仿生加载生物反应器研制及关节软骨力学行为分析

发布时间：2020-08-22 01:37

【摘要】：关节软骨是人体重要的承受力学载荷的组织,其周围的生理环境复杂。先天的畸形、突发的外伤或其他退行性病变,常造成软骨缺损,逐渐成为现代社会中影响人类健康的重大问题,关节软骨的修复需求也日益增加。目前,对关节软骨的研究集中在组织工程构建领域:一方面,运用生物反应器模拟天然软骨在体生长条件,包括生理环境和应力状态,为种子细胞和支架复合体提供适当的力学刺激,促进细胞增殖、分化,形成有结构、有功能的组织;另一方面,采用数值模拟方法,通过有限元分析等手段,评估关节软骨的力学性能,预测其生长、发育、受载、损伤及修复的过程。本文详细调研了关节软骨组织工程体外功能化构建的力学生物学背景,综述了国内外组织工程生物反应器的研究现状,完成了力学刺激在软骨组织工程中的应用、骨与软骨组织工程生物反应器相关的文献调研。在此基础上,本文设计、制造了双轴复合仿生加载生物反应器,从双轴复合加载的力学生物学和运动学背景出发,归纳、分析、总结设计要求,制造的生物反应器可为组织工程体外培养提供静态、动态压缩,动态扭转剪切等多种载荷;进一步设计了单向滚动、单向滑动同步对照仿生加载生物反应器,可为组织工程体外培养提供单向滚动、滑动,往复滚动、滑动,静态压缩等多种载荷。同时,本文综合考虑关节软骨多相性、渗透性、各向异性、膨胀性和粘弹性在内的各种力学特性,以人的步行和站立状态为背景,建立了关节软骨二维和三维有限元模型。运用ABAQUS软件,通过编写子程序,赋予关节软骨参数化的材料属性;建模过程中考虑钙化软骨和软骨下骨在关节软骨力学承载过程的作用,建立复合模型;结合人体正常步态周期中膝关节的运动模式设定边界条件,对站立和步态载荷条件下关节软骨力学行为进行有限元模拟,包括Mises应力、真实应变、孔隙压力、孔隙率和液体流动情况,总结不同力学条件和参数对关节软骨力学行为的影响。研究发现,在站立状态下,随着站立时间增加,关节软骨Mises应力、真实应变、孔隙压力、孔隙率和液体流动情况均发生明显变化;在行走过程中,滚动、滑动等载荷加载速度的变化也会影响上述参数,相对于滑动速度,滚动速度较明显地引起Mises应力变化;当不超过生理压缩载荷时,同时施加旋转载荷对上述参数无明显影响,超过生理压缩载荷后,旋转载荷将增加关节软骨内部Mises应力、孔隙压力和最大拉伸应变。因此,关节软骨对于正常生理载荷可以保持足够适应性,在行走过程中,应减少负重,避免关节软骨过载;在长时间站立情况下,关节软骨最大应力区域被逐渐转移到承载能力强的软骨下部,可能有利于透明软骨不受伤害;关节软骨之间相互挤压,该过程产生的力学刺激形成了关节软骨独特的流动模式,有利于新陈代谢;关节软骨新陈代谢的过程不仅和关节滑液产生物质交换,也通过钙化软骨、软骨下骨和血液产生物质交换。本文的研究为关节软骨功能化自组织生长实验研究提供了理论参考和实验装置,为后续开展实验研究打下了良好基础。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.01;Q811
【图文】：

内一种重要的承受力学载荷的组织，其周围或其他退行性病变，往往造成软骨缺损，产为现代社会中影响人类健康的重大问题。的过程中，需要有健康的宿主组织作为基础位并重建其功能，逐渐成为临床治疗领域一和代谢过程的特殊性，关节软骨很难自我会损伤供体区域，影响其功能，不能修复严方法供体有限，且容易传播疾病，或造成求[3]。因此，对于关节软骨缺损等疾病的治本，同时提高治疗的效果和效率的一种理想建逐渐成为一种合适的选择[4]。将体外培养，修复缺损的部位，成为软骨疾病的新兴疗适应的工程软骨的可靠方法[5]。工程软骨的效果，这减缓了工程软骨进入临床的脚步。

