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1绪论：力学微环境与组织修复&吕永钢 陈国宝 1

1.1 动态的力学微环境 1

1.2 体内力学微环境调控细胞命运 2

1.3 支架降解与力学微环境 3

1.4 炎症与力学微环境 3

参考文献 4

2力对干细胞生物学行为的影响&罗庆 陈哲 张冰玉 宋关斌 5

2.1 张应力对干细胞生物学行为的影响 5

2.1.1 张应力对干细胞增殖行为的影响 6

2.1.2 张应力对干细胞分化的影响 7

2.1.3 张应力对干细胞迁移行为的影响 13

2.2 剪切力对干细胞生物学行为的影响 14

2.2.1 流体剪切力的加载装置 14

2.2.2 流体剪切力对干细胞增殖的影响 17

2.2.3 流体剪切力对干细胞分化的影响 19

2.2.4 流体剪切力对干细胞迁移的影响 25

2.3 （微）重力对干细胞生物学行为的影响 29

2.3.1 微重力/模拟微重力对干细胞增殖的影响 31

2.3.2 微重力/模拟微重力对干细胞分化的影响 33

2.3.3 （微）重力对干细胞迁移的影响 38

2.4 总结与展望 38

参考文献 39

3细胞生物力学概论&刘小菁 李良 曾烨 43

3.1 细胞的结构功能及生物力学特征 43

3.1.1 细胞膜与力学感受器 44

3.1.2 细胞质与主要细胞器的力学特性 45

3.1.3 细胞骨架（cytoskeleton）的力学特性 49

3.1.4 细胞核（nucleus）结构及生物力学特性 50

3.2 细胞的力学感受及传导机制 54

3.2.1 细胞的力学微环境 54

3.2.2 细胞的力学感受机制 56

3.2.3 细胞的力学信号传导机制 57

3.3 细胞黏附迁移与力学调控 60

3.3.1 细胞间黏附结构 61

3.3.2 整合素介导的细胞间黏附 63

3.3.3 细胞黏附与细胞表型转化 64

3.3.4 细胞迁移与力学调控 65

3.4 细胞周期的力学调控 70

3.4.1 细胞增殖的力学调控 70

3.4.2 细胞凋亡的力学调控 70

3.4.3 细胞周期的力学调控 71

参考文献 73

4药物/生长因子控释与骨组织修复&蔡开勇 胡燕 陈威震 沈新坤 77

4.1 骨组织解剖结构及功能概述 77

4.1.1 器官水平的骨结构 77

4.1.2 细胞和组织水平的骨结构 78

4.1.3 骨的主要功能 80

4.2 骨修复过程中参与的细胞及其胞外微环境 80

4.2.1 间充质干细胞/成骨细胞及其外微环境 81

4.2.2 破骨细胞及其外微环境 81

4.2.3 炎症细胞及其外微环境 82

4.3 层层自组装技术在骨修复中的应用 83

4.3.1 层层自组装技术原理 84

4.3.2 层层自组装技术的基本特征 84

4.3.3 常见层层自组装涂层的种类 84

4.4 药物储池系统在骨修复中的应用 89

4.4.1 TiO纳米管储池 89

4.4.2 微弧氧化纳米坑储池 92

4.4.3 磁控聚合物型药物储池 94

4.5 药物储池及静电介导层层自组装技术的联合应用 95

4.6 结语 95

参考文献 95

5组织修复用微纳米生物材料&杨力 钱宇娜 李林昊 99

5.1 微纳米生物材料的结构特征与力学特性 100

5.1.1 微纳米纤维支架的结构特征与力学特性 100

5.1.2 水凝胶的结构特征与力学特性 102

5.2 微纳米生物材料的化学组成成分与力学性能 104

5.2.1 天然高分子聚合物 104

5.2.2 人工合成聚合物 109

5.2.3 无机非金属生物材料 111

5.3 多功能微纳米材料的制备 111

5.3.1 多组分复合微纳米材料 112

5.3.2 “核-壳”结构微纳米材料 113

5.3.3 复合结构微纳米材料 115

5.4 微纳米生物材料理化环境的生物学响应 117

5.4.1 细胞对生物材料的力学响应 117

5.4.2 表面亲疏水性对材料异物反应的影响 118

5.4.3 孔隙率对细胞渗透的影响 118

5.4.4 纤维排列方向对细胞接触诱导的影响 120

5.5 总结与展望 121

参考文献 122

6骨组织修复生物力学&吕永钢 陈国宝 125

6.1 基质力学与骨组织修复 125

