血管张应力体外加载装置的研制

背景：国内外已经研制出多种体外细胞张应力加载装置,主要拉伸方法有矩形基底拉伸法、圆形基底变形法和4点弯曲梁加载法3种,其中圆形基底变形法虽能够很好的反映体内如肺泡的扩张、血管的脉动等真实情况,但该种加载过程中膜的应变是辐射对称的;4点弯曲梁加载法能够提供的应变范围很小,加载时间有限,应变调节比较困难。 目的：采用矩形基底拉伸法研制血管张应力体外加载装置。 方法：采用机电一体化设计研制血管张应力体外加载装置,由电源模块、控制模块、传动模块和数据采集模块4个部分组成,以硅胶片为基底材料,通过对电机旋转角度和转动速度的高精度控制,实现对硅胶膜片上的拉伸控制。 结果与结论：通过测试和试验,该装置可以满足试验所需的参数范围,能够在体外模拟出人体张应力环境,初步认为该张应力加载装置的研制是成功的,实现了：①装置有两种工作模式：应力模式和应变模式,解决了基底加载装置的硅胶片材还没有实现标准化的问题。②能实现张应力在0-5×105 Pa范围内的调节。③能实现张应变在0-40%范围内的调节。④能实现0-80次/min的拉伸频率的变化,并能控制拉伸时间。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

张应力作用下体外细胞培养膜上应力分布的三维有限元分析

在自行研制细胞张应力施加装置的基础上，建立细胞张应力施加装置中生物膜三维有限元模型，模拟施加不同大小的静水压力，采用有限元应力分析的方法计算生物膜（硅胶膜）上的张应力及位移分布及其规律，为相关的细胞力学实验提供理论依据。     

体外血管内皮细胞培养装置中弹性基底的应力研究

目的对一种体外血管内皮细胞动态培养装置中弹性基底的应力情况进行研究,使装置更接近人体血流动力学环境,实验并观察不同张应力情况下平行平板流动腔中弹性基底切应力的变化。方法采用一系列静态拉伸试验拟合动态拉伸的情况,即将两种不同厚度硅胶片置于装置中,从0%开始,分别以每次间隔10%拉伸率做静态拉伸(0%、10%、20%、30%),并在保持其拉伸率不变的情况下,计算硅胶片拉伸后的腔体高度。通过计算切应力得到不同拉伸率下的切应力曲线,分析比较切应力随硅胶片厚度变化的规律。结果实验结果与理论分析基本一致。当拉伸率为30%时,0.5 mm厚度硅胶片随拉伸率的变化(腔体高度的变化),对平行平板流动腔中切应力会产生一定影响,平均和最大切应力分别减小10.1%和10.4%。结论计算平行平板流动腔中切应力必须考虑引入张应力后弹性基底厚度变化所引起的影响因素。研究结果可为体外血管内皮细胞的培养以及设计研制新型平行平板流动腔提供实验技术。     

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。     

体外内皮细胞培养装置的研制与实验研究

目的研制一种创新性的体外内皮细胞培养装置,即基于血液动力学环境的血管内皮细胞体外培养装置,介绍内皮细胞体外培养装置的研制与实验研究。方法运用血液动力学理论与方法,在课题组现有研究基础上设计并研制内皮细胞体外动态培养系统,其流动环境中切应力、正应力和张应力同时存在。并从装置的研制背景、结构与组成、设计原理、理论基础以及实验研究5个方面详细描述该装置的研制和实验研究。结果装置能够准确模拟正常生理水平下内皮细胞所处的力学环境,实现切应力、正应力、张应力分别在0~12 Pa、0~15. 96 k Pa、0~0. 5 MPa范围内的精确调控。结论装置能提供一个更接近人体生理条件的血液动力学环境,为深入探索血管内膜损伤机制提供更理想的实验环境和手段。     

拉伸基底加载成骨类细胞内应变张量分析

根据黏附在基底材料膜上成骨类细胞的形态学特征，从细胞固体模型和细胞液滴模型讨论了细胞应变张量的均匀性，导出了反映单、双轴拉伸加载下细胞的应变特征张量。引入标量场参数λ描述细胞应变的非均匀性，给出了非均匀范围与细胞黏附形态几何参数的定量关系。结果有一定的理论和实验意义。     

