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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