6.1.1 2D与3D不同刚度基质的制备 126

6.1.2 基质力学对骨组织细胞生物学行为的影响 127

6.2 流体剪切力与骨组织修复 132

6.2.1 剪切力对细胞黏附、增殖和迁移的影响 133

6.2.2 剪切力对细胞骨架重排的影响 133

6.2.3 剪切力对ECM产生（production）、沉积（deposition）和矿化（mineralization）的影响 135

6.2.4 剪切力对细胞分化的影响 137

6.3 拉伸应力与骨组织修复 138

6.3.1 机械拉伸对细胞取向、增殖和迁移的影响 138

6.3.2 机械拉伸对细胞成骨分化的影响 139

6.4 压缩应力与骨组织修复 140

6.5 机械振动与骨组织修复 142

6.6 微重力与骨组织修复 144

6.6.1 微重力对成骨细胞的影响 145

6.6.2 微重力对骨细胞的影响 145

6.6.3 微重力对破骨细胞的影响 146

6.6.4 微重力对MSCs的影响 148

6.7 两种或多种力学刺激方式联合促进骨修复 149

6.8 结语 150

参考文献 151

7软骨修复生物力学&杨力 宋阳 155

7.1 软骨生理学 155

7.1.1 关节软骨 155

7.1.2 其他软骨组织 158

7.2 软骨生物力学与软骨力学损伤 158

7.2.1 软骨生物力学 159

7.2.2 软骨力学损伤 160

7.3 软骨损伤修复生物力学研究方法 162

7.3.1 软骨细胞学加载研究手段 162

7.3.2 软骨损伤动物模型建立 164

7.4 生长因子在软骨修复生物力学中的作用 165

7.4.1 转化生长因子超家族 166

7.4.2 骨形成蛋白（bone morphogenetic proteins，BMP） 167

7.4.3 胰岛素生长因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1） 168

7.5 生物材料在软骨损伤修复生物力学中的作用 168

7.5.1 软骨修复生物材料的生物力学设计原则 169

7.5.2 典型软骨损伤及再生支架 170

7.5.3 关节置换材料 172

7.6 干细胞在软骨修复生物力学中的作用 174

参考文献 176

8前交叉韧带修复生物力学&吕永钢 沙永强 179

8.1 ACL的解剖学结构 179

8.2 ACL损伤后组织修复 180

8.2.1 ACL损伤概率日益增加 180

8.2.2 ACL受力有限元分析及损伤后组织学变化 181

8.2.3 ACL损伤后再生困难原因 182

8.2.4 ACL损伤后组织修复研究方法 197

8.3 ACL损伤后临床修复 198

8.3.1 ACL临床重建移植物来源 199

8.3.2 移植物单束修复 200

8.3.3 移植物双束修复 200

8.3.4 ACL临床手术后康复评估 202

8.4 结语 202

参考文献 202

9肌腱修复生物力学&孙雨龙 207

9.1 肌腱的组成和结构 207

9.2 肌腱生物力学 208

9.3 肌腱修复 209

9.3.1 中心缝合 209

9.3.2 周边缝合 215

9.3.3 中心缝合结合周边缝合 216

9.3.4 初始缝合张力 221

9.3.5 肌腱部分损伤的修复 222

9.4 肌腱愈合生物力学 223

9.4.1 缝合方法与肌腱愈合 224

9.4.2 肌腱愈合过程中的抗拉强度 226

9.5 肌腱粘连 227

9.5.1 缝合方法与粘连 227

9.5.2 术后早期活动与粘连 228

9.6 挑战和展望 230

参考文献 231

10血管支架内皮化与内皮损伤修复的力学生物学&王贵学 王瑾瑄 黄玉华 赵银瓶 235

10.1 血管内支架概述 235

10.2 药物洗脱支架存在的问题 236

10.2.1 药物洗脱支架与支架内再狭窄 236

10.2.2 药物洗脱支架与支架内晚期血栓 239

10.3 快速内皮化治疗策略 240

10.3.1 材料改性促内皮化 241

10.3.2 细胞支架促内皮化 241

10.4 促支架内皮化的影响因素 248

10.4.1 材料的表面形态对内皮化的影响 248

10.4.2 黏附基质对内皮化的影响 249

10.4.3 EPCs与ECs在特异性基质裱衬表面的黏附力学特性 251