包括生理环境和应力状态；另一方面，采用数分析、分子动力学分析等手段，评估关节软骨损伤及修复的过程。在探索和研究的过程中，渐地揭开关节软骨功能化构建的面纱，贴近本骨组织工程态与结构关节中长骨两端表面包裹着的透明组织，如解冲击。关节软骨作为一种粘弹性组织，固细胞组成，是纤维增强型复合显微结构；液体网状，带有大量负电荷的蛋白多糖镶嵌其中，的过程中，网状的胶原纤维结构被拉伸，对软约束达到平衡，形成了软骨内部基本环境。

持正常的生理平衡，否则将出现病态，甚至退化、消尺度分别影响器官、组织和细胞的生物活性。周围力始终[9]。力学刺激保持正常，细胞适应性良好；力学强度或加载的频率，将有利于增强细胞活性；过分或相比，软骨作为一种智能材料，其结构和形态随负载物质分布，以适应复杂且多变的力学环境。在动物成原纤维结构的形成具有重要影响[11-13]。软骨细胞所受态的改变不断变化，其对力学刺激具有高度的敏感性节软骨逐渐形成了多相耦合及分层结构，适应于剪切作用[16]。工程简介新兴的科学。作为一门交叉学科，它以力学、医学、旨在通过离体培养具有生物活性和功能的、可植入的物，对出现缺失或存在缺陷的组织进行修复，恢复其

【参考文献】

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1 秦现生;牛军龙;王战玺;王文杰;洪杰;;人体膝关节运动学和动力学模型研究[J];中国医疗器械杂志;2017年01期

2 李哲;徐镭;倪国新;;不同强度跑台运动对大鼠软骨下骨三维结构的影响[J];中华物理医学与康复杂志;2016年11期

3 张晓梅;彭旭;魏诗航;施雪旎;刘艳;何学令;;力学刺激调控骨髓间充质细胞向软骨的分化[J];中国组织工程研究;2016年45期

4 龙勉;;细胞—分子层次的多尺度力学—化学—生物学耦合[J];医用生物力学;2016年04期

5 冯萌;邱裕生;陈迁;张龙;刘文光;彭航;张智;;骨关节炎骨软骨损伤修复的研究现状[J];中国矫形外科杂志;2016年14期

6 马雪梅;张春秋;高丽兰;叶金铎;张西正;;骑行时不同屈曲角度膝关节软骨受力分析[J];中国生物医学工程学报;2016年01期

7 孟迪;张春秋;刘海英;刘清;;软骨缺损形状对组织工程修复区的力学影响[J];生物医学工程与临床;2016年01期

8 余晓明;孟昊业;孙振;尹合勇;袁雪凌;郭全义;彭江;汪爱媛;卢世璧;;生物反应器中的力学刺激促进组织工程软骨再生[J];中国组织工程研究;2016年02期

9 刘清宇;王富友;刘俊利;孙欣慰;杨柳;;含有天然钙化软骨层骨软骨支架的研制[J];中华创伤杂志;2014年05期

10 翟天博;孙涛;;软骨支架复合加载装置研制[J];机械设计与制造;2014年03期

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1 孙安玉;关节软骨生物力学特性的超声测量方法研究[D];浙江大学;2015年

2 周海宇;关节软骨的生物摩擦学机理研究[D];上海交通大学;2014年

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1 赵海生;关节软骨缺损修复整合的有限元仿真及其力学实验[D];天津理工大学;2017年

2 永生;基于股骨髁关节面几何形态的软骨表面固定器设计及实验研究[D];昆明医科大学;2015年

本文编号：2800102