壁冠状动脉周向应力体外加载装置的研制

目的设计并研制壁冠状动脉周向应力体外模拟装置,实现不同程度心肌桥压迫下壁冠状动脉周向应力的体外加载。方法利用心肌桥冠状动脉血液动力学体外模拟装置,实现壁冠状动脉周向应力的体外测量。依托上述实验数据,实现不同程度心肌桥压迫下壁冠状动脉周向应力的体外加载。结果通过体外测量实验发现,壁冠状动脉近心段周向应力最大值、平均值以及波动值都会随着心肌桥压迫程度的增加而显著增大。通过壁冠状动脉周向应力的体外加载实验,验证加载波形与周向应力体外测量实验波形基本吻合。结论该装置可以实现壁冠状动脉周向应力的体外加载,为探究壁冠状动脉近端血液动力学异常对动脉粥样硬化产生及斑块破裂的影响,提供一个尽量接近在体环境、多种参数可调控的体外模拟平台。     

一种新型机械应变细胞加载装置的研制

目的研究开发一套具有自主知识产权的数控机械应变细胞加载装置,为细胞力学研究提供必要的研究手段。方法加载装置基于圆形基底形变技术,采用数字式测控系统和基于PC机平台的专用软件,实现对体外培养细胞加载牵张应变。采用MTT比色实验检测人牙周膜细胞在弹性硅橡胶细胞培养膜上的附着生长能力。采用该装置对体外培养人牙周膜细胞加载1%、10%、20%拉伸应变0.5、1和24 h,倒置相差显微镜观察细胞形态、排列的变化。结果数控机械应变细胞加载装置可对体外培养细胞加载不同强度、频率和时间的拉伸应变,具有输出应变范围大、精度高、操作方便、显示直观等优点。硅橡胶膜和对照细胞培养板接种细胞1、2、4、7、8 d后,MTT比色实验光吸收值之间无统计学差异(P>0.05),显示弹性硅橡胶膜具有良好的细胞附着生长能力。人牙周膜细胞加载10%、20%拉伸应变24 h后,细胞形态、排列发生改变,胞体呈长梭形,并成栅栏状平行排列,细胞长轴垂直于拉伸应变方向。结论数控机械应变细胞加载装置可有效地对体外培养细胞加载动态机械拉伸应变,为体外细胞力学研究提供了必要的研究手段。     

硅橡胶膜细胞载体的应力分析及生物相容性

目的 报道一种自制的硅橡胶膜细胞载体,通过三维有限元方法计算其表面应变分布情况,并作细胞生物相容性分析,对材料进行全面评价,为细胞的应力刺激实验提供理论依据。方法 将硅橡胶材料制作成0.1 cm厚的透明薄膜,结合硅橡胶材料的泊松比以及弹性模量,应用三维有限元分析软件对数据进行处理,模拟硅橡胶受到牵张应变后产生的形变;通过MTT方法比较细胞在硅橡胶和标准培养板上的生长情况,并采取体外皮下包埋实验验证硅橡胶材料是否具有生物学毒性。结果 在对材料加载0.5%~20%的过程中,有效应变范围集中在硅橡胶膜的中心区域,约占总面积的90%;同时,硅橡胶材料虽然在生物相容性方面与标准培养板存在一定差异,但其本身无生物学毒性。结论 这种自制的硅橡胶细胞载体表面应力分布良好,生物相容性尚可满足细胞培养,但表面需进一步改善,可满足细胞的牵张应变实验。     