10.4.4 转基因内皮细胞支架影响因素 253

10.5 血管支架相关力学生物学 254

10.5.1 血管支架材料应具有的生物力学性质 254

10.5.2 支架植入部位的力学微环境变化及其对血管细胞的作用 255

10.5.3 支架植入部位的力学微环境对血管组织再生的影响 257

10.5.4 支架植入部位的力学微环境对血管细胞行为的影响 259

10.5.5 剪切应力对EPCs的影响 260

10.6 讨论与展望 262

10.6.1 支架内再内皮化 262

10.6.2 基因和细胞对再内皮化的影响 262

10.6.3 血管支架力学生物学 262

参考文献 263

11口腔组织修复生物力学&黄恩毅 周建萍 徐凌 舒毅 267

11.1 口腔组织来源细胞的生物力学 267

11.1.1 牙周膜细胞生物力学 268

11.1.2 口腔骨细胞生物力学 270

11.1.3 牙源性干细胞生物力学 271

11.2 口腔组织修复生物力学 273

11.2.1 牙体组织修复力学 273

11.2.2 牙周组织修复生物力学 276

11.2.3 颌骨修复生物力学 282

11.3 口腔修复材料生物力学 285

11.3.1 充填修复材料的生物力学 285

11.3.2 嵌体修复材料的生物力学 287

11.3.3 口腔种植体的生物力学 290

11.4 结语 292

参考文献 292

12胃肠道功能及胃肠道组织修复的数值模拟&汉斯·格里格森 赵静波 蒋洪波 廖东华 297

12.1 胃肠道系统的一般性结构及基本结构在不同器官中的演变 298

12.2 力-生理学 299

12.2.1 肌肉和流体响应的基本力学原理 300

12.2.2 胃-食管连接部 300

12.3 胃肠道机械功能失调 301

12.3.1 调控机理的失调 302

12.3.2 效应机制障碍 303

12.3.3 从生物工程角度对胃肠道运动功能失常的一些思考 306

12.4 食管的生物力学功能 307

12.4.1 正常食管的生物力学特性 307

12.4.2 生长、老化以及疾病导致的食管重塑 309

12.5 关于人类physiome、 GIOME及esophagiome项目 312

12.5.1 向着虚拟胃肠道（GIOME）发展 312

12.5.2 几何模型 313

12.5.3 食管结构的建模 318

12.5.4 食管的本构力学模型 319

12.5.5 对食管生理学的模拟 321

12.6 展望 322

参考文献 323

13肝胆系统修复生物力学/黄岂平 327

13.1 肝的生物力学 327

13.1.1 肝组织生物力学的一般性特点 328

13.1.2 肝组织的力学参数描述 329

13.1.3 临床肝硬度检测与疾病对肝组织力学特性的影响 332

13.2 肝损伤与修复过程中的生物力学 334

13.2.1 力-化学信号相互转化和“串话”的机制探讨 334

13.2.2 肝纤维化及其发生机制 337

13.2.3 肝星状细胞激活和肝纤维化中的生物力学问题 342

13.2.4 肝纤维化中的门静脉高压 344

13.2.5 肝纤维化的治疗及其中的生物力学 346

13.3 结语 351

参考文献 351

14红细胞重建生物力学与人工血液组织工程&王翔 熊延连 李遥金 唐福州 355

14.1 红细胞的生物力学 356

14.1.1 红细胞的生物力学特征 356

14.1.2 红细胞变形性的生物学意义 357

14.1.3 红细胞变形性的膜结构特征 358

14.2 红细胞膜蛋白的演化及变形性的获得 358

14.2.1 红细胞膜蛋白的同源性、保守性和膜蛋白的进化演变 358

14.2.2 生物进化与发育和生物多样性观察研究不同物种肌体特征（包括红细胞）形态演化 360

14.2.3 红细胞膜蛋白的演化 361

14.2.4 红细胞膜蛋白的演化与变形性的获得 362

14.2.5 红细胞膜蛋白的演化与红细胞携氧功能 363

14.3 血液红细胞及血液代用品携氧-释氧功能的评价体系 364

14.3.1 红细胞携氧-释氧功能 364

14.3.2 血液红细胞携氧-释氧功能的平衡稳态表征 366

14.3.3 血液携氧-释氧的动力学过程 367

14.4 基于膜蛋白结构力学的红细胞重建 370

