生物力学研究前沿系列 骨与关节生物力学PDF电子书下载

1绪论：中国骨科生物力学的发展&戴尅戎 1

1.1 生物力学的传承及发展 1

1.2 骨科生物力学的现状及发展 2

1.3 骨与关节生物力学及力学生物学 3

1.4 运动生物力学 6

1.5 骨科计算生物力学 8

1.6 总结及展望 10

参考文献 11

2骨的生物学基础：骨的组成、发育和生长&汤亭亭 乔涵 13

2.1 骨组织的基本组成 13

2.1.1 有机成分 13

2.1.2 无机成分 14

2.2 骨骼的基本形态和结构 14

2.2.1 骨膜 15

2.2.2 骨单位 15

2.2.3 骨髓 16

2.2.4 骨的血液供应 17

2.3 骨内的主要细胞成分 17

2.3.1 成骨细胞 17

2.3.2 破骨细胞 19

2.3.3 骨细胞 20

2.3.4 衬细胞 21

2.4 人体骨骼的发育和调控 21

2.4.1 软骨的形成 22

2.4.2 骨的形成 22

2.4.3 骨的钙化和矿化 24

2.5 骨组织的基本生理活动：生长、改建、重建和代谢 24

2.5.1 骨的生长 24

2.5.2 骨改建 25

2.5.3 骨重建 25

2.5.4 骨代谢 27

2.5.5 骨的力学适应性 28

参考文献 29

3骨生物力学基础：骨力学与骨重建&张西正 李昊 31

3.1 力学基本理论 31

3.1.1 载荷与变形 31

3.1.2 应力与应变 31

3.1.3 强度与刚度 33

3.1.4 蠕变与松弛 34

3.1.5 疲劳 34

3.1.6 失效 35

3.2 骨组织力学性能评价 37

3.2.1 骨组织的（准）静态力学性能 37

3.2.2 骨组织动态力学性能 40

3.3 骨组织的力学适应性 42

3.3.1 骨组织力学适应性的早期理论 42

3.3.2 骨重建 43

3.3.3 骨组织疲劳损伤与定向骨重建 46

3.4 骨重建基本理论 48

3.4.1 应力大小理论 48

3.4.2 应变能-骨密度理论 48

3.4.3 骨表面重建理论 48

3.4.4 力-电效应理论 49

3.4.5 显微裂纹理论 49

参考文献 51

4宏观-细观-微纳观多层次骨结构形态和力学性能 55

4.1 细观骨结构及其力学性能&高甲子 宫赫 55

4.1.1 细观层次的骨结构形态 55

4.1.2 基于Micro-CT扫描的骨细观结构观测 55

4.1.3 细观骨力学性能 57

4.2 微纳观骨结构形态和力学性能观测方法&张睿 宫赫 58

4.2.1 扫描电镜观察骨微观结构形貌 58

4.2.2 原子力显微镜（AFM）观测骨材料的矿物相 59

4.2.3 纳米压痕实验测量骨材料的压痕模量和硬度 60

4.3 结合宏观-细观-微纳观多层次的骨结构形态和力学性能研究&高甲子 张睿 宫赫 60

4.3.1 老龄骨退化模式的宏观-细观-微纳观实验研究 60

4.3.2 利用宏观-细观-微纳观多层次的实验研究探讨不同间歇方式的高频率低载荷机械振动对于大鼠胫骨骨折愈合的影响 67

参考文献 70

5骨与关节生物力学实验技术 73

5.1 骨骼宏观基本力学参数和测试方法&张东升 73

5.1.1 长骨试样的夹持 73

5.1.2 单向拉伸和压缩实验 74

5.1.3 骨骼扭转实验 74

5.1.4 骨骼三点弯曲实验 75

5.2 皮质骨断裂力学行为的测试&张东升 75

5.2.1 纵向裂纹扩展的断裂韧度测试 77

5.2.2 横向裂纹扩展的断裂韧度测试 78

5.2.3 疲劳裂纹扩展行为 79

5.3 关节内应力的压敏片测量技术&张东升 80

5.3.1 化学式压敏片 81

5.3.2 电子式压敏片 85

5.4 应用显微CT技术实现骨内微观变形场的测量&汪爱媛 86

5.4.1 数字图像相关法 86

5.4.2 基于计算机断层数据的骨内三维变形测量 87

5.5 内固定器械力学测试技术&张东升 91

5.5.1 内固定器械的尸体标本实验 92

5.5.2 动态疲劳测试方法 93

参考文献 94

6骨折愈合和固定的生物力学研究 97

6.1 影响骨折愈合的生物力学因素&王晓庆 李晓东 97

6.2 骨折内固定的生物力学分析&王晓庆 李晓东 98

6.2.1 股骨骨折内固定的生物力学分析 98

