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关键词： 生物陶瓷   Mn粉体材料   软骨损伤   氧化应激   活性氧   骨关节炎   细胞外基质   生物安全性  

摘要： 背景:Mn可参与到多种生物体内氧化还原反应中,比如作为超氧化物歧化酶2中的金属辅助基团发挥辅助清除活性氧的作用,因此近些年开发含Mn的新型抗氧化应激材料成为研究的热点。目的:探讨含Mn生物陶瓷粉体通过降低活性氧途径对软骨细胞氧化应激损伤的保护作用。方法:采用熔盐法制备含Mn生物陶瓷粉体。分离培养小鼠原代软骨细胞。在H_(2)O_(2)溶液中分别加入含0,0.15,0.30 mg/mL Mn生物陶瓷粉体,避光孵育后检测H_(2)O_(2)清除率。将第2-4代软骨细胞分别与含不同质量浓度(0,0.15,0.30 mg/mL)含Mn生物陶瓷粉体的完全培养基共培养,采用细胞活死染色检测细胞活性。将第2-4代软骨细胞(或软骨组织)分4组干预:空白对照组加入完全培养基培养,H_(2)O_(2)组加入用含H_(2)O_(2)的完全培养基培养,H_(2)O_(2)+低质量浓度Mn粉体组加入含H_(2)O_(2)+0.15 mg/mL含Mn生物陶瓷粉体的完全培养基培养,H_(2)O_(2)+高质量浓度Mn粉体组加入含H_(2)O_(2)+0.30 mg/mL含Mn生物陶瓷粉体的完全培养基,采用CCK-8法检测软骨细胞活力,2,7-二氯荧光素二乙酸酯探针检测软骨细胞活性氧生成,qRT-PCR检测软骨细胞相关因子表达,甲苯胺蓝染色检测软骨组织结构与功能。结果与结论:①两种剂量的含Mn生物陶瓷粉体均可以于体外显著清除H_(2)O_(2),并且具有质量浓度依赖性;细胞活死染色结果显示,0.15 mg/mL含Mn生物陶瓷粉体具有软骨细胞安全性,0.30 mg/mL含Mn生物陶瓷粉体存在软骨细胞毒性;②CCK-8检测结果显示,两种质量浓度的含Mn生物陶瓷粉体均可以显著减轻H_(2)O_(2)对软骨细胞活力的抑制作用,并可抑制H_(2)O_(2)诱导的软骨细胞活性氧生成,并且具有质量浓度依赖性;两种质量浓度的含Mn生物陶瓷粉体均可逆转H_(2)O_(2)诱导的软骨细胞血小板反应蛋白解整合素金属肽酶5 mRNA表达升高与蛋白聚糖mRNA表达降低;③甲苯胺蓝染色结果显示,两种质量浓度的含Mn生物陶瓷粉体均可保护氧化应激下软骨组织结构的完整,其中0.30 mg/mL含Mn生物陶瓷粉体还可以减轻软骨组织的功能损伤;④结果表明,含Mn生物陶瓷粉体可以通过清除活性氧途径维持软骨细胞外基质稳态,从而对氧化应激下的软骨细胞发挥保护作用,但0.30 mg/mL含Mn生物陶瓷粉体具有一定的软骨细胞毒性,因此更倾向使用0.15 mg/mL含Mn生物陶瓷粉体进行后续研究。