14.4.1 血液组织工程-血液代用品现状 370

14.4.2 新型血液代用品：基于膜结构蛋白的重建红细胞 371

14.5 总结 376

参考文献 377

15生物力学组织修复与低温保存&张绍志 陈光明 379

15.1 低温保存概述 379

15.2 成骨细胞和软骨细胞的低温保存 382

15.2.1 成骨细胞的低温保存 382

15.2.2 软骨细胞的低温保存 383

15.3 肌腱、韧带、骨组织、软骨组织及工程化骨的低温保存 384

15.3.1 肌腱和韧带的低温保存 384

15.3.2 骨组织的低温保存 384

15.3.3 关节软骨的低温保存 385

15.3.4 组织工程骨的低温保存 386

15.4 软骨组织低温保存方案的理论设计 387

15.4.1 冻结线跟踪法 388

15.4.2 关节软骨中CPA传输扩散过程的物理模型 388

15.4.3 LT法低温保存方案的优化设计 391

参考文献 392

16组织修复用3D打印技术和诊疗设备&林柳兰 季忠 田学隆 张雨 张凌峰 395

16.1 3D打印简介及技术种类 395

16.1.1 3D打印概念 396

16.1.2 3D打印原理 396

16.1.3 技术种类 396

16.2 3D打印组织修复过程 397

16.2.1 生物3D打印的信息处理流程 397

16.2.2 CAD模型生成 397

16.2.3 生物3D打印制造 398

16.3 3D打印假体工艺 399

16.3.1 植入性假体制造工艺 399

16.3.2 基于3D打印技术的假体成形 400

16.4 3D打印组织工程支架 402

16.4.1 人工骨支架 402

16.4.2 人工软骨支架 404

16.4.3 3D打印口腔种植牙 405

16.4.4 血管组织工程支架 406

16.5 3D打印器官 408

16.5.1 肝脏的3D打印 408

16.5.2 心脏瓣膜的3D打印 408

16.5.3 皮肤的3D打印 409

16.6 生物3D打印机 410

16.7 4D打印 411

16.7.1 4D打印在生物医学方面的应用 412

16.7.2 4D打印未来应用与展望 412

16.8 血液流变学及其检测技术 413

16.8.1 血液流变学及其临床应用 413

16.8.2 血液流变仪的种类 414

16.9 红光/近红外治疗技术及设备 416

16.9.1 红光对生物组织的作用机制 416

16.9.2 红光治疗的临床应用 418

16.10 电刺激治疗技术及设备 419

16.10.1 中低频电刺激治疗技术 419

16.10.2 经颅直流电刺激治疗技术 421

16.11 颅内压无创综合检测分析 422

16.11.1 基于闪光视觉诱发电位的颅内压无创检测方法 422

16.11.2 基于TCD的颅内压无创检测方法 424

参考文献 425

17组织器官功能的微流控模拟技术&蒋稼欢 429

17.1 器官微构造概述 429

17.1.1 功能单元、界面与腔室、微环境 429

17.1.2 三维化培养：多细胞球状体，类器官，支架 431

17.1.3 器官功能离体模拟的微流控技术 432

17.2 微流控条件下离体重建器官关键功能 434

17.2.1 肺脏 434

17.2.2 肝脏 437

17.2.3 肠道 439

17.2.4 肾脏 441

17.2.5 脾脏 442

17.2.6 皮肤 443

17.2.7 心脏 446

17.2.8 大脑 448

参考文献 455

18生物信息学与组织修复生物力学&杨力 宋怿江 459

18.1 生物信息学常用分析方法 459

18.1.1 生物信息学简介 459

18.1.2 核酸序列分析 461

18.1.3 蛋白序列及结构分析 465

18.1.4 高通量数据分析 467

18.2 组织修复和生物力学研究领域应用示例 469

18.2.1 类风湿性关节炎滑膜组织基因表达分析 470

18.2.2 鼠肌腱细胞在不同发育过程基因表达分析 475

18.2.3 软骨细胞压力损伤模型中miRNA-146a的功能研究 480

18.2.4 间充质干细胞相关多组学数据分析 483

18.3 总结 484

参考文献 485

索引 489