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【醫學前沿】生物力學研究案例分享

更新時間:2022-09-26瀏覽:714次(ci)




在生物醫療行業,Instron 的 ElectroPuls 動靜態力學試驗設備擁有廣泛的客戶群體,在生物力學測試(shi)和研究中擁有豐富(fu)的測試(shi)經驗(yan)。本文將引用客戶測試案例,對動物(wu)骨骼骨科(ke)手術、血管組織韌帶力學研究進行(xing)分享。


*溫馨提示:本文涉及真實(shi)試(shi)驗場景,圖(tu)片可能引起不(bu)適,請謹慎(shen)點(dian)開!


案例一

動物骨骼測試

研究背景



骨(gu)質(zhi)疏(shu)松(song)是一種(zhong)全身的(de)代謝性(xing)骨(gu)骼(ge)(ge)疾病,表現(xian)為(wei)骨(gu)骼(ge)(ge)的(de)密(mi)度(du)和質(zhi)量下降,導致骨(gu)骼(ge)(ge)脆弱,容易發(fa)生(sheng)骨(gu)折(zhe)。隨著科學的(de)發(fa)展(zhan)和人類(lei)的(de)進步,人均壽命不斷延長,老年人口迅(xun)速(su)增加(jia),骨(gu)質(zhi)疏(shu)松(song)的(de)發(fa)病率也隨之(zhi)迅(xun)速(su)增加(jia),成為(wei)全球性(xing)的(de)健(jian)康(kang)問題。如何研究及(ji)有效治療骨(gu)質(zhi)疏(shu)松(song)癥已成為(wei)人們廣泛關注的(de)重要(yao)課(ke)題。


力學測試

小鼠骨生物(wu)力(li)學測試以彎(wan)曲試驗最為適用,常用的為3點彎曲試驗,用(yong)于測(ce)定骨(gu)組(zu)織在(zai)外(wai)力作用下的力學特征(zheng)和骨(gu)在(zai)受力后的生物學效應。此外(wai),也可以通過(guo)活(huo)體測(ce)試(shi)研究藥(yao)物對骨(gu)骼生長的影響(xiang)。


圖片

對大鼠(shu)或(huo)小(xiao)鼠(shu)骨骼的彎曲試驗有助于研究骨骼的強度和結(jie)構完整性


圖片

將(jiang)大鼠麻醉后(hou),安裝并對脛(jing)骨(gu)循環加(jia)載,研究力學刺(ci)激/藥物對骨(gu)骼愈合或生長等(deng)的影(ying)響。



案例二

不同內植物修復單側不穩定骨盆后環損傷的

有限元及生物力學分析

研究背景


骨盆穩(wen)定性(xing)主要(yao)由(you)骨盆后環(huan)及(ji)骶髂關(guan)節決定,近年來(lai),車禍等高能量沖擊帶來(lai)的骨盆后環(huan)損傷及(ji)骶髂關(guan)節脫位病例逐年遞(di)增。對(dui)此,手術治療是合(he)適的方法。目前臨床中存(cun)在多種內(nei)植(zhi)物(wu)修(xiu)復方式,但哪種治療方式具有更(geng)好的生物力學性能仍存在一定爭議。


本研究采用有限元仿真和力學測試結合的方式,構(gou)建(jian)不(bu)(bu)同(tong)內植物修復單側不(bu)(bu)穩定骨(gu)盆后(hou)環損傷(shang)模型并進行對(dui)比(bi),對(dui)變(bian)形位(wei)移(yi)和剛度差異(yi)采用獨立樣本 t 檢驗進行分(fen)析。



力學測試

采用 E10000 設備及定(ding)制夾具,骨盆標本牙(ya)托粉包埋,以 20mm/min 速率壓縮(suo)至 500N,記(ji)錄下(xia)骶(di)骨整體位(wei)移變化。


