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2024年 第45卷  第6期

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封面及目录
2024, 45(6)
摘要:
生物热-力-电生理耦合学专题
前言
2024, 45(6): ⅰ-ⅱ.
摘要(72) HTML(28) PDF(31)
摘要:
生物热-力-电生理耦合学
孙学超, 刘少宝, 林敏, 徐峰, 卢天健
2024, 45(6): 651-669. doi: 10.21656/1000-0887.450079
摘要(198) HTML(20) PDF(83)
摘要:

由于温度、机械力、生化等多种影响因子对机体的生物学行为产生重要影响,生物体在多物理场下保持动态平衡是其正常活动的关键条件.研究生物热-力-电生理耦合行为,旨在交叉融合多个学科,建立生物传热学、生物力学、神经生理学等数理模型,系统开展跨尺度热-力-电生理耦合行为研究,并将成果应用于生物医学领域,对理解生物体的正常功能以及重大疾病的病理机制和有效诊治具有重要意义.其核心思想在于发现关键科学问题、识别交叉学科,并集成学科优势,推动理论创新和技术创新,为生命医学领域带来新突破.该文以剑桥大学和DNA双螺旋结构的发现为背景,以大脑、皮肤、牙齿等为例,介绍生物热-力-电生理耦合学这一新兴交叉学科的起源和内涵.

脑组织热-力耦合行为综述
秦璇, 苏丽君, 万秀伟, 陶泽, 孙学超, 卢天健
2024, 45(6): 670-690. doi: 10.21656/1000-0887.450143
摘要(70) HTML(23) PDF(22)
摘要:

脑组织是由固相与液相组成的饱和含液多孔材料,固、液、生理环境(尤其温度)之间相互作用,具体表现为脑组织内部温度场、渗流场、应力场相互影响的热-力耦合行为,故阐明脑组织的热-力耦合行为是理解大脑功能和疾病病理的关键.该文首先介绍了脑组织的传热学和力学性质,重点关注实验测量及应变率和温度的影响;其次,总结了描述脑组织热-力耦合行为的数理模型,包括力学模型、传热学模型和热-力耦合模型;最后,对该重要学科交叉领域进行了总结和展望.

持续性高过载下人脑的多孔弹性响应
田金, 刘少宝, 卢天健, 徐峰
2024, 45(6): 691-709. doi: 10.21656/1000-0887.450130
摘要(63) HTML(20) PDF(22)
摘要:

航空航天飞行期间经常出现的持续性高过载,对乘员的脑功能有重要影响,而脑功能受脑组织力学行为的影响,且后者与载荷特点高度相关.为预测持续性高过载下的人脑力学响应,该文采用多孔弹性本构描述了脑组织的力学行为,基于简化的头部一维多层结构模型,推导了脑组织的多孔弹性控制方程、状态量传递矩阵,利用Laplace变换及其逆变换,得到了颅内液体压力、颅内液体渗流速度、脑组织有效应力、脑组织位移的时空分布.结果表明,颅内液体渗流对脑组织在持续性高过荷下的响应有显著影响.该文强调采用多孔弹性本构描述脑组织力学行为的适切性和必要性,为极端载荷条件下人脑生物力学响应研究提供了重要的理论见解.

低温冷冻下颅脑热-力耦合分析
陶泽, 苏丽君, 刘少宝
2024, 45(6): 710-718. doi: 10.21656/1000-0887.450118
摘要(61) HTML(18) PDF(19)
摘要:

虽然大脑是人体最重要的器官,但其在低温冷冻过程中的热-力耦合机理仍不明晰. 该文考虑颅脑特殊形状、多孔弹性、脑脊液流动、颅骨约束以及冻胀效应,建立脑组织低温冷冻热-力耦合模型,通过分析冷冻过程中的温度场、相场和脑脊液冻胀产生的压力场,发现在凝固过程中脑脊液温度保持不变,而脑组织内部最大温差可达20 K. 固-液相界面厚度约0.3 mm,推进速度约0.09 mm/s. 冻胀产生的脑组织最大位移(~0.12 mm)发生在靠近头盖骨处. 固液界面处压力梯度高达500 MPa/mm,而固体和脑脊液内部压力几乎不变. 本研究可为人类大脑的低温冷冻保存策略及脑防护提供理论支撑.

