近生理力学加载模型和探究角膜上皮细胞在力学刺激下的响应机制提供依据。方法以0.1 Hz频率、5%幅度对人角膜上皮细胞分别加载单轴拉伸、等轴拉伸12 h。通过光学显微镜观察细胞形态,利用CCK-8、划痕实验检测细胞增殖与迁移能力,采用免疫荧光染色对细胞骨架、力学相关通路蛋白YAP的表达进行检测。结果与等轴拉伸相比,单轴拉伸作用下人角膜上皮细胞面积更大,骨架荧光强度更高,应力纤维数量增多,细胞的增殖与迁移速度显著降低,YAP荧光强度和核质比显著增高。结论人角膜上皮细胞对不同拉伸模式的响应存在差异,与等轴拉伸相比,单轴拉伸增大了细胞面积、促进应力纤维形成,抑制细胞增殖与迁移;YAP可能参与其中的调控。

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