关键词： 膝关节   关节软骨   半月板   生物力学   有限元分析   有限元模型   膝骨关节炎   关节置换   人工智能   综述  

摘要： 背景:有限元分析是一种先进的计算机工程技术,利用数学近似的方法对真实人体进行模拟,可以真实反映膝关节结构内部的生物力学特征,为理解膝关节疾病发病机制、优化手术方案以及开发新型植入材料提供了有效的工具。目的:对膝关节有限元模型的建立及其在膝关节疾病研究中的应用进行综述,并展望了未来的发展趋势。方法:第一作者于2024年4月以“Finite Element Analysis,FEA,knee joint,Finite Element Model,Knee Biomechanics,Knee Osteoarthritis,Knee Prosthesis,Knee Ligaments,Meniscus”为英文检索词在PubMed和EI数据库进行检索,以“有限元分析,有限元模型,膝关节,生物力学,骨关节炎,计算模型,膝关节假体,膝关节韧带,半月板”为中文检索词在中国知网和万方数据库进行检索,最终纳入75篇文献进行分析。结果与结论:①有限元分析法利用医学影像数据获得三维人体模型,将复杂的人体关节结构简化为有限且相互连接的单元,通过对模型施加外部载荷,直观地显示膝关节内部的应力分布。②研究者通过有限元分析深入研究膝关节在不同工况下的内部应力和应变分布,可发现膝关节内部载荷分配平衡改变时,关节软骨的过度载荷及部分区域的负荷下降,这种长期异常应力会引起软骨变形和磨损,最终缺失,对于理解生物力学因素如何引起膝关节退行性变至关重要。③有研究通过有限元分析评估膝骨关节炎患者采用太极拳、步态调整等物理治疗方法的效果,结果显示这些治疗方法减少了软骨的过度负荷,为临床治疗提供了科学理论依据。④临床医生通过有限元分析在手术前进行三维重建、数据测量和模拟手术,能够优化手术治疗策略;此外,还可以通过模拟不同假体的力学特征,改进假体的形状、材料和固定方式,减少患者的并发症,提高患者的治疗效果。⑤人工智能与有限元分析相结合使得有限元模型的构建更为精确和易于操作,极大提高了临床医生医疗实践的效率和患者的治疗效果。⑥有限元分析仅是数字化的模拟,与真实物理状态仍存在一定差异。

关键词： 青少年特发性脊柱侧凸   横向侧推力   纵向撑开力   不对称应力分布   骨的机械调节原理   矫形生物力学  

摘要： 背景:青少年特发性脊柱侧凸不对称的生物力学环境会导致椎体进一步楔形变,严重时或可影响心肺功能,压迫神经。不同侧凸程度的青少年特发性脊柱侧凸应进行运动、支具或手术治疗,然而,因患者的个体差异性,选择不同矫形方式的力学机制仍不明确。目的:基于青少年特发性脊柱侧凸患者的脊柱模型,探究不同矫形方式治疗的生物力学机制,为临床治疗方式的选择提供依据。方法:基于1例青少年特发性脊柱侧凸患儿脊柱CT图像,于Mimics软件中三维重建出脊柱侧凸模型(C7-L5),在T8/T9胸廓处施加横向侧推力,在C7椎体上方施加纵向撑开力,力的大小为20,40,60,80,100,120 N,分析两种矫形方式下椎间盘凹凸侧应力、椎体凹凸侧位移和脊柱Cobb角变化。结果与结论:①横向侧推力下,C7T1-T7T8椎间盘应力无明显变化,T7T8-L4L5节段凹凸侧应力随着侧推力的增加先减小后增大,侧推力对T8T9附近节段的矫正效果明显,随着节段延伸至头端和尾端,矫正效果减弱;侧推120 N时,胸部Cobb角由53.2°变为32.5°,腰部Cobb角由50.2°变为43.9°;②纵向撑开力下,胸椎椎间盘应力先减小后增大,腰椎椎间盘应力均减小,C7位移最明显,节段延伸至尾端,矫正效果逐渐减弱;撑开力120 N时,胸部Cobb角由53.2°变为39.4°,腰部Cobb角由50.2°变为47.6°;③提示两种矫形方式均对脊柱侧凸程度有一定改善,胸部矫正大于腰部矫正,同时凹凸侧不对称的应力分布也得到改善,这有助于骨逐渐恢复正常生长;脊柱侧凸Cobb角较大时,适合采用纵向撑开方式,脊柱侧凸Cobb角较小时,适合采用横向侧推方式;研究结果有助于理解脊柱矫形机制并为矫形方式的选择提供理论依据。