圖片

圖(tu)注:圖(tu)A為(wei)正常(chang)骨盆(pen)模(mo)(mo)(mo)型(xing);B為(wei)單側(ce)后(hou)環(huan)損傷骨盆(pen)模(mo)(mo)(mo)型(xing);C為(wei)前(qian)路雙鋼(gang)板修(xiu)復(fu)模(mo)(mo)(mo)型(xing);D為(wei)后(hou)路橋接(jie)鋼(gang)板模(mo)(mo)(mo)型(xing);E為(wei)拉力釘(ding)修(xiu)復(fu)模(mo)(mo)(mo)型(xing);F為(wei)后(hou)路橋接(jie)鋼(gang)板模(mo)(mo)(mo)型(xing)的X射(she)線片;G為(wei)前(qian)路雙鋼(gang)板修(xiu)復(fu)模(mo)(mo)(mo)型(xing)的X射(she)線片;H為(wei)拉力釘(ding)修(xiu)復(fu)模(mo)(mo)(mo)型(xing)的X射(she)線片


圖片

力(li)學試(shi)驗結果

圖注:圖 A 為(wei)各(ge)模型(xing)(xing)剛度;B 為(wei)各(ge)模型(xing)(xing)壓(ya)力變形(xing)。NP 為(wei)正(zheng)常骨盆模型(xing)(xing):UIP 為(wei)單側后(hou)環損傷骨盆模型(xing)(xing);ADP 為(wei)前(qian)路雙鋼板(ban)修復模型(xing)(xing);PBP 為(wei)后(hou)路橋接鋼板(ban)模型(xing)(xing);TNP 為(wei)拉力釘修復模型(xing)(xing)



案例三

振動鉆孔與常規(gui)鉆孔

對皮質骨產生微裂紋的(de)實驗研究(jiu)

研究背景


骨(gu)鉆(zhan)(zhan)孔在骨(gu)科(ke)手(shou)術中應(ying)用廣泛(fan)。鉆(zhan)(zhan)孔過程總會產(chan)生微裂(lie)紋(wen),造成疲勞損傷和應(ying)力斷裂(lie)。通過振動和常(chang)規方法鉆(zhan)(zhan)取新鮮的牛皮質骨(gu),經掃描電鏡觀(guan)察鉆(zhan)(zhan)孔部位和骨(gu)碎片(pian)。比(bi)較兩種(zhong)方式,結果發(fa)現(xian)振動鉆孔在骨科(ke)手術中可減少(shao)對骨的微(wei)損傷(shang),從而降低(di)應力性骨折的發(fa)生率,有(you)助(zhu)于術后恢復。


圖片圖左:精(jing)密切(qie)割機

圖右:鉆孔(kong)試樣


圖片

振動與常規鉆井的實(shi)驗布置


力學測試

體(ti)外鉆(zhan)孔操作(zuo)使用 ElectroPuls E10000 完成,可在(zai)保持勻速運動(dong)(V=40mm/min)的同(tong)時(shi)提(ti)供振動(dong)。常規和振動(dong)鉆(zhan)取方法分別設置不同(tong)的參數(頻率:5~20Hz, 100~500μm)。選擇產生合適溫度的條件(A=500μm, f=20Hz),通過掃描電(dian)鏡(jing)觀察并(bing)比較常規組(zu)和(he)振動組(zu)皮質骨(gu)鉆孔(kong)部(bu)位和(he)骨(gu)碎片。



案例四

聚集的平滑肌細胞合成工程血管組織

研究背景

研究目的為開發一種系統,能夠從聚集的細(xi)(xi)胞及細(xi)(xi)胞衍生的細(xi)(xi)胞外(wai)基質(ECM)快速生成工程化組(zu)織結(jie)構并對其進行以評(ping)估。將大鼠主動脈平滑肌細胞注入環狀瓊脂糖孔(內(nei)徑分別(bie)為 2,4 和 6mm),靜培養兩周后,細胞聚集形成較厚的組織環(8天 0.76 mm;14天 0.94 mm)。組織環強度和剛度值優于同等時間培養的工程組織結構。組織環的強度(100~500 kPa)和模量(0.5~2 MPa)隨組織環尺寸增大而增大,隨培養時間延長而減小。


最后,組織環在硅芯(xin)軸上培養7天融合形成管(guan)狀結構(gou)。這種系統為細胞源性(xing)組(zu)織(zhi)的優化和功(gong)能(neng)評(ping)估提供(gong)了一種多功(gong)能(neng)的新(xin)工(gong)具,并為創建組(zu)織(zhi)工(gong)程血(xue)管移植物提供(gong)了一種新(xin)方(fang)法。