6.2.2 胫骨骨折内固定的生物力学分析 100

6.2.3 跟骨骨折内固定的生物力学分析 100

6.2.4 骨盆骨折内固定的生物力学分析 101

6.2.5 锁骨和上肢骨折内固定的生物力学分析 101

6.3 骨质疏松性骨折愈合方式的研究&郝永强 103

6.3.1 骨质疏松骨折愈合的生物学特点 103

6.3.2 骨质疏松骨折愈合的生物力学特点 106

6.4 机械性显微损伤及其修复机制&于志锋 107

6.4.1 骨质疏松状态下植入物周围机械性显微损伤的产生和修复 107

6.4.2 显微损伤修复过程对骨力学性能的影响 110

参考文献 112

7软骨生物力学 115

7.1 关节的结构形态&张晓玲 黄研 115

7.1.1 关节软骨的结构 115

7.1.2 软骨下骨 117

7.2 关节软骨的力学性能&高丽兰 邱璐璐 张春秋 118

7.2.1 关节软骨的力学特性 119

7.2.2 关节软骨生物力学实验研究 120

7.2.3 关节软骨的数值模拟 128

7.3 关节软骨疾病与力学环境&黄研 张晓玲 130

7.3.1 骨关节炎的病理改变 131

7.3.2 关节软骨退变的原因 131

7.3.3 力学因素与骨关节炎 133

7.4 关节软骨损伤修复的生物力学研究&张春秋 邱璐璐 高丽兰 135

7.4.1 关节软骨不同损伤类型 135

7.4.2 关节软骨损伤部位及原因 135

7.4.3 力学环境对关节软骨的影响 136

7.4.4 关节软骨缺损的力学状态 138

7.4.5 缺损关节软骨修复后的力学状态 141

参考文献 143

8脊柱生物力学 147

8.1 颈椎的生物力学&陈教想 王向阳 147

8.1.1 颈椎解剖学 147

8.1.2 颈椎运动学 150

8.1.3 颈椎动力学 153

8.2 腰椎生物力学&张凯 赵杰 158

8.2.1 腰椎解剖学 158

8.2.2 腰椎运动学 161

8.2.3 腰椎动力学 163

8.2.4 腰椎单侧椎弓根螺钉内固定的生物力学研究 166

8.3 脊柱内固定的生物力学&钱蕾 欧阳钧 168

8.3.1 脊柱骨折内固定的生物力学分析方法 169

8.3.2 脊柱前路内固定 170

8.3.3 脊柱后路固定 171

8.3.4 骨质疏松脊柱的生物力学 173

8.3.5 非融合内固定的生物力学 175

参考文献 176

9髋关节生物力学 181

9.1 髋关节生物力学仿真建模与分析&王成焘 王冬梅 181

9.1.1 髋关节接触问题的仿真建模分析 181

9.1.2 髋关节软骨层间质流动力学仿真建模与分析 186

9.2 人工髋关节设计中的生物力学问题&王成焘 王冬梅 周海 189

2.1 人工髋关节的典型结构 189

9.2.2 人工髋关节设计中的运动学问题 190

9.2.3 人工髋关节球头 ——髋臼的摩擦、磨损与松动 193

9.2.4 人工髋关节柄设计中的生物力学问题的要求 198

9.3 人工髋关节生物力学试验&王成焘 王冬梅 202

9.3.1 人工髋关节柄部强度试验 202

9.3.2 人工髋关节磨损试验 202

9.4 髋关节相关疾病治疗中的若干生物力学问题&王成焘 王冬梅 朱东 204

9.4.1 人工髋关节临床失效的统计分析 204

9.4.2 人工髋关节失效的生物力学分析 206

9.4.3 股骨髋臼撞击综合征的生物力学分析及治疗 209

9.5 天然与人工髋关节生物力学研究展望&王冬梅 朱东 212

参考文献 213

10膝关节生物力学 215

10.1 膝关节的生物力学研究&王长江 陈维毅 郭媛 215

10.2 人工膝关节的设计和生物力学分析&王长江 陈维毅 郭媛 216

10.2.1 人工膝关节的受力和应力分析 217

10.2.2 人工膝关节的个性化设计 222

10.3 正常下肢对线特点及影响因素&岳冰 曾一鸣 225

10.3.1 常见正常下肢对线的基本概念 225

10.3.2 国人正常下肢对线测量研究 226

10.3.3 正常下肢对线特点对人工膝关节置换假体安放的指导意义 228

10.4 后交叉韧带保留型全膝关节置换功能分析&岳冰 曾一鸣 230

10.4.1 患者资料及实验设计 230

10.4.2 PCL体内运动学分析 231

