一种血管张应力体外加载装置的实验研究

目的研制一种血管张应力体外加载装置,研究弹性基底(硅胶片)上的张应力、张应变分布。方法基于基底形变加载技术,研制一种接近人体血液动力学环境的血管张应力体外加载装置。利用装置中的摄像机拍摄硅胶片拉伸前后硅胶片网格点的图像并转化为数字图像,使用Matlab软件对网格点的位置特征进行计算,从而得到硅胶片的应变分布。利用万能材料试验机对硅胶片进行实验和计算得到硅胶片的力学参数,根据力学参数建立有限元模型,并对硅胶片的张应力、张应变分布进行模拟计算。将实验结果和模拟结果进行比较。结果有限元结果和实验结果基本一致,张应力、张应变的最大值均出现在加载点处,中间区域应力、应变较为均匀。硅胶片中间60%面积区域可视为均匀应变场。结论研究结果可为后期血管壁内皮细胞的动态培养以及细胞力学研究提供实验技术。     

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。     

不同频率张应变对大鼠血管平滑肌细胞外基质的影响

为研究不同频率张应变对血管平滑肌细胞(VSMC)细胞外基质(ECM)的影响,探讨不同频率张应变与血管重建(remodeling)的关系,本文应用 FX-4000TTM细胞应变加载系统,对体外培养的大鼠VSMC施加10%张应变,频率分别为0.5、1和2 Hz,加载时间为24 h,以未加载张应变的VSMC为对照组.采用Real-time RT-PCR、western blot等技术检测不同频率张应变对fibronectin、collagen I和collagen III表达的影响,以及可能参与调节的蛋白激酶p38的活性变化.结果显示:①张应变频率可以明显影响细胞外基质Fibronectin、collagen I和collagen III的mRNA的表达,其影响效果与频率大小是一种非线性关系;②蛋白激酶p38参与调节了一定频率张应变诱导的ECM的表达变化.结果表明不同频率的张应变可以影响VSMC细胞外基质表达的变化,提示频率的改变可能参与调节细胞外基质的合成与分泌;在应力引起的血管重建中频率的改变可能起着重要的作用.     

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。     

不同频率张应变对大鼠血管平滑肌细胞α-肌动蛋白表达的影响

目的研究不同频率张应变对血管平滑肌细胞表型转换的影响。方法应用FX-4000T细胞应变加载系统,对体外培养的大鼠血管平滑肌细胞施加10％应变,频率分别为0．5Hz、1Hz和2Hz,加载时间12h和24h后,采用Real time RT-PCR、Western blot、免疫荧光化学等技术检测不同频率张应变下血管平滑肌细胞的alpha-肌动蛋白（α-actin）的表达变化。以未加载张应变的血管平滑肌细胞为对照组。结果血管平滑肌细胞的α-actin的蛋白和RNA表达量在1Hz条件下比相同时相点的其他频率组均高。结论 不同频率的张应变可以影响血管平滑肌细胞α-actin的表达量,提示应变频率的改变可能参与血管平滑肌细胞表型转换的调节。     

生理性周期性张应变通过激活AMPK磷酸化抑制血管平滑肌细胞迁移

目的 探讨细胞能量代谢的关键调节因子 AMP激活的蛋白激酶AMPK在血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells, VSMCs）响应生理性周期性张应变力学刺激后对VSMCs迁移的影响。方法 采用 Flexcell-5000T体外细胞张应变加载系统,对大鼠原代培养的 VSMCs 施加10%幅度、1.25 Hz 频率的周期性张应变,模拟VSMCs在体内的生理性力学环境;以未加载周期性张应变的静态细胞为对照组,Western blotting 检测 VSMCs的 p-AMPK蛋白表达;划痕实验检测 VSMCs 迁移功能。结果 与静态组的细胞相比,生理性周期性张应变加载24 h后显著减少划痕愈合面积,提示生理性周期性张应变抑制VSMCs迁移;生理性周期性张应变加载3 h后,VSMCs的p-AMPK蛋白表达显著升高,而加载24 h后p-AMPK蛋白表达显著降低。在生理性周期性张应变加载条件下,孵育AMPK抑制剂可以在张应变加载3 h后显著降低 p-AMPK蛋白表达,而在张应变加载24 h后显著促进VSMCs迁移;在静态条件下孵育AMPK激活剂 AICAR 3 h后显著诱导p-AMPK蛋白表达,孵育24 h后显著抑制VSMCs迁移;提示p-AMPK蛋白表达参与调控VSMCs迁移。结论 生理性周期性张应变能通过激活p-AMPK蛋白表达,进而抑制VSMCs迁移,提示生理性周期性张应变调控VSMCs迁移对维持血管稳态具有重要意义。     