正畸力作用下上颌尖牙牙周膜的应力应变分布

背景：口腔临床工作者可以根据牙周膜应力分布控制正畸施力的方式和大小,从而优化正畸力系统设计。 目的：分析正畸力载荷作用下牙周膜的应力应变分布。 方法：将上颌尖牙牙根近似为抛物线形柱体模型,分析上颌尖牙牙根在正畸力作用下牙周膜应力应变分布。对模型加载、求解,对近似模型在剪力、轴力、弯矩以及扭矩分别作用下牙周膜应力应变分布进行分析,并将计算结果应用到正畸力作用下牙周膜应力应变分析。 结果与结论：实验结果显示有限元分析和理论计算结果差别较小,最大为13.4%,并且高应力区出现在牙槽嵴顶部截面。正畸力作用下牙周膜中应力应变分布比较复杂,应力应变分布不仅与牙根长度,还与不同的加载力系统有关。因此临床治疗过程中,口腔医生应适当地考虑这些因素。 关键词：牙周膜;正畸力;应力应变分布;上颌尖牙;生物力学 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.13.009     

用于治疗法洛四联症的肺瓣支架有限元评估

目的:分析所提出的用于治疗法洛四联症的肺动脉瓣支架在球囊扩张和卸载后的力学行为以评估可行性。方法:应用有限元方法,设计了两类网格连接构型("X"型和"H"型)的肺动脉瓣支架,对球囊扩张支架过程和撤去球囊回缩过程进行模拟,评估应力、等效塑性应变、扩张量,分析支架网格连接方式不同产生的影响。结果:最大应力和塑性应变出现在网格交接处,但没有超过强度极限",H"型支架比"X"型支架表现出加载后更低的应力应变和卸载后更稳定的形状。结论:(1)支架两次扩张后的应力和塑性应变均在可接受范围之内,并能维持变形后的新形态,验证了治疗理念的可行性;(2)最大应力和塑性应变取决于支架网格连接方式;(3)改善支架网格的连接处可以有效降低应力应变,提高稳定性,减小锥形化。     

大鼠异体神经移植后再生神经生物力学性质研究

用Ｗｉｓｔａｒ鼠作为实验模型,切下１ｃｍ坐骨神经,再用同系Ｗｉｓｔａｒ鼠坐骨神经异体桥接,修复坐骨神经的缺损,术后２４周对Ｗｉｓｔａｒ鼠的手术侧与正常侧用指标抗张强度与弹性模量（ε＝１０％）进行测试,辅以电镜,光镜观察。     

Development of high-throughput perfusion-based microbioreactor platform capable of providing tunable dynamic tensile loading to cells and its application for the study of bovine articular chondrocytes

Mammalian cells are sensitive to extracellular microenvironments. In order to precisely explore the physiological responses of cells to tensile loading, a stable and well-defined culture condition is required. In this study, a high-throughput perfusion-based microbioreactor platform capable of providing dynamic equibiaxial tensile loading to the cultured cells under a steady culture condition was proposed. The mechanism of generating tensile stimulation to cells is based on the pneumatically-driven deformation of an elastic polydimethylsiloxan (PDMS) membrane which exerts tensile loading to the attached cells. By modulating the magnitude and frequency of the applied pneumatic pressure, various tensile loading can be generated in a controllable manner. In this study, the microbioreactor platform was designed with the aid of the experimentally-validated finite element (FE) analysis to ensure the loading of tensile strain to cells is uniform and definable. Based on this design, the quantitative relationship between the applied pneumatic pressure and the generated tensile strain on the PDMS membrane was established via FE analysis. Results demonstrated that the proposed device was able to generate the tensile strain range (0~0.12), which covers the physiological condition that articular chondrocytes experience tensile strain under human walking condition. In this study, moreover, the effect of tensile loading on the metabolic, biosynthetic and proliferation activities of articular chondrocytes was investigated. Results disclosed that the dynamic tensile loading of 0.12 strain at 1 Hz might significantly up-regulate the synthesis of glycosaminoglycans while such stimulation was found no significant influence on the metabolic activity, the synthesis of collagen, and the proliferation of chondrocytes. Overall, this study has presented a high throughput perfusion micro cell culture device that is suitable for precisely exploring the effect of tensile loading on cell physiology.     