关键词： 骨形态发生蛋白2成骨活性肽   介孔生物玻璃   纳米颗粒   邻苯二酚   成骨细胞分化   股骨髁缺损   骨组织工程   生物材料  

摘要： 背景:骨形态发生蛋白2在胚胎发育、骨骼形成和再生修复中具有重要作用,但高剂量应用与癌症发病密切相关。骨形态发生蛋白2成骨活性段L20能够有效减少癌症等不良反应,并可显著促进骨组织再生。目的:将骨形态发生蛋白2活性肽段以贻贝衍生肽模拟策略接枝在介孔生物玻璃表面,探究其对组织工程成骨性能的影响。方法:(1)采用模板法合成介孔生物玻璃纳米颗粒,采用一步法合成负载骨形态发生蛋白2成骨活性肽L20的介孔生物玻璃纳米颗粒,表征负载骨形态发生蛋白2成骨活性肽L20介孔活性玻璃纳米颗粒的形貌与体外缓释性能。(2)分离提取SD大鼠骨髓间充质干细胞,传2代后分别与PBS(空白组)、介孔生物玻璃纳米颗粒(对照组)、负载骨形态发生蛋白2成骨活性肽L20介孔生物玻璃纳米颗粒(实验组)共培养,采用细胞活死荧光染色和CCK-8法检测细胞毒性和细胞增殖,扫描电镜观察细胞黏附;成骨诱导分化后,进行碱性磷酸酶染色、茜素红S染色与成骨相关基因表达检测。(3)取15只SD大鼠,建立双侧股骨髁缺损模型,采用随机数字表法分为3组:空白组(n=5)不植入任何材料,对照组(n=5)植入介孔生物玻璃纳米颗粒,实验组(n=5)植入负载骨形态发生蛋白2成骨活性肽L20介孔生物玻璃纳米颗粒。术后8周,进行股骨Micro-CT扫描与组织形态观察。结果与结论:(1)扫描电镜下可见负载骨形态发生蛋白2成骨活性肽L20介孔生物玻璃纳米颗粒为球形、单分散颗粒,透射电镜下可见其具有多孔结构,平均粒径为(268.10±0.58) nm,体外可缓释L20。(2)负载骨形态发生蛋白2成骨活性肽L20介孔生物玻璃纳米颗粒无细胞毒性,并且可促进骨髓间充质干细胞的增殖与黏附;与空白组、对照组相比,实验组碱性磷酸酶活性与细胞外基质矿化能力均升高(P <0.05),碱性磷酸酶、Runx2、骨钙素mRNA表达升高(P <0.05)。(3)股骨Micro-CT扫描结果显示,与空白组、对照组相比,实验组新生骨量与骨密度均升高(P <0.05);苏木精-伊红与Masson染色结果显示,与空白组、对照组相比,实验组新骨生成与胶原纤维均增加。(4)结果表明,负载骨形态发生蛋白2活性肽L20介孔生物玻璃纳米颗粒具有良好的生物相容性及体内外促成骨性能,可促进SD大鼠股骨髁缺损的再生修复。