組織培養系統

將大鼠主動脈平滑肌細胞注入環狀瓊脂糖孔內進行培養,細胞聚集形成較厚的組織環。側視圖(d)和俯視圖(g)顯示培養8天后,在瓊脂糖柱周圍形成一個4毫米內徑的組織環。


圖片


力學測試

使用 E1000 對組織環進(jin)行力學性(xing)能(neng)評估。將組織(zhi)環(huan)用兩個不銹鋼銷釘(夾具(ju))進行固定,并浸沒于 PBS 溶液中(zhong)。一(yi)個夾具(ju)連(lian)接(jie)到機(ji)器作動缸(gang)一(yi)端,另一(yi)個連(lian)接(jie) 1N 載荷(he)傳感(gan)器。載荷(he)(F)和位移(⊿L數據)以 10Hz 頻率連(lian)續采(cai)集(ji)。


對組織環(huan)施加 5mN 的拉伸力(li),記錄此(ci)時的標距(L g)。然后在 5mN 至(zhi) 50kPa 工程應力范(fan)圍(wei)內對組織環進行8周期的預循環加載(zai),然后以 10mm/min 的速(su)率拉伸至(zhi)斷裂。


圖片


上圖為典型的(de)應(ying)(ying)力應(ying)(ying)變(bian)曲線,顯示的(de)是 4mm 的(de)組織環培養8天后的(de)應(ying)(ying)力應(ying)(ying)變(bian)數據,通(tong)過(guo)數據分析獲得最大拉伸強度(du)(UTS)、斷裂(lie)應(ying)(ying)變(bian)、最大切模量(MTM)以及斷裂(lie)韌性(Toughness)。


圖片


組織環融合(he)形成管狀。 組(zu)織環培養 7d 轉移到外徑 1.9 mm 的硅膠芯軸(a)上,二者緊密貼合(b)。后將試管再培養7天,共14天(c),在移除硅膠芯軸后獲得管狀組織(d)。



案例五

大鼠內側副韌帶進行性損傷力學性能表征

研究背景

膝蓋是人體最復(fu)雜的關(guan)節,由肌肉、骨骼和(he)韌(ren)(ren)帶系統組(zu)成(cheng),在日(ri)常(chang)和(he)運動中(zhong)承受重復(fu)性負荷。當這(zhe)種負荷過大(da)時,會對(dui)膝關(guan)節造成(cheng)損傷(shang),導致生活質(zhi)量下降。內側(ce)副韌(ren)(ren)帶(MCL)是已知膝關(guan)節常(chang)見(jian)損傷(shang)的四大(da)韌(ren)(ren)帶之一。膝關(guan)節損傷的風(feng)險會隨(sui)著老年人和慢性(xing)脫(tuo)水的個(ge)體而(er)增加。


本研究采用一種新的力學試驗方案,通過拉(la)伸試驗逐步誘導大鼠 MCL 損傷(shang)并對損傷(shang)進行(xing)量化(hua)分(fen)析


圖片

左:正常含(han)水韌帶(dai)

右:浸潤在 25% 蔗糖 PBS 溶(rong)液(ye)中更為透明的脫水韌帶


圖片

典型的脛骨-MCL-尺骨復合體(FMTC)作為試驗樣品


力學測試

韌帶試(shi)樣(yang)(FMTC)的(de)股骨和脛骨端通過牙骨水泥(ni)包埋(mai)固定在(zai)軟管(guan)接頭(tou)(tou),軟管(guan)接頭(tou)(tou)連接到拉伸夾具,并置于(yu)水浴槽中。使用 ElectroPuls E1000 配(pei)置(zhi) 50N 載荷傳感器進行測試。


試樣安裝如下圖(tu):


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先對試樣施加 0.1N 預加載消除樣品松弛性,并定義此時的位移為零。以 1Hz 的頻率施加最大振幅為 0.3mm 的半三角波形;回復到 0.1N 并保持 10min。以 0.1mmm/s 的速度拉伸韌帶到 d1=0.4mm,回復到 0.1N 保持 10min,繼續拉伸到 d2=0.6mm,d3=0.8mm,d4=1.0mm,持續以 dk+1-dk=0.2mm 直至樣品斷裂。每次拉伸后均回復到 0.1N 保持 10min。


通過(guo)位(wei)移(yi)-載荷(he)曲線以及切(qie)剛度(du)和弦剛度(du)等數據來分析韌帶的進行(xing)性(xing)損傷。


圖片



 

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