高G环境下大鼠胫骨的力学性能

背景:随着中国航天事业的发展,飞行员面临承受高G力学环境,这种环境会对飞行员骨骼造成严重影响。而胫骨作为最容易发生骨折的骨骼之一,目前对极端力学环境下胫骨生物力学研究较少。目的:通过高G离心加载装置制作动物模型,探究不同高G力学环境对大鼠生长发育和胫骨力学性能的影响。方法:取解放军军事医学科学院实验动物中心提供的雄性Wistar大鼠,通过高G离心加载装置设置悬臂以不同的转速和加速度运行模拟高G环境,并制作动物模型。每周称量大鼠体质量。取大鼠左侧胫骨进行三点弯曲实验,计算胫骨挠度、弹性模量、极限载荷;右侧胫骨进行蠕变实验,在胫骨中段皮质骨表面施加恒定应力并保持3600 s,观察其蠕变应变变化。实验已由天津理工大学动物伦理委员会批准。结果与结论:高G环境会影响大鼠正常生长发育,抑制体质量增长并降低了大鼠胫骨的力学性能,使胫骨的极限挠度分别下降了8.1%,12.2%,37.8%,51.4%;极限载荷分别下降了16%,9%,25.2%,29%。说明极端高G环境会对大鼠产生严重的负面作用。     

滑动载荷作用下关节软骨不同层区的法向位移

目的 获得滑动载荷作用下关节软骨不同层区的法向位移分布,探讨压缩应变、滑动速率和滑动次数对不同软骨深度法向位移的影响。方法 以新鲜猪关节软骨为研究对象,采用非接触式数字图像相关技术,对滑动载荷作用下软骨不同层区的法向位移分布进行研究。 结果 滑动载荷作用下,关节软骨表层的法向位移最大,深层的法向位移最小,中间层的位移介于二者之间;随着压缩应变的增大,沿软骨厚度方向的法向位移都增大,并且表层的法向位移增加幅度最大。滑动速率越大,软骨沿厚度方向的法向位移越小。在不同的滑动次数下,法向位移随滑动时间的进行都呈上升趋势;随着滑动次数的增加,不同滑动时间时的法向位移都增大,并且发现从第1次到第2次滑动时法向位移增大最明显。结论 滑动载荷作用下,软骨不同层区的法向变形有差异,不同层区的法向位移随着压缩应变、滑动速率和滑动次数的变化而变化。本研究可以为临床软骨疾病治疗和软骨缺损修复等方面提供依据,同时对人工软骨结构组成、人工构建、力学功能评价有重要意义。     

单轴压缩下松质骨的应力率和蠕变性能北大核心

背景:松质骨是一种多孔、非均质、各向异性和具有黏弹性的结构,是骨的重要组成部分。它在负载传输和能量吸收方面起着十分重要的作用。所以对松质骨的力学行为进行研究具有重要意义。目的:探讨单轴压缩实验中应力率对松质骨性能的影响以及不同应力值下松质骨的蠕变行为。方法:以新鲜的猪股骨松质骨为实验材料,施加不同的应力率,至试样的压缩应变达到5%卸载;在松质骨表面施加恒定的应力水平,并保持7 200 s,以便观察其蠕变应变变化。结果与结论:(1)单轴压缩实验中,在同一应变条件下,随着应力率的增加,应力值、杨氏模量也增加;(2)在不同的加载率作用下,松质骨的压缩应力-应变曲线不重合,说明松质骨的压缩力学性能具有率相关性;(3)在蠕变实验中,蠕变应变随着压缩的应力的增加而增加,蠕变柔量随着应力的增加反而减少;(4)轴压缩和蠕变实验结果说明,应力率和恒定应力水平对松质骨的力学性能影响很大,以上结果可以为如何避免松质骨损伤提供参考依据。     

滚压载荷下成年和幼年软骨的棘轮行为

文题释义： 非接触数字相关技术：非接触式测量方法以前主要有光学式和气动式两种,实验采用光学式图像采集系统。图像测量技术作为一种新兴的非接触测量方法有着独特的优越性,它通过把被测对象的图像作为检测和传递信息的手段,从图像中提取有用信息进而获得待测参数,研究通过图像采集点的坐标变化从而计算出受载前后软骨的应变。 棘轮效应：材料受到拉伸或压缩时,如果力大于材料的屈服强度,那么材料就会发生塑性变形。在非对称应力控制循环加载下,材料反向变形大小就会小于初始变形,进而产生了残余应变,如此反复而产生的沿应力方向上塑性变形累积的现象,这种现象即称为棘轮效应。 背景：国内外学者对关节软骨在不同力学环境及循环压缩载荷下的受力情况做了不少研究,但均集中在循环压缩载荷对软骨的作用,有关软骨年龄因素对软骨力学特性影响的研究和软骨在复杂受力环境下的特性研究不深入。                                                      目的：研究不同滚压载荷条件对成年和幼年关节软骨棘轮行为的影响。 方法：以成年猪股骨软骨和幼年猪股骨软骨为实验对象,在不同实验条件下(压缩量：10%,20%,30%;滚压速率：1.66,3.44,6.68 mm/s;缺损宽度：1,2,4 mm)采用滚压加载装置施加载荷,同时使用非接触数字相关技术对加载过程中的试样进行图像采集,通过分析处理图像,研究循环滚压载荷作用下成年及幼年关节软骨的棘轮行为。 结果与结论：①在滚压载荷下,随着滚压循环载荷的进行,成年软骨和幼年软骨的棘轮应变都呈现先快速增加后缓慢增加的趋势;②随着压缩量的增加,成年软骨和幼年软骨的棘轮应变都增加;在相同压缩量下,幼年软骨的棘轮应变大于成年软骨,并且他们的棘轮应变沿着软骨深度从表层到深层逐渐降低;③随着滚压速率的增加,成年软骨和幼年软骨的棘轮应变减小;④1 mm微型缺损关节软骨的棘轮应变数值和趋势与完整无缺损软骨大致相同。在2,4 mm缺损状态下,缺损软骨的棘轮应变值均比同样条件下完整软骨的棘轮应变值要高。 ORCID: 0000-0003-3586-1073(李凯);0000-0002-7288-6686(高丽兰) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

