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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miRNA285

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