目的 建立T2～L5胸腰椎有限元模型并验证其有效性,为探究脊柱冲击载荷下的动态响应特性及损伤机制提供数值模型支撑.方法 基于CT扫描图像数据建立T2～L5胸腰椎三维有限元模型;仿真分析施加不同力矩下(屈伸、旋转和侧弯工况)T12～L1段载荷-转角曲线,并与文献报道的数据进行对比;对T2～6、T7～11和T12～L53段脊柱有限元模型施加不同高度下的自由落体载荷并进行仿真分析,获得轴向力峰值和弯矩,并与文献报道的数据进行对比分析.结果 T12～L1段脊柱有限元模型受不同方向力矩发生最大转角在-2.24°～1.55°,与文献数据吻合良好.在不同跌落高度下,T2～6、T7～11和T12～L5 3段脊柱有限元模型的轴向峰值力分别为1.7～5.3、1.3～5.5、1.3～7.5kN,均处于文献数据误差范围内;脊柱与椎间盘应力云图显示,椎体由外缘最先受力,椎间盘由髓核承受主要载荷,符合实际脊柱损伤发生机制.结论 所建立的T2～L5脊柱模型能够正确模拟不同工况下脊柱的生物力学行为特性,分析结果具有有效性.

背景:假体松动和磨损是导致全踝关节置换失败的主要原因,其与骨-植入物界面的微运动、关节面的接触应力和关节运动密切相关.包括衬垫和胫/距柄假体在内的人工关节部件的设计构造是影响踝关节受力、运动、接触界面微运动的关键因素,开发新型衬垫对提高人工踝关节生存率具有重要意义.目的:构建全踝关节置换有限元模型用以检测多孔结构优化型衬垫的生物力学特性,分析多孔结构优化型衬垫在减少假体微动和改善关节面接触行为方面的作用.方法:以一名健康成年人右踝关节CT扫描数据和INBONE Ⅱ系统产品手册为基础,建立包括骨骼和人工关节系统的三维模型,在经过截骨和假体安装后获得全踝关节置换模型(模型A),再通过对原始衬垫进行多孔结构改造获得G50型、G60型、D50型、D60型4种新型衬垫,将不同衬垫替换原始衬垫以建立与之相对应的优化型全踝关节置换模型(模型B-E),在5个模型上施加步态载荷模拟步态工况.比较5种模型植入物-骨界面微动和关节面接触行为的差异.结果与结论:①在步态周期下4个优化型全踝关节置换模型的假体微动小于原始模型,与模型A相比,模型B-E假体微动数值上分别下降5.4%,10.1%,8.1%及20.9%,再者优化型模型在胫骨骨槽穹顶部的高微动区域较原始模型明显缩小;②4个优化型模型获得了更大的关节面接触面积,与模型A相比,模型B-E衬垫接触面积均值分别增加了11.8%,14.7%,8.1%及32.6%;③与接触面积增大的效果类似,相较于原始模型,优化型模型的关节面接触应力不同程度下降,其中模型E的数值下降最为显著(P<0.05),归功于构成D60型衬垫Diamond晶格良好的力学属性和较大的孔隙率;④结果表明全踝关节置换使用多孔结构改良衬垫可以提高衬垫的弹性,增加其吸收关节冲击力的能力,为降低植入物-骨界面微动和改善关节接触行为创造有利条件.