10.4.3 研究结果及对临床的指导价值 232

参考文献 234

11足踝生物力学 239

11.1 步态站立中期中足的载荷分配和力传导&牛文鑫 张明 239

11.1.1 足踝有限元建模 239

11.1.2 离体实验 241

11.1.3 站立相中足载荷再分配 242

11.2 高跟鞋对足踝影响的生物力学研究&余嘉 张明 244

11.2.1 研究平台 244

11.2.2 高跟鞋引起典型疾病的生物力学 246

11.3 跟骨骨折内固定术后即刻稳定性的生物力学&倪明 牛文鑫 248

11.3.1 离体生物力学实验 249

11.3.2 有限元分析 249

11.3.3 跟骨骨折不同固定方式的力学特点 250

参考文献 254

12低载荷机械振动对骨质疏松和骨折愈合的影响&朱东 257

12.1 低载荷机械振动对骨质疏松影响的实验研究 257

12.1.1 低载荷机械振动在对抗骨质疏松应用的国内外研究现状 257

12.1.2 低载荷机械振动对抗骨质疏松的动物实验研究 258

12.1.3 低载荷机械振动对抗骨质疏松的分子生物学实验研究 264

12.1.4 低载荷机械振动对抗骨质疏松的人体实验 265

12.2 低载荷机械振动对骨折愈合影响的研究 266

12.2.1 低载荷振动对骨折愈合影响研究及应用的国内外现状 266

12.2.2 持续与间歇低载荷机械振动对骨折愈合影响的宏观研究 268

12.2.3 持续与间歇低载荷机械振动对骨折愈合影响的微观研究 271

12.2.4 低载荷机械振动促进成骨的细胞学研究 273

12.3 低载荷机械振动对骨折愈合影响的总结与展望 276

参考文献 276

13微小RNA与骨组织力学生物学响应&郭勇 汪洋 279

13.1 miRNA概述 279

13.1.1 miRNA简介 279

13.1.2 miRNA在骨生物学方面的调节 作用 279

13.2 miRNA的力学响应 281

13.2.1 力学响应miRNAs调控软骨修复 281

13.2.2 力学响应miRNAs调控成骨分化 282

13.2.3 微重力环境下骨组织&细胞的miRNA响应 283

13.3 成骨细胞miRNA的力学响应研究 284

13.3.1 成骨分化miRNA和力学响应miRNA 285

13.3.2 成骨细胞miRNA的力学响应 285

13.3.3 力学响应miRNA靶基因的验证 287

参考文献 289

14原发性骨质疏松的力学生物学&吴江 李良 何学令 曾烨 293

14.1 原发性骨质疏松的诊断标准及生物力学考量 293

14.1.1 原发性骨质疏松的诊断标准及其意义 293

14.1.2 生物力学考量 294

14.2 原发性骨质疏松的生物力学防治策略 295

14.2.1 运动疗法在原发性骨质疏松中的研究应用 295

14.2.2 机械振动与原发性骨质疏松防治 296

14.3 原发性骨质疏松发病机理及临床的生物力学研究 297

14.3.1 原发性骨质疏松骨微结构病理学及生物力学特性改变 298

14.3.2 力学刺激对原发性骨质疏松细胞生物学活性的影响 301

14.4 原发性骨质疏松力学生物学研究的发展趋势 316

参考文献 318

15力学作用与药物耦合对骨质疏松症的影响 321

15.1 药物在骨质疏松症治疗的应用研究&王强松 321

15.1.1 药物对骨代谢中成骨细胞、破骨细胞活性的影响 321

15.1.2 类雌激素样药物对骨代谢的调节作用 322

15.1.3 药物对骨代谢中钙代谢调节系统的作用 322

15.1.4 药物对骨代谢中骨生物力学的影响 322

15.1.5 药物对骨代谢中细胞因子的影响 323

15.1.6 药物对骨代谢中信号通路的影响 323

15.2 力学刺激与药物耦合作用在骨质疏松症中治疗研究概述&王强松 刘璐 323

15.2.1 力学刺激联合药物在骨质疏松症中的治疗研究 324

15.2.2 力学刺激联合药物对成骨细胞的影响 325

15.2.3 结语 335

15.3 以组织工程技术为平台压缩载荷耦合药物的研究&刘璐 336

15.3.1 动态载荷与循环灌流反应器介绍和参数的设定 336

15.3.2 不同浓度α-ZAL对三维培养成骨细胞增殖能力的影响 337