关键词： 人工草地   天然草地   跳跃落地   生物力学   青年女性  

摘要： 背景:研究发现运动者解剖结构、激素水平、神经肌肉功能等内部因素与前交叉韧带损伤风险密切相关,而运动场地材质等外部因素也成为影响非接触性前交叉韧带损伤发生的危险因素之一,但目前研究中对其关注度相对不足。目的:探讨人工草地和天然草地对青年女性跳跃落地时下肢生物力学表现影响。方法:根据测试需要将符合GB/T 20033.3-2006以及GB/T 19995.1-2005标准的人工草地和天然草地平整固定于2块三维测力台上。21名青年女性自愿受试者分别在人工草地和天然草地完成跳跃落地任务。受试者站立于台阶上随后向前跳跃,跳落至测力台后立即全力纵跳并再次落至测力台上,2次落地均要求双脚分别落至2块测力台上,整个跳跃动作流畅无停顿视为成功。同步采集下肢落地过程中运动学、动力学及肌电数据,比较分析二者差异。结果与结论:①动力学方面,在天然草地进行跳跃落地任务时初始触地时刻后向地面反作用力、纵向地面反作用力显著低于在人工草地时(P<0.05;P<0.01);峰值地面反作用力时刻二者亦显著低于在人工草地时(P<0.05;P<0.05),且表现出更高的膝关节屈曲力矩(P<0.01)。②肌电方面,在天然草地进行跳跃落地任务时初始触地时刻后100 ms内股内侧肌、股外侧肌、胫骨前肌肌电活动水平显著低于在人工草地时(P<0.05;P<0.01;P<0.05)。③结果说明,在人工草地进行跳跃落地任务时较天然草地时会出现使前交叉韧带张力升高的生物力学表现。

关键词： 六味地黄丸   卵巢早衰   肠道微生物组   氧化应激  

摘要： 背景:研究表明,卵巢早衰患者肠道菌群结构发生变化,肠道菌群失调可能是卵巢早衰发生的重要机制之一。目的:探讨六味地黄丸对环磷酰胺诱导卵巢早衰小鼠氧化应激和肠道微生物群的影响。方法:45只雌性ICR小鼠随机分为3组:空白组(正常小鼠)、模型组(卵巢早衰小鼠)、六味地黄丸组,后2组小鼠一次性腹腔注射环磷酰胺(120 mg/kg)制备卵巢早衰小鼠模型,造模成功后六味地黄丸组小鼠连续灌胃六味地黄丸(1.56 g/kg)28 d,其余2组灌胃等量生理盐水28 d,灌胃结束后取材。每周记录小鼠体质量,计算卵巢指数,苏木精-伊红染色观察小鼠卵泡的发育情况,ELISA法检测血清抗苗勒管激素、雌二醇、促卵泡激素、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和丙二醛水平,并通过16S rDNA测序检测所有小鼠的肠道微生物组。结果与结论:(1)模型组小鼠的毛发疏松,活力及抓力下降,体质量几乎无增长,卵巢指数下降;六味地黄丸治疗后小鼠的体质量高于模型组,卵巢指数也随之升高(P<0.05)。(2)模型组小鼠动情周期紊乱;六味地黄丸能恢复卵巢早衰小鼠的发情周期,减少闭锁卵泡数量。(3)模型组小鼠血清中促卵泡激素、丙二醛水平显著升高(P<0.01),血清雌二醇、抗苗勒管激素、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶水平显著下降(P<0.01);六味地黄丸组小鼠血清促卵泡激素、丙二醛水平显著降低(P<0.01),雌二醇、抗苗勒管激素、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶水平升高。(4)根据16S rDNA测序结果,六味地黄丸可调控肠道微生物群的丰度和多样性,可增加有益菌的相对丰度,KEGG通路分析显示,肠道微生物群与代谢途径、次生代谢产物的生物合成、不同环境中的微生物代谢、氨基酸的生物合成等通路受六味地黄丸的调控。(5)结论:肠道微生物组的改变可能是六味地黄丸治疗卵巢早衰的潜在机制之一。六味地黄丸能调节肠道微生物组结构,增加有益菌数量,减少有害菌数量,从而改善肠道微生态平衡。这种调节作用有助于降低氧化应激水平,进一步抑制卵巢早衰小鼠卵巢氧化应激。