不同频率张应变作用下血管磷酸化HSP27的表达及其在血管平滑肌细胞迁移中的作用

目的研究血管和血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)磷酸化热休克蛋白27(heat shock protein27,HSP27)在不同频率张应变条件下的表达变化及其对VSMCs迁移的影响。方法应用血管体外应力培养系统,在频率为0.5Hz和1.25Hz、平均压力15.996 kPa(120mmHg)和平均流量50mL/min的条件下培养猪颈总动脉,培养时间为24h;又用Flexercell细胞应变加载系统,对人VSMCs施加0.5Hz和1.25Hz频率的10%张应变,加载时间为12h。然后,Western blot检测不同频率张应变作用下血管和VSMCs的磷酸化HSP27的表达变化。应用RNA干扰技术,分别观察抑制HSP27表达前后的VSMCs迁移能力变化。结果与频率为0.5Hz作用相比,1.25Hz张应变可以激活血管和VSMCs的HSP27表达,抑制VSMCs迁移。RNA干扰HSP27后,VSMCs迁移数量明显增多。结论正常生理频率张应变可能通过激活血管HSP27抑制VSMCs迁移,以维持血管正常的结构和功能。     

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。     

体外细胞培养的加力装置及压力测量的研究

目的：在一定力学作用下,机体的器官、组织、细胞和生物大分子会发生相应的形态和功能改变,这对于维持正常生理功能具有重要作用。细胞力学是组织工程和细胞工程的基础之一,在离体培养过程中对细胞施加不同的机械力以研究应力对细胞的影响是细胞力学的一个重要研究领域,也是细胞力学的重要研究手段。本研究是为了模拟在体细胞的力学环境,实现在体外培养的条件下对细胞施加力的作用,设计了一种力加载装置和相应的压力检测模块。方法：力加载装置包括应力加载模块、细胞培养室、步进电机传动模块组成。计算机通过软件驱动步进电机控制活塞在培养室内直线往复运动,实现细胞培养室内压力大小、频率和持续时间的可控变化。应力检测模块可以实时监测培养室内压力大小的变化,并与预期参数对比后通过反馈系统调节各模块的运行,实现压力加载的精准控制。结果：系统压力加载的频率调控范围为0 Hz~1Hz,压力加载范围为-71 kPa~60 kPa。结论：该系统为研究压力对细胞的影响提供了一种简单、可行的方法,实验证明系统压力加载方式准确、可行,能对离体培养的细胞进行有效的压力加载。     

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。     

周期性应力刺激对成牙骨质样细胞增殖的影响

背景：成牙骨质细胞在牙根形成、牙周病牙骨质的再生以及正畸牙根吸收的修复中起着重要的作用,其在体外培养状态下对力学信号反应特性的变化,在国内外少见报道。 目的：分析正畸牙移动张力侧及压力侧两种不同受力形式与牙骨质改建的关系。 方法：采用四点弯曲细胞力学加载仪,对体外培养的成牙骨质样细胞OCCM30分别施加2 000 με张、压应力,应用流式细胞术检测应力刺激3,6,12,24 h后OCCM30细胞周期及增殖指数的变化。 结果与结论：2 000 με张、压应力加载3,6 h后,成牙骨质样细胞OCCM30在S期的细胞百分率明显减小,细胞增殖活性降低;随着加力时间的延长,S期细胞百分率回升,加载24 h后S期细胞百分率与对照组无明显差异,细胞增殖活性恢复。张、压应力对增殖活性的影响趋势一致,相互之间差别无显著性意义。     

