多载荷下带有生理限定应力的松质骨细观结构模拟

松质是骨的重要组成部分，属多胞体结构，由于构成松质骨的小梁骨尺寸较小，形状多变，因此给松质骨的研究增加了困难。本文把负反馈调节的生理特征引入骨再造模拟中，提出带有生理限定应力的骨再造自适应模型。模型具有骨再造局部适应的正反馈调节与整体控制的负反馈调节的生理调整过程，使骨结构内的应力控制在生理限定应力以下，维持骨力学环境的稳定。使用此模型在几种不同的力学环境下模拟了松质骨结构，定量地预测了松质骨细观结构与其力学环境的对应关系，同时表明了松质骨细观结构与力学环境的适应性。模拟结果与真实松质骨细观结构的典型部分相一致。     

骨组织工程化培养中成骨细胞力学响应的初步研究

由于骨具有支撑、保护、运动的功能,是承力器官,力学环境对骨组织的发生、发展有着十分重要的影响。活体研究表明:载荷可促进成骨细胞的增殖、分化和细胞外基质的分泌,及骨衬细胞的生物学活动;力学因素显著影响骨细胞生物学活动,包括骨细胞的凋亡;力学环境引起骨内细胞的协同反应,对骨组织变化起整合作用。由于骨组织力学环境如此重要,力学环境就有可能是工程化骨培养中的必要因素。由此,笔者尝试建立三维立体条件下成骨细胞力学响应的模型,研究骨内细胞的力学反应。模型包括支架材料、种子细胞和有力学作用的培养环境。支架材料除具有一般生物支架材料的要求外,还应与天然松质骨有相似的结构和力学性能,这里包括生物衍生松质骨、珊瑚支架等。种子细胞可采用乳鼠分离出的成骨细胞或成骨细胞系,接种在支架上进行培养。载荷直接施加在复合体上,复合体的表观应变被精确控制,可形成与骨活体内相似的力学环境,其中载荷可采用不同形状的波形,如正弦波、方波等。加载应变可达到0～10 000,频率0～100 Hz,大大包括了活体骨组织所受的力学环境。载荷形成细胞的力学环境是以支架材料的表观应变衡量,这正对应活体骨研究的力学指标。     

组织工程修复关节软骨缺损的力学状态研究

背景:力学状态对软骨的正常生理有重要影响,若应力集中过大将造成人工软骨退变和原宿主软骨退化,影响治疗效果.目前的各种力学手段很难实现活体软骨力学状态测量,而有限元动态分析能有效地模拟修补后软骨的受力情况.目的:通过有限元仿真研究组织工程修复膝关节软骨缺损后人工软骨和宿主软骨的力学状态.方法:以人体膝关节软骨受滚压部分为研究对象,建立滚动运动下关节软骨的有限元模型.根据行走过程中股骨与胫骨间的滚压边界条件,对软骨在取不同弹性模量、不同压缩量、不同载荷速度及不同缺损大小的情况进行了滚压受力分析.结果与结论:在滚压载荷下,植入人工软骨弹性模量和软骨压缩量的不同都使人工软骨和宿主软骨受到的Mises应力值变化,二者对修复缺损处软骨Mises应力分布的影响比较明显,是临床治疗软骨缺损和术后康复阶段值得注意的因素.模拟中使用的载荷速度和缺损大小对软骨应力值的影响不明显.当人工软骨弹性模量取某个值时,人工软骨和宿主软骨的Mises应力差别可以达到很小值,二者趋于吻合.应力差别还和个体宿主软骨的力学性能有关,据此,应针对不同病例选择最佳弹性模量的人工软骨植入.     

压缩载荷下猪腰椎间盘髓核摘除后力学行为的实验研究

为研究退变及摘除髓核后腰椎间盘的力学行为,对猪腰椎间盘进行压缩实验。髓核摘除并经胰蛋白酶处理后的椎间盘作为实验组,正常椎间盘作为对照组。考虑载荷大小及加载速率的影响,得到椎间盘应力和应变关系、瞬时弹性模量及蠕变性能,并建立了蠕变本构模型。结果发现:随着压缩载荷和加载速率的增大,实验组的应变及蠕变与对照组相比均明显增大,瞬时弹性模量与对照组相比则明显减小,这表明髓核摘除后,椎间盘的承载能力受压缩载荷大小及加载速率的影响明显大于正常椎间盘。实验组仍可以采用Kelvin三参量固体模型描述其蠕变性能,预测腰椎间盘去核后的蠕变行为。研究结果可为椎间盘疾病的临床治疗及术后康复提供理论基础。     

关节软骨微元流动电势的数值分析

目的 了解由间质液流动而产生的流动电势在关节软骨中的分布规律,获得一定的软骨电特性。方法 将流体控制方程与静电理论结合,建立软骨二维微元模型,通过有限元法计算在一定压力下微元内产生的稳态流动电势。结果 在长度为5μm处关节软骨微孔隙模型中的流动电势约为38.4μV,外压和Zeta电势对软骨模型的流动电势影响比较大,并且呈线性增长的关系。流动电势随离子数浓度的增加而减小,但浓度对软骨流动电势影响有所不同。当离子数浓度较低时,流动电势对离子数浓度依赖较大;当离子数浓度较高时,离子数浓度对流动电势的影响很小。结论 研究结果为利用电流、电场、电磁场刺激等方法对软骨细胞的分化增殖、关节软骨疾病防治和治疗、组织工程化软骨研制以及关节软骨损伤修复提供重要的理论依据。     