背景:改善骨质疏松患者骨健康推荐的运动方式有抗阻运动和负重训练,高强度间歇训练属于高冲击性负重运动且具有明显时效性特征,然而其对骨骼的影响鲜有报道.目的:观察高强度间歇训练对去卵巢模型大鼠骨健康的影响.方法:采用随机数字表法将36只雌性SD大鼠分为假手术组、模型组和模型运动组,每组12只.切除模型组和模型运动组大鼠双侧卵巢建立骨质疏松模型,造模6周后,模型运动组大鼠进行高强度间歇训练(以90%峰值跑速运动2 min、50%峰值跑速运动1 min为1个循环,共完成9个循环,3 d/周),假手术组和模型组大鼠同期在鼠笼内安静饲养,共训练6周.末次训练后48-72 h取材进行相关指标检测.结果与结论:①与假手术组比较,模型组大鼠胫骨骨密度、最大载荷、刚度、弹性、骨小梁体积分数、骨小梁数量降低(P<0.05),骨小梁分离度升高(P<0.05);血清、腓肠肌和股骨内鸢尾素含量降低(P<0.05);腓肠肌过氧化物酶体增殖体激活受体γ共激活因子1α蛋白表达以及Ⅲ型纤连蛋白结构域蛋白5 mRNA和蛋白表达下降(P<0.05);股骨Ⅰ型胶原、Osterix、Runx2 mRNA表达下降(P<0.05),抗酒石酸酸性磷酸酶、核因子κB受体活化因子配体、破骨细胞关联受体mRNA表达升高(P<0.05).②与模型组比较,模型运动组大鼠胫骨骨密度、断裂载荷、最大载荷、刚度、弹性、骨小梁平均厚度、骨小梁数量升高(P<0.05),骨小梁分离度降低(P<0.05);血清、腓肠肌和股骨内鸢尾素含量升高(P<0.05);腓肠肌过氧化物酶体增殖体激活受体γ共激活因子1α蛋白表达以及Ⅲ型纤连蛋白结构域蛋白5 mRNA和蛋白表达升高(P<0.05);股骨Ⅰ型胶原、Osterix、Runx2 mRNA表达升高(P<0.05),抗酒石酸酸性磷酸酶、核因子κB受体活化因子配体、破骨细胞关联受体mRNA表达下降(P<0.05).③结果表明,短期高强度间歇训练可能通过上调骨骼肌肌肉因子鸢尾素水平改善去卵巢大鼠骨健康水平.

目的:针对目前国内民用飞机运送伤病员机上安置存在的问题,研制一种加装于民用客机的伤病员安置器材.方法:伤病员安置器材主要包括双层型和单元护理型2种类型,主要由铺架总成、支撑架总成、导轨锁总成等组成,主体材料均为航空铝材.该器材通过民用客机客舱内用于安装旅客座椅的地面导轨与飞机实现连接固定,无需破坏飞机结构和舱内设施,只需拆除客舱原有的部分座椅即可安装.通过抗冲击、抗振动、阻燃试验以及实装实飞验证等方法验证该器材在实际作业环境使用的可靠性.结果:该器材能够承受向前9.0g、向下8.6g、向上5.4g和侧向4.0g的极限惯性载荷,且抗振动及非金属材料阻燃性均满足适航规定的要求.经多机型实装实飞及实际伤病员接运验证,该器材保障效果良好.结论:该器材安装使用操作便捷、通用化程度高、安全可靠性强,为战时和应急情况下利用民用航空运力实施伤病员批量运送提供了技术手段.

目的:针对重症伤病员的航空医疗救援转运需求,研制一种可多体位调节、舒适、安全、可靠的机载专用救护担架.方法:该担架主要由固定支架、升降支架、支腿、升降机构、海绵担架垫和安全带等组成.其中固定支架采用八边形环状结构,由铝合金圆管折弯拼接而成,内部采用横筋和纵筋作为支撑面;升降机构设计在固定支架与升降支架之间,由拨杆插销、上横梁和下横梁组成;安全带设置在担架框架侧边处,由胸带、腹带和腿带3个部分构成.结果:该担架模拟承重80 kg的伤病员时,可以承受前向、侧向、向下、向上及后向的极限载荷强度.而且该担架顺利通过了静力加载、振动与冲击等试验验证及试飞试验,达到了 CCAR-25与GJB 150A的航空环境适应性要求.结论:该担架结构安全、使用舒适且可快捷调整伤病员体位,可用于航空医疗救援中的重症伤病员转运与救护.

目的:评估下颌骨在具有不同形态的第三磨牙或者没有第三磨牙的情况下,当遭受到前部或侧部2000N冲击力时,其应力分布.创新点:第三磨牙的存在对下颌骨的力学性能有影响,而且不同位置形态的第三磨牙对下颌骨的力学性能的影响存在差异.方法:根据一个具有完整牙列的健康下颌骨的计算机断层扫描(CT)图像构建出其三维模型,以CT图像上的Hounsfield值(HU)为基础,计算出下颌骨的力学性能参数(包括密度和杨氏模量),共分成9组数据.构建出第三磨牙分别为水平向、垂直向以及近中方向呈45度角时的完全阻生和部分阻生的共6组下颌骨计算模型.并以无第三磨牙的下颌骨为基准模型,利用有限元方法计算在下颌前部和侧面分别受到2000N的静态冲击力的情况下Von Mises应力分布.结论:有限元分析结果显示,相同载荷条件下,当第三磨牙部分阻生时的下颌骨髁突颈和角部区域的应力值比完全阻生时要大,因此具有部分阻生第三磨牙的下颌骨具有更高的骨折风险;当具有水平向部分阻生的第三磨牙时,下颌骨骨折的风险最大.对于各种计算模型,下颌骨受到侧向冲击力时,应力最大位置均位于下颌角区;对于无第三磨牙的下颌骨,应力最大位置位于髁突颈部区域,此时髁突颈更容易发生骨折.