基质刚度和生长因子协同驱动上皮-间质转化的力-化耦合机制
朱鸿源, 王与帅, 林敏
2024, 45(6): 719-734. doi: 10.21656/1000-0887.450107
摘要(57) HTML(19) PDF(19)
摘要:

上皮-间质转化(epithelial to mesenchymal transition, EMT)是胚胎发育、伤口愈合、癌症发展等生理、病理过程中的关键步骤,使细胞从紧密黏附在一起的上皮状态转变为分散排布的间质状态. 该文提出了一个基质刚度和生长因子协同驱动EMT的核心调控回路模型,发现在EMT过程中,基质刚度和生长因子通过协同调控EMT激活转录因子(EMT-activating transcript factors, EMT-TFs)来改变细胞间力学黏附分子E/N-钙黏素的表达,从而影响EMT的进程与可逆性. 该模型揭示了力学和化学因素的协同作用对EMT过程中细胞间力学黏附的影响机制,为研究癌症等疾病的发生、发展机制和防治策略奠定了理论基础.

流-固耦合作用下小尺寸肾结石引发的输尿管疼痛响应
刘勇岗, 苏丽君
2024, 45(6): 735-752. doi: 10.21656/1000-0887.450095
摘要(58) HTML(17) PDF(33)
摘要:

肾结石引发的输尿管疼痛长期折磨着人类,严重影响着人们的生活质量. 然而,目前临床上由于缺乏肾结石与输尿管相互作用的定量分析,泌尿医师无法针对不同患者制定精准的个性化治疗及镇痛方案. 针对该问题,以小尺寸肾结石为例,基于耦合Euler-Lagrange(CEL)算法的流-固耦合有限元方法分析了进入输尿管管腔内的小尺寸肾结石与输尿管的相互作用规律,并基于已建立的输尿管疼痛模型,对由输尿管内小尺寸肾结石引发的输尿管疼痛进行了定量化研究. 有限元分析结果表明,当结石直径小于输尿管内径时,结石会在输尿管壁蠕动作用下与输尿管发生动态接触,造成输尿管内壁上出现动态应力. 随着输尿管壁蠕动幅度增大,结石的移动速度增大,且结石与输尿管接触的概率减小,同时输尿管壁上的接触应力也会降低. 将应力结果输入输尿管疼痛模型计算对应的中心传输神经元细胞膜电位,结果表明,疼痛水平随时间的变化与动态应力随时间的变化趋势类似,在应力交替变化的情况下,疼痛程度并不会随应力降为零应力而降低至疼痛阈值以下,表现出疼痛程度与应力水平不对等的特征. 该研究所得结果可以结合当前临床上已有的医学影像技术和计算机领域的大数据与人工智能等技术,有望为个性化精准诊断结石患者病况并定量化评估患者疼痛程度,从而制定个性化治疗方案的精准医疗临床策略提供理论基础.

张力调控影响创口重塑的数值模拟研究
蔡威, 周子星, 张作启, 黄国友
2024, 45(6): 753-762. doi: 10.21656/1000-0887.450089
摘要(73) HTML(23) PDF(23)
摘要:

组织重塑普遍存在于人体的组织和器官,与形态发生、伤口愈合、纤维化发展以及癌症的扩散与转移等密切相关. 力学微环境在组织重塑过程中发挥重要作用,但是,目前张力调控影响创口重塑的规律仍不清. 该文建立了细胞主动收缩引起组织重塑的动态数理模型,并通过有限元方法模拟了不同预张力牵张组织中侧边和内部创口重塑的过程;进一步,基于该模型研究了张力调控对创口重塑的影响. 结果表明,张力调控显著影响创口重塑过程,通过适当的减张作用可以有效降低创口重塑过程中的应力水平和创口大小. 该研究有助于加深人们对于组织重塑过程中力学作用的理解,为从力学角度干预创口重塑过程提供了有用参考.