Study on Fluid Shear Flow on Osteoblast-like Cells in Their Tensile Loading Experiments

In vitro cell loading experiments are used to investigate stimulation of strain to cellular proliferation. As the flowing conditions of culture fluid in loading systems has been little known, strictly people can not detect the influence of strain to cellular proliferation exactly because shear flow can enhance cell proliferation either. Based on the working principle and cyclic loading parameters, we simplify Navier-Stokes equation to describe the flow of culture fluid on substrates of uniaxial and equi-biaxial fiat tensile loading systems and four point bending system. With approximate solutions, the distributions of velocity field and wall shear flow to cells are gained. Results show: shear flows are zero in the middle (or fixed point or line) of substrate for all systems, and they get larger proportionally to distance from middle and substrate elongate; the shear flow on the substrate of four point bending system is much greater than those of others. This shear flow in four point bending system, confirmed by Owan, I., et al with OPN mRNA increase in their experiment, could cause more influence to osteoblast-like cells than that caused by strain. We estimate the average magnitude of shear stress in Owan‘ s device, the results are consistent with other experimental data about shear flow. In conclusion our study makes it possible to differentiate the influence of strain on cellular proliferation to that of shear flow in loading experiments with the devices mentioned above quantitatively.     

成骨细胞的体外剪切应力加载实验的变形分析及信号转导区域探讨

目的 根据已有体外培养鼠成骨细胞的参数实验数据,估算剪切应力加载实验中细胞整体剪切形变,借以研究细胞的主要转导区域.方法 计算过程采用黏弹性力学理论,对细胞运用了标准黏弹性模型,并简化其膜所受剪切力为均匀.结果 细胞剪切力产生的细胞变形大约是引起成骨细胞相同生物学响应的拉伸加载变形的十分之一.结论 从细胞总的力学刺激生物学响应来看,剪切应力加载实验中细胞的整体变形所产生的力学转导是可以忽略的,主要转导区域在承受剪切应力的细胞膜.     

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。     

雌激素与机械张应力对骨重建相关因子的作用

背景：牙槽骨是人体骨代谢最活跃的区域之一,对于在正畸治疗过程中的女性患者容易受到雌激素水平的影响。 目的：观察雌激素对机械张应力作用下的牙周膜成纤维细胞骨重建相关因子骨保护素、核因子κB受体活化子配体mRNA表达水平的影响。 方法：利用一定浓度雌激素干预人牙周膜成纤维细胞后使用四点弯曲加力装置对细胞进行不同时间段的机械张应力加载,并利用RT-PCR检测雌激素与机械张应力共同作用后牙周膜成纤维细胞骨保护素、核因子κB受体活化子配体基因表达变化。 结果与结论：雌激素刺激后再进行机械张应力加载的人牙周膜成纤维细胞跟单纯受到机械张应力作用的人牙周膜成纤维细胞相比,骨保护素mRNA表达量明显上调,而核因子κB受体活化子配体mRNA表达量显著下降。实验表明雌激素对机械张应力状态下的牙周膜成纤维细胞骨重建相关因子核因子κB受体活化子配体、骨保护素有较强调控作用。     

Modeling of Size Dependent Failure in Cardiovascular Stent Struts under Tension and Bending

Cardiovascular stents are cylindrical mesh-like metallic structures that are used to treat atherosclerosis. The thickness of stent struts are typically in the range of 50–150 μm. At this microscopic size scale, the tensile failure strain has been shown to be size dependent. Micromechanically representative computational models have captured this size effect in tension. In this paper polycrystalline models incorporating material fracture are used to investigate size effects for realistic stent strut geometries and loading modes. The specific loading a stent undergoes during deployment is uniquely captured and the implications for stent design are considered. Fracture analysis is also performed, identifying trends in terms of strut thickness and loading type. The results show, in addition to the size effect in tension, further size effects in different loading conditions. The results of the loading analyses are combined to produce a tension and bending failure graph. This design safety diagram is presented as a tool to predict failure of stent struts. This study is particularly significant given the current interest in producing smaller stents.