目的 研究蛋白质水溶液挤压润滑条件下材料表面蛋白质吸附膜的动态生长特性及其影响因素.方法 利用光干涉技术测量球盘点接触在循环冲击条件下BSA蛋白质水溶液的吸附膜厚的生长过程,并研究冲击载荷、冲击次数、材料表面性质对BSA水溶液的吸附成膜特性的影响.结果 动态条件下蛋白质润滑吸附膜要比静态工况下的升高很多,冲击条件下蛋白质吸附膜不断生长,并最终达到稳定厚度.小载荷和疏水材料表面有利于蛋白质润滑吸附膜的生长.钢表面极易形成较厚吸附膜,而陶瓷表面吸附膜厚较低.结论 针对冲击载荷作用下蛋白质水溶液润滑吸附膜的生长特性研究对人工关节磨损、松动等的治疗、预防具有一定的临床指导意义.

目的 应用骨力学和Micro-CT技术,探讨刺老苞根皮对3月龄大鼠胫骨骨折显微结构和骨力学的影响.方法 60只SPF级3月龄SD雌性大鼠,在胫骨上打孔造模后,随机分为正常模型组、刺老苞根皮低剂量组[0.9 g/(kg·d)]、刺老苞根皮中剂量组[1.8 g/(kg·d)]、刺老苞根皮高剂量组[3.6 g/(kg·d)],每天一次,连续给药4 w.分别在给药14、21、28 d后,取右侧胫骨进行骨力学检测,取左侧胫骨进行Micro-CT扫描及三维重建.结果 与模型组相比,从14 d到28 d,刺老苞根皮中剂量组、刺老苞根皮高剂量组骨的结构力学参数(弹性挠度、弹性载荷、最大挠度、最大载荷)和生物力学参数(最大应力、最大应变、弹性应力、弹性应变)明显提高(P＜0.05);BV/TV、Tb.Th、Tb.V在21、28 d时刺老苞根皮中剂量组、刺老苞根皮高剂量组明显升高(P＜0.05或P＜0.01);Tb.Sp、SMI在21、28 d时,刺老苞根皮中剂量组、刺老苞根皮高剂量组明显低于模型组,差异有统计学意义(P＜0.05或P＜0.01).结论 刺老苞根皮可通过改善骨折部位骨微小结构,提高骨密度,促进骨组织结构完整性,从而提升骨的抗冲击和变形能力,使其韧性和可塑性增强,骨组织强度增加,提高胫骨骨力学性能,促进大鼠骨折修复.

目的 研究拦阻着舰产生的持续性-Gx载荷对舰载机飞行员心肺器官产生的机械性挤压 ,以判断发生损伤的风险. 方法 基于人体心肺解剖特征和文献中公开的组织材料特性建立具有较高几何精度、刚性与粘弹性相结合的人体心肺及胸骨有限元模型 ,对典型拦阻载荷作用下的心肺动力学响应进行有限元显式动力学分析. 结果 ①心脏最大应力出现在心脏连接处 ,最高应力值约为1.25MPa;②肺部最大应力值出现在肺部与胸骨的挤压处 ,最高应力值约为0.7MPa;③在-Gx载荷作用下 ,肺部与胸骨之间会出现多处挤压接触. 结论 仿真研究表明 ,-Gx载荷会对人体心脏和肺部产生冲击性应力 ,导致心肺与胸骨之间的相对位移.提示在舰载机着舰阶段 ,-Gx载荷对飞行员心肺产生机械性挤压.

目的 分析空气冲击波作用下兔肺部载荷特性,为冲击波毁伤评估及其防护救治提供参考.方法 建立兔胸部二维平面模型,利用ANSYS Autodyn有限元分析软件模拟90 g TNT装药爆炸,0.5 m爆炸距离处兔胸部的动态响应.结果 在冲击波与兔胸部接触的局部区域,肺部压力首先由壁面压力波经肌肉、骨骼透射进入肺部产生;肺部其他区域的压力首先由骨骼中传播的应力波透射进入肺部产生.结论 空气冲击波作用下,兔肺部载荷由壁面压力波的直接作用和骨骼变形运动、骨骼-肺界面反射及空穴效应的间接作用共同决定.