关键词： 特发性脊柱侧弯   三维运动捕捉   步态   平地行走   运动学   动力学   运动模式   全脊柱X射线片  

摘要： 背景:脊柱侧弯的生物力学分析病例数量有限,仅限于对脊柱或下肢独立进行生物力学分析,缺乏对人体多维度整体的评估,难以反映躯干与下肢在日常活动中的运动关系,不利于综合指导临床治疗。目的:通过测量脊柱侧弯患者在步行活动中的脊柱运动学,研究脊柱不同节段及下肢运动学/动力学在步态活动中的关系,以全方位多层次评估脊柱侧弯患者与正常人群在生物力学的差异,为临床防治脊柱侧弯提供循证依据。方法:此研究为一项横断面研究,于2020年7月至2021年6月,在福州大学城、福建中医药大学附属康复医院纳入脊柱侧弯患者28例及同年龄段正常人28例。采用三维运动捕捉系统以100 Hz的采样频率捕捉步态的运动学数据,2块测力台(AMTI 400600,采样频率1500 Hz)嵌于长10 m(数据采集有效长度为4 m),宽2.4 m平地走道采集动力学数据。比较两组受试者执行平地步行时步态时空参数,运动学及动力学参数的差异。所有受试者在纳入后立即接受全脊柱X射线片测量比较两组差异。结果与结论:(1)脊柱侧弯患者肩胛带-躯干相对旋转活动度、胸廓-骨盆相对旋转活动度较正常组小(P<0.05),骨盆旋转活动度相较正常组大(P<0.05)。(2)脊柱侧弯患者髋、膝关节屈伸活动度,髋关节凹凸侧屈伸峰力矩、地反力凸侧内外向峰值较正常组小(P<0.05)。(3)脊柱侧弯患者的膝关节屈伸活动度非对称性指数、肩胛带-躯干相对旋转活动度非对称性指数、胸廓-骨盆相对旋转活动度非对称性指数较正常组大(P<0.05)。(4)上述结果证实,脊柱侧弯患者在平地行走时肩胛带-胸廓-骨盆之间僵硬的运动模式,髋膝关节屈伸活动度减少,髋关节双侧屈伸力矩峰值及地反力凸侧内外向峰值降低。这些特征可以作为康复评估及治疗方案制定的依据。

关键词： 脊柱骨折   胸腰椎骨折   有限元分析法   生物力学   应力分析   综述  

摘要： 背景:脊柱骨折最高发部位是胸腰段,其症状为后背部疼痛、后凸畸形、活动受限,或伴脊髓神经损伤引发下肢疼痛、麻木甚至截瘫等并发症。有限元法是一种数字化的计算机建模技术,能真实模拟实物模型并进行受力分析。目的:综述有限元法在脊柱胸腰段骨折中的应用。方法:在中英文文献数据库PubMed、Web of Science、中国知网中检索2024年3月之前发表的有限元分析法在脊柱胸腰段骨折中应用的相关文献,中英文检索词为“有限元分析法(finite element analysis methods)”“生物力学(biomechanical phenomena)”“应力分析(stress analysis)”“胸腰椎骨折(thoracolumbar fractures)”“脊柱骨折(spinal fractures)”,最终纳入55篇文献。结果与结论:①通过有限元法对不同病因(骨质疏松性、创伤性、病理性)导致的胸腰椎骨折进行探索,有利于对各种类型胸腰椎骨折的生物力学特征有更加深刻的认识,完善对胸腰椎骨折的个性化和精细化治疗;②单一样本或数量较少样本的有限元分析具有偶然性,未来的有限元分析需要更大的样本数量来减少样本偶然性带来的误差;③仅骨骼的刚性结构不能满足实物的完整性所具有的生物力学工况,未来的有限元模型需要尽可能纳入实物的所有结构(例如肌肉、韧带等软组织);④有限元法在骨质疏松性和创伤性胸腰椎骨折方面的研究较多,未来需要进行更加深入的研究;病理性胸腰椎骨折领域的研究较少,未来研究范围较广。