软骨终板退化对颈椎椎间盘物质运输和力学响应的影响
刘景龙, 徐鹏, 李侨, 王丽珍, 樊瑜波
2024, 45(6): 763-774. doi: 10.21656/1000-0887.450017
摘要(88) HTML(19) PDF(44)
摘要:

软骨终板内的液体流动是椎间盘营养供给和代谢废物运输的主要途径. 退化的终板刚度增加、渗透性和含水量下降,会影响椎间盘内物质运输和力学响应. 基于人体颈椎计算机断层扫描数据建立了C5-C6节段的多孔介质有限元模型. 对验证后的模型施加压缩、前屈、后伸、轴向旋转和侧弯五种载荷,通过改变终板渗透性、孔隙比和模量,分析了正常、钙化和硬化三种状态下椎间盘的响应. 结果表明:软骨终板退化增加了软骨终板和髓核的多孔压力,降低了软骨终板的流体速度. 前屈载荷下,与正常终板对比,钙化和硬化终板导致髓核内流体的多孔压力分别增加了50.8%和88.9%. 退化终板渗透率和含水量的降低导致髓核内液体不易流动,增加了髓核基体的应力,在压缩和轴向旋转载荷下,硬化终板导致髓核基体的最大主应力分别增加了122.2%和100.0%.

高灵敏度柔性多层等强度梁式力/位移传感器设计及传感理论研究
倪娜, 叶智鹏, 李东波, 赵冬
2024, 45(6): 775-786. doi: 10.21656/1000-0887.450063
摘要(66) HTML(18) PDF(19)
摘要:

针对目前柔性传感器大多数结构为薄膜形式,不利于法向集中力与位移同时测量的问题,设计并制备了一种基于多层离子皮肤(柔性电容传感片)的等强度梁式传感器. 该触觉传感器由多层离子皮肤和等强度梁构成. 当梁的自由端接触被测物时,传感器可以将力或位移转化为输出的电容信号来进行法向接触力或位移的测量. 建立了传感器电容变化量与梁自由端力/位移关系的传感理论模型,并通过力/位移加载试验对传感理论模型进行验证. 试验结果表明,传感器的传感理论模型与试验结果吻合较好,当传感器具有四层结构时,对力/位移测量的灵敏度分别为1.855 mN/pF和0.694 mm/pF. 所能测得最小力为0.02 mN,最小位移为0.01 mm,同时该传感器表现出良好线性度(R2=0.994). 该传感理论模型可为此类传感器的设计提供理论依据,在柔性机器和医疗健康检测等领域具有良好的应用前景.

超声波力学治疗学
林姝娟, 郭曜华, 齐兵, 刘少宝
2024, 45(6): 787-802. doi: 10.21656/1000-0887.450092
摘要(71) HTML(22) PDF(30)
摘要:

超声波作为一种非侵入性干预或调控手段在力学疗法中备受关注. 该文介绍了高频率高强度、低频率高强度、低频率低强度和高频率低强度四类超声波对组织/细胞的作用方法、效果与机制,以及当前新兴的超声波治疗装置,并分析了超声波力学治疗学未来的发展趋势. 有助于推动超声波力学疗法在肿瘤治疗、神经系统疾病治疗(如阿尔茨海默病、帕金森病治疗)等方面的技术进步及临床应用.

针刺疗法的力学基础
季恒, 谭为康, 巫桐雨, 舒文雅, 吴啸, 亚晓旭, 纪昌春, 王欣君, 韩玉龙
2024, 45(6): 803-822. doi: 10.21656/1000-0887.450132
摘要(54) HTML(14) PDF(23)
摘要:

针刺疗法的有效性已被大量研究证实,许多国家将其纳入医疗系统. 但是,针刺疗法的发展仍存在一些挑战,如针刺过程定量化方法缺乏、针刺技术传承困难、穴位定位精确度不足等. 随着近年来多学科交叉的发展,尤其是工程科学与医学的结合,为解决针刺技术中存在的问题提供了新的思路和方法. 该文综述了针刺技术中力学核心要素的历史发展,包括力学刺激工具(针具)、针刺过程(刺入及行针阶段)和力学刺激对象(穴位)三个部分. 通过对这三个力学要素的剖析,总结了其对针刺过程和治疗效果的定量化研究及影响. 同时,梳理了在针刺量化研究中的力学实验及模型,深化了对针刺过程的理解. 总结了针刺机器人前沿的研究成果,及其在提升针刺技术传承、推动针灸国际化进程中的作用. 最后,展望了针刺力学研究的发展方向.