15.3.3 α-ZAL对三维培养成骨细胞ALP活性的影响 337

15.3.4 α-ZAL对三维动态培养成骨细胞OPG/RANKL比值的影响 338

参考文献 339

16骨髓间充质干细胞的力学生物学&黄艳 樊瑜波 341

16.1 骨髓间充质干细胞的力学特性 341

16.1.1 骨髓间充质干细胞黏弹特性 342

16.1.2 骨髓间充质干细胞与分化成熟细胞的力学特性比较 342

16.1.3 基底硬度影响干细胞的分化 342

16.2 力学载荷对骨髓间充质干细胞生物学行为的影响 345

16.2.1 剪切应力对骨髓间充质干细胞的影响 346

16.2.2 张应力对骨髓间充质干细胞的影响 348

16.2.3 重力因素对骨髓间充质干细胞的影响 349

16.2.4 压应力对骨髓间充质干细胞的影响 350

16.2.5 联合加载对骨髓间充质干细胞的影响 351

16.3 力学载荷调控骨髓间充质干细胞命运的机制研究 354

16.3.1 整合素 354

16.3.2 力敏感离子通道 355

16.3.3 胞内信号转导通路 355

参考文献 356

17成骨细胞的力学响应&冷雪 王亮 359

17.1 成骨细胞对力学载荷的响应 359

17.1.1 成骨细胞对不同力学加载强度的响应 360

17.1.2 成骨细胞对不同力学加载时间的响应 362

17.2 Wnt/β-catenin信号通路与成骨细胞力学信号响应 366

17.2.1 Wnt/β-catenin信号通路 366

17.2.2 Wnt/β-catenin信号通路与成骨细胞力学信号响应 366

17.3 BMPs信号通路与成骨细胞力学信号响应 367

17.3.1 BMPs信号通路 367

17.3.2 BMPs信号通路与成骨细胞力学信号响应 368

17.4 Smurf1及蛋白酶体途径与成骨细胞力学信号响应 373

17.4.1 Smurf1及蛋白酶体途径 373

17.4.2 Smurf1及蛋白酶体途径与成骨细胞力学信号响应 374

17.5 Notch信号通路与成骨细胞力学信号响应 378

17.5.1 Notch信号通路 378

17.5.2 Notch信号通路与成骨细胞力学信号响应 378

参考文献 379

18力学作用下成骨细胞的组学研究&闫玉仙 吕琪 383

18.1 拉伸应变作用下成骨细胞的基因组学研究 383

18.1.1 拉伸应力作用下骨组织细胞的基因组学研究 384

18.1.2 拉伸应变对成骨细胞的力学作用机制 387

18.2 拉伸应变作用下成骨细胞的蛋白质组学研究 397

18.2.1 蛋白质样品制备 398

18.2.2 蛋白定量 398

18.2.3 双向凝胶电泳 398

18.2.4 数据统计分析 400

18.2.5 结果 400

参考文献 406

19力学作用下多种骨细胞的相互影响&李建宇 409

19.1 多种骨组织细胞共培养体系的建立 409

19.1.1 成骨细胞与破骨细胞的共培养体系 409

19.1.2 其他骨组织相关细胞的共培养体系 412

19.1.3 关于骨组织细胞共育体系中存在的问题 412

19.2 骨重建中骨形成与骨吸收过程的多向调控 412

19.2.1 骨重建中成骨细胞的调控通路 413

19.2.2 骨重建中破骨细胞的调控通路 413

19.2.3 骨重建中骨细胞的调控通路 415

19.3 不同力学载荷作用下多种骨组织细胞间的交互作用 415

19.3.1 力学环境下成骨细胞与破骨细胞间的相互作用 416

19.3.2 力学环境下以骨细胞为核心的调控作用 421

19.4 力学作用下骨组织细胞间相互作用的研究前景及存在问题 422

参考文献 422

20破骨细胞的力学生物学&霍波 王淑容 高颜 425

20.1 破骨细胞的基本性质 425

20.2 破骨细胞不同分化阶段的力致钙响应及机制 426

20.2.1 破骨前体细胞的分化诱导 426

20.2.2 流体剪应力引起破骨细胞的钙响应 427

20.2.3 破骨细胞分化晚期力致钙响应的敏感性减弱 430

20.2.4 流体剪应力引起破骨细胞钙响应的主要通路 431

20.3 流体剪应力作用下破骨细胞迁移的机制研究 435

20.3.1 流体剪应力引起破骨前体细胞的定向迁移 435