关键词： has-miR-3202   骨关节炎   生物信息学   软骨细胞   炎症   细胞增殖   细胞凋亡   老年人  

摘要： 背景:软骨细胞增殖与凋亡的失衡在骨关节炎发生发展中起着重要作用,已有研究发现hsa-miR-3202参与调节多种细胞的增殖和凋亡过程,然而尚未有研究探讨hsa-miR-3202与骨关节炎的相关性。目的:探讨hsa-miR-3202在骨关节炎软骨细胞中的表达及其对软骨细胞增殖与凋亡能力的影响。方法:①通过生物信息分析筛选骨关节炎软骨细胞中差异表达的microRNA,基于国内外研究现状,选择hsa-miR-3202进行后续研究,采用GO功能富集和KEGG通路富集对其进行靶基因预测。②选择对数生长期的人正常软骨细胞系C28/I2,随机分4组培养:正常组加入普通培养基培养24 h,更换普通培养基培养6 h,更换普通培养基继续培养;脂多糖组加入含脂多糖的培养基培养24 h,更换普通培养基培养6 h,更换普通培养基继续培养;脂多糖+NC组加入含脂多糖的培养基培养24 h,加入has-miR-3202 mimics对照转染6 h,更换普通培养基继续培养;脂多糖+hsa-miR-3202 mimics组加入含脂多糖的培养基培养24 h,加入has-miR-3202 mimics转染6 h,更换普通培养基继续培养。继续培养48 h后,采用RT-qPCR检测细胞hsa-miR-3202表达,流式细胞术检测细胞凋亡;继续培养0-72 h,采用CCK-8检测细胞增殖活力。结果与结论:①生物信息分析结果显示,hsa-miR-3202表达在骨关节炎软骨细胞中显著下调;GO功能富集与KEGG通路富集结果显示,hsa-miR-3202靶基因功能与细胞生长、凋亡密切相关。②体外细胞实验结果显示,与正常组比较,脂多糖组软骨细胞hsa-miR-3202表达与细胞增殖能力下降(P<0.05),细胞凋亡率增加(P<0.05);与脂多糖组比较,脂多糖+hsa-miR-3202 mimics组软骨细胞hsa-miR-3202表达与细胞增殖能力升高(P<0.05),细胞凋亡率减少(P<0.05)。③结果表明,hsa-miR-3202在骨关节炎软骨细胞中表达下调,其表达下调可抑制细胞增殖并促进细胞凋亡,进而影响骨关节炎疾病的发生和发展。

关键词： 生物材料   异物反应   纤维化   巨噬细胞   肌成纤维细胞   炎症   调控   组织修复  

摘要： 背景:生物材料植入体内后引发的异物反应会导致其被纤维组织包裹,阻碍植入物与宿主组织的相互作用,损害植入物的功能,进而缩短其寿命。目的:重点讨论生物材料异物反应的调控策略进展,包括基于生物材料表面改性、药物递送和仿生表面修饰的策略,同时探讨了这些方法的优势和局限性。方法:应用计算机在PubMed、Wiley、EBSCOhost、ScienceDirect和Elsevier数据库检索2000年1月至2024年3月期间的相关文献,以“biological materials,foreign body reaction,fibrosis,macrophage,myofibroblasts,inflammation,regulation,tissue repair”为检索词,最终纳入69篇文献进行分析。结果与结论:通过调整生物材料的表面特性(例如尺寸、形状、粗糙度、表面电荷、亲水性以及机械刚度等)能够减轻其对免疫系统的刺激,进而降低发生异物反应的风险;通过可控量的药物刺激产生持久的化学反应,结合使用可控降解的载体材料,可以减轻异物反应;生物材料仿生表面修饰(如两性离子涂层、蛋白质分子涂层等生物活性分子涂层)在短期能有效减轻异物反应。由于植入物和组织再生的免疫反应具有复杂性,在设计和制造植入物时也应考虑异物反应和组织再生之间的整体平衡。