改变力学环境后松质骨胞元结构的预测

松质骨是骨的重要组成部分,结构疏松、多孔,由针状、片状骨小梁组成多种胞体,其结构称为胞元结构。正常生理状态下,骨质的形成与吸收呈平衡态,骨结构稳定,当骨所处的力学环境发生变化时,骨的结构形态也随之变化。松质骨细观结构数值模拟变化的力学环境与骨结构的关系目前未见报道,本文是采用带有生理限定应力的自适应生理模型与有限元相结合的方法,在力学环境发生变化后用计算机预测松质骨胞元结构;定量的研究了松质骨胞元结构从一种优化平衡态到另一种平衡态与其力学环境的关系,模拟了松质骨胞元结构的变化与力学环境的适应性。把这种骨结构预测从宏观水平提高到细观水平。     

TGF-β1,bFGF,IGF联合诱导兔脂肪基质干细胞向软骨细胞分化的实验研究

[目的]分离培养兔脂肪基质干细胞(adipose-derived stem cells,ADSCs),观察在TGF-β1,bFGF,IGF联合诱导下其生物学特性及向软骨细胞定向分化的能力.[方法]取4个月龄新西兰大白兔颈背部脂肪组织,分离、培养ADSCs.选取第3代,分为两组,实验组用软骨诱导液(含TGF-β1、bFGF、IGF)对细胞进行培养,对照组用普通高糖培养液培养,倒置显微镜观察两组细胞形态,MTT测定其增殖情况;14 d后行组织学观察(包括甲苯胺蓝染色、Ⅱ型胶原免疫组化),并实时荧光定量PCR检测两组细胞Ⅱ型胶原、蛋白聚糖、SOX 9基因的表达情况.[结果]实验组细胞逐渐变为软骨样细胞形态,增殖速度明显加快,14 d后实验组甲苯胺蓝染色、Ⅱ型胶原免疫组化阳性,对照组为阴性,荧光定量PCR结果显示实验组Ⅱ型胶原、蛋白聚糖、SOX 9的基因转录水平明显高于对照组.[结论]在TGF-β1,bFGF,IGF联合诱导条件下ADSCs增殖迅速,可高表达Ⅱ型胶原、蛋白聚糖、SOX 9,向软骨细胞定向分化.     

软骨脱细胞细胞外基质多孔支架与山羊髓核细胞生物相容性研究

目的 制备软骨脱细胞细胞外基质多孔支架,并探讨其与山羊髓核细胞的生物相容性.方法 猪关节软骨经研磨、脱细胞、冷冻干燥技术等处理制成三维多孔支架;从山羊腰椎间盘中分离出髓核细胞,培养后获取P1代细胞;四甲基偶氮唑蓝(MTT)检测支架浸提液毒性;将髓核细胞以5×106/ml的密度接种在支架上体外培养48 h,通过倒置显微镜、HE染色、死活细胞染色(LIVE/DEAD染色)、扫描电镜观察细胞在支架上的黏附及活性.结果 软骨脱细胞基质多孔支架在敷水状态下光滑透明,分离的髓核细胞呈典型的软骨细胞样形态;MTT检测各组间增殖,其差异不具有统计学意义(P＞0.05);倒置显微镜、电镜观察髓核细胞呈球状或短梭形均匀地贴附在支架内部,HE染色观察可见髓核细胞均匀分布在支架内部,LIVE/DEAD染色显示全部为绿色荧光(活细胞),未见红色荧光(死细胞).结论 软骨脱细胞基质多孔支架在组成上与髓核组织相似,与山羊髓核细胞具有良好的生物相容性,可以作为髓核组织工程的支架材料.     

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。     

以骨基质明胶及软骨基质构建一体化纤维环-髓核双相支架的实验研究

 目的 以骨基质明胶和软骨基质构建一体化纤维环-髓核双相支架,并检测其理化性能及细胞相容性。方法 制备中空骨基质明胶环,并注入脱细胞软骨匀浆,经冷冻干燥、交联后制备成一体化纤维环-髓核双相支架。行Hoechst 33258、天狼星红、HE染色,扫描电镜观察支架内部结构,检测支架孔隙率和吸水率,检测双相支架复水后的力学性能。分离山羊纤维环和髓核细胞,接种至双相支架的相应部位,体外培养48 h,扫描电镜、活/死细胞染色评价支架与细胞的生物相容性。结果 镜下Hoechst 33258染色未见细胞残留,天狼星红染色阳性,HE染色示两部分结合紧密。扫描电镜可见支架呈多孔结构,孔隙相连通,纤维环相孔径为(401.4±13.1) μm,髓核相孔径为(112.4±21.8)μm。支架孔隙率为73.37%±2.56%,支架吸水率为655.7%±78.6%。支架压缩弹性模量为(49.06±15.57)kPa,小于正常椎间盘的(135.9±28.9)kPa,但在同一数量级。扫描电镜观察细胞黏附于支架表面,细胞周围有基质分泌,live/dead细胞染色示细胞在支架上活性良好。结论 以天然骨基质明胶和软骨基质构建的一体化纤维环-髓核双相支架,无免疫原性,具有良好的孔径和孔隙率,支架两部分连接处结合紧密,在结构、生化成分及生物力学性能上与椎间盘组织相似,且具有良好的生物相容性。