骨组织的多层次生物力学特性及本构关系

骨组织是人体主要的承重器官,其承载能力与自身生物力学特性密切相关。作为一种复杂的多层次生物材料,骨组织的生物力学特性由其自身结构和生物学特性等因素共同决定。在不同程度的力学载荷下,骨组织表现出不同的生物力学特性。因此,深入研究骨组织不同层次的生物力学特性,构建能够反映骨组织生物学特性的本构关系,量化骨组织对力学载荷的响应,实现从骨组织生物力学特性到力学生物学特性的研究,为临床治疗提供精确的理论依据,一直以来都是研究者关注的重点。基于骨组织多层次生物力学特性,对近年来骨组织本构方程的相关研究进行归纳总结。     

含裂纹缺损关节软骨的单轴准静态拉伸性能

背景:关节软骨一旦出现裂纹缺损其力学性能会发生改变,而先前研究中针对受损关节软骨的探究多集中在压缩,对于拉伸性能的研究较少。目的:预先在软骨层试样上制造裂纹缺损,测试其单轴准静态拉伸性能。方法:选取新鲜成年猪膝关节的关节软骨,制备含裂纹缺损的软骨试样,在不同应力率下(0.001,0.01,和0.1 MPa/s)测试其拉伸性能,在不同恒定应力下(1,2,3 MPa)测试其蠕变性能。结果与结论:①不同应力速率下的拉伸实验中,随着应力速率的增加,达到相同应变所需的应力逐渐增大,且试件的杨氏模量随应力率的增加而增加;②不同应力速率下含裂纹缺损关节软骨的拉伸应力-应变曲线不重合,说明含裂纹缺损关节软骨的拉伸性能具有率相关性;③不同恒定拉应力水平下的蠕变实验中,蠕变应变随着拉应力水平的提高而增大,蠕变柔量随拉应力水平的提高而降低,并且随着蠕变时间的推移蠕变应变先快速增加后缓慢增加;④结果表明,不同应力率和不同恒定应力对含裂纹缺损关节软骨的拉伸力学性能影响较大,该实验结果可为缺损关节软骨的修复提供力学参考。     

一种体外贴壁细胞应变加载装置的研制

目的开发一套新型的应变加载装置,用于贴壁细胞力学生物学研究。方法该装置基于基底形变加载技术,采用可控制编程器驱动步进器,引起硅橡胶小室变形,实现多单元大应变的细胞加载;研制该装置,检测机械性能;建立硅橡胶小室的三维模型,利用有限元技术对硅橡胶小室进行仿真,分析该小室的应变场均匀性问题;采用该装置对骨髓间充质干细胞(bone marrow stromal cells,BMSCs)加载5%机械应变,频率0.5 Hz,2 h/d,持续5 d,并在倒置显微镜下观察细胞形态的变化。结果所研制的适用于体外细胞加载装置可对3组细胞加载基底实现最大至50%机械单向应变;在10%应变范围内,硅橡胶小室底部的均匀应变场面积占比保持在50%以上,保证了细胞受力均匀; BMSCs形态发生明显变化,排列方向趋于垂直主应变加载方向。结论该装置运行可靠,应变范围宽,频率可调,操作方便,可同时对多组细胞培养基底进行应变加载,为细胞力学生物学研究提供了便利条件。     

关节软骨不同层区的率相关性能研究

目的 采用不同加载速率对关节软骨进行非围限压缩试验,探究其不同层区的率相关性能。方法 采用新鲜猪关节软骨作为研究对象,结合非接触式数字图像相关技术,测试不同加载率下软骨不同层区的力学性能。结果 在恒定加载率作用下,取相同压缩应力时,软骨浅表层的压缩应变最大,深层区压缩应变最小,中间层压缩应变鉴于表层与深层之间;沿软骨厚度方向,从浅表层到深层,软骨的泊松比逐渐增大;不同加载率作用下,软骨的压缩应力 应变曲线不重合,说明关节软骨的压缩力学性能具有率相关性;随着加载速率的增大,软骨的弹性模量呈增大的趋势;取相同压缩应力时,加载率越大,不同层区的压缩应变都减小。结论 关节软骨沿厚度方向,从浅表层到深层的压缩应变逐渐减小,泊松比逐渐增大,软骨不同层区的力学性能具有率相关性。实验研究可为临床软骨疾病预防、治疗提供理论依据,同时对人工软骨力学评价具有重要意义。