20.3.2 钙响应通路参与调节 流体剪应力引起的破骨前体细胞迁移 438

20.3.3 对于分化后破骨细胞，钙响应信号通路不参与调控流体剪应力引起的细胞迁移 441

20.4 结语 442

参考文献 443

21骨细胞的力学生物学响应&商澎 续惠云 王哲 杨鹏飞 447

21.1 单骨细胞的力学响应 447

21.1.1 单细胞力学研究方法和手段 447

21.1.2 单骨细胞的静态力学 450

21.1.3 单骨细胞的动态力学 451

21.2 骨细胞对压力、拉力的响应 453

21.2.1 压力对骨细胞的影响 454

21.2.2 应变对骨细胞的影响 454

21.2.3 基底刚度对骨细胞的影响 454

21.2.4 拉力对骨细胞的影响 455

21.2.5 振动对骨细胞的影响 455

21.3 骨细胞对流体剪切力的响应 456

21.3.1 骨细胞的流体微环境 456

21.3.2 流体剪切力对骨细胞的影响 457

21.3.3 骨细胞转导和传递流体剪切力信号的相关功能分子 458

21.4 微重力环境下骨细胞的力学生物学研究 460

参考文献 463

22力学载荷对干细胞成骨分化和组织工程骨构建的影响 467

22.1 力学刺激对间充质干细胞成骨分化的影响&石玉 戴尅戎 467

22.1.1 间断和连续周期性牵张应力对间充质干细胞成骨分化的不同影响 468

22.1.2 连续周期性牵张应力抑制干细胞成骨分化的机制 470

22.2 三维动态灌注培养构建组织工程化骨的研究&谢幼专 孙晓江戴尅戎 473

22.2.1 三维动态灌注培养对干细胞在载体内存活和增殖的影响 474

22.2.2 三维动态灌注培养时不同灌注速度对间充质干细胞增殖及成骨分化的影响 477

22.2.3 三维动态灌注法构建大段组织工程化骨修复羊胫骨干节 段性缺损 482

参考文献 484

23骨与软骨组织工程支架材料生物力学&李瑞欣 李晖 孟昊业 徐成 487

23.1 骨组织工程支架材料 487

23.1.1 生物衍生骨 487

23.1.2 无机材料 488

23.1.3 天然高分子材料及其复合材料 488

23.1.4 合成高分子材料及其复合材料 488

23.1.5 支架成型方法 488

23.2 力学作用对骨组织工程支架及工程化骨的影响 489

23.2.1 力学作用对骨组织工程支架及体外工程化骨的影响 489

23.2.2 力学作用对在体工程化骨的影响 494

23.3 软骨组织工程支架材料 498

23.3.1 天然高分子材料及其复合材料 499

23.3.2 合成高分子材料及其复合材料 499

23.4 力学作用对软骨组织工程支架及工程化软骨组织的影响 499

23.5 骨、软骨一体化支架材料的研究 503

23.5.1 骨、软骨界面的生物力学特征 503

23.5.2 一体化支架的构建 504

23.5.3 一体化支架材料力学性能测试 504

23.5.4 力学作用下骨软骨组织的构建 506

参考文献 507

24软骨组织工程的生物力学&卫小春 陈维毅 王小虎 张全有 511

24.1 正常软骨在生长、成熟与退化过程中的细胞力学特性 512

24.2 软骨组织工程中种子细胞传代后生物力学特性的变化 515

24.3 力学作用对软骨细胞的体外扩增与细胞表型的影响 516

24.4 力学环境对间充质干细胞（MSCS）向软骨细胞诱导分化的研究 517

24.5 基质刚度对软骨细胞生物力学特性的影响 517

24.6 总结 522

参考文献 522

25骨与软骨组织工程的力学作用和生物反应器&张春秋 李可 高丽兰 张西正 525

25.1 骨与软骨组织工程及其力学环境 525

25.1.1 力学刺激对骨与软骨组织的影响 526

25.1.2 骨与软骨组织工程 527

25.1.3 几种典型的骨与软骨组织工程生物反应器 528

25.2 通过液体媒介加载的生物反应器 529

25.3 通过固体媒介加载的生物反应器 532

25.3.1 压缩载荷 532

25.3.2 压缩叠加剪切载荷 536

25.4 通过其他媒介加载的生物反应器 540

25.5 力学载荷与生化刺激在生物反应器中的协同作用 541

25.6 骨与软骨组织工程生物反应器现存问题与发展方向 543

参考文献 545

索引 549