Ab initio elastic properties and tensile strength of crystalline hydroxyapatite

We report elastic constant calculation and a “theoretical” tensile experiment on stoichiometric hydroxyapatite (HAP) crystal using an ab initio technique. These results compare favorably with a variety of measured data. Theoretical tensile experiments are performed on the orthorhombic cell of HAP for both uniaxial and biaxial loading. The results show considerable anisotropy in the stress–strain behavior. It is shown that the failure behavior of the perfect HAP crystal is brittle for tension along the z-axis with a maximum stress of 9.6 GPa at 10% strain. Biaxial failure envelopes from six “theoretical” loading tests show a highly anisotropic pattern. Structural analysis of the crystal under various stages of tensile strain reveals that the deformation behavior manifests itself mainly in the rotation of the PO₄ tetrahedron with concomitant movements of both the columnar and axial Ca ions. These results are discussed in the context of mechanical properties of bioceramic composites relevant to mineralized tissues.     

基于超弹性模型的动脉血管数值计算

目的：实验研究表明。血管在周向与轴向两种单轴向拉伸作用下表现出不同的力学特性,本文通过对血管单轴拉伸的数值计算,给出分别适用于周向和轴向荷载的模拟方法。方法：基于超弹性本构模型对轴向和周向两种单轴拉伸作用下血管的应力一应变关系进行数值计算,并结合血管组织结构特点及模型适用范围对结果进行分析,同时通过数值计算对Holzapfel．Gasser-Ogden模型中的各向异性参数对结果的影响展开讨论。结果：计算结果显示单一使用各向同性超弹性应变势函数无法准确完整的模拟两种情况下的单轴拉伸实验,周向拉伸采用各向同性超弹性本构模型的数值结果较好的吻合实验,而轴向拉伸宜采用Holzapfel-Gasser-Ogden模型。Holzapfel。Gasser-Ogden模型中各向异性参数1描述血管中两组增强纤维主方向的分散程度,y值越大即纤维平均主方向与轴向加载方向夹角越小,在外荷载作用下越容易使得纤维旋转到荷载方向;参数K描述血管中每组增强纤维主方向上纤维的分散程度。K值越大,纤维在基体中分散越广泛,材料性子越接近纤维,宏观表现越硬。结论：本文基于超弹性本构模型对轴向和周向两种单轴拉伸作用下血管的应力应变关系进行数值计算,提出分别用多项式形式的各向同性超弹性本构模型数值计算周向荷载作用下应力应变关系、Holzapfel-Gasser-Ogden各向异性超弹性本构模型数值模拟轴向荷载下力学性质,数值结果与实验吻合较好,为心血管系统的数值模拟提供指导,对血管系统的力学机制和临床研究具有重要意义。     

大腿假肢支撑期有限元分析

目的分析大腿截肢患者的硅胶套材料属性,对支撑期残肢与接受腔之间接触面的力学分布的影响,为大腿假肢适配方案中硅胶套的选取提供参考。方法利用计算机断层扫描技术获取大腿截肢患者残端与接受腔的断层图像,通过影像学信息和工程学方法,分别获取接受腔、硅胶套、残肢、骨骼等结构的三维模型;根据角度变化调整模型,获得初始接触期、负荷反应期、站立中期、站立末期、摆动前期5个时相的组装模型;根据三维动作捕捉系统Motion和Kistler三维测力平台测得的地面反作用力及髋关节角度变化的结果,对5个时相下大腿假肢模型分别进行有限元非线性接触分析;在此基础上,模拟分析了硅胶套不同弹性模量的变化对残肢表面等效应力以及剪切应力分布的影响。结果穿戴不同弹性模量的硅胶套时,残肢所受最大等效应力以及最大剪切应力在初始接触期、负荷反应期、站立中期、站立末期时相时出现在残肢内侧和接受腔口型边缘对应的残肢位置,在摆动前期时相时则出现在残肢内侧、接受腔口型边缘对应的残肢位置和坐骨周围等位置。当硅胶套弹性模量在0.98~2.70 MPa范围内变化时,在摆动前期残肢所受等效应力变化范围为13.85~23.55 k Pa,最大剪切应力变化范围为7.82~13.46 k Pa,而其他时相基本一致。结论硅胶套的力学特性影响大腿假肢残肢与接受腔之间接触面的受力分布,摆动前期残肢所受最大等效应力与最大剪切应力随硅胶套弹性模量变化大,在实际适配过程中需注意。