【医(yī)學(xué)前沿】生物(wù)力學(xué)研究案例分(fēn)享

在生物(wù)医(yī)疗行业，Instron 的 ElectroPuls 动静态力學(xué)试验设备拥有(yǒu)广泛的客户群體(tǐ)，在生物(wù)力學(xué)测试和研究中(zhōng)拥有(yǒu)丰富的测试经验。本文(wén)将引用(yòng)客户测试案例，对动物(wù)骨骼、骨科(kē)手术、血管组织及韧带力學(xué)研究进行分(fēn)享。

动物(wù)骨骼测试

骨质(zhì)疏松是一种全身的代謝(xiè)性骨骼疾病，表现為(wèi)骨骼的密度和质(zhì)量下降，导致骨骼脆弱，容易发生骨折。随着科(kē)學(xué)的发展和人类的进步，人均寿命不断延長(cháng)，老年人口迅速增加，骨质(zhì)疏松的发病率也随之迅速增加，成為(wèi)全球性的健康问题。如何研究及有(yǒu)效治疗骨质(zhì)疏松症已成為(wèi)人们广泛关注的重要课题。

小(xiǎo)鼠骨生物(wù)力學(xué)测试以弯曲试验最為(wèi)适用(yòng)，常用(yòng)的為(wèi)3点弯曲试验，用(yòng)于测定骨组织在外力作(zuò)用(yòng)下的力學(xué)特征和骨在受力后的生物(wù)學(xué)效应。此外，也可(kě)以通过活體(tǐ)测试研究药物(wù)对骨骼生長(cháng)的影响。

对大鼠或小(xiǎo)鼠骨骼的弯曲试验有(yǒu)助于研究骨骼的强度和结构完整性

将大鼠麻醉后，安(ān)装(zhuāng)并对胫骨循环加载，研究力學(xué)刺激/药物(wù)对骨骼愈合或生長(cháng)等的影响。

不同内植物(wù)修复单侧不稳定骨盆后环损伤的

有(yǒu)限元及生物(wù)力學(xué)分(fēn)析

骨盆稳定性主要由骨盆后环及骶髂关节决定，近年来，車(chē)祸等高能(néng)量冲击带来的骨盆后环损伤及骶髂关节脱位病例逐年递增。对此，手术治疗是合适的方法。目前临床中(zhōng)存在多(duō)种内植物(wù)修复方式，但哪种治疗方式具(jù)有(yǒu)更好的生物(wù)力學(xué)性能(néng)仍存在一定争议。

本研究采用(yòng)有(yǒu)限元仿真和力學(xué)测试结合的方式，构建不同内植物(wù)修复单侧不稳定骨盆后环损伤模型并进行对比，对变形位移和刚度差异采用(yòng)独立样本 t 检验进行分(fēn)析。

采用(yòng) E10000 设备及定制夹具(jù)，骨盆标本牙托粉包埋，以 20mm/min 速率压缩至 500N，记录下骶骨整體(tǐ)位移变化。

图注：图A為(wèi)正常骨盆模型；B為(wèi)单侧后环损伤骨盆模型；C為(wèi)前路双钢板修复模型；D為(wèi)后路桥接钢板模型；E為(wèi)拉力钉修复模型；F為(wèi)后路桥接钢板模型的X射線(xiàn)片；G為(wèi)前路双钢板修复模型的X射線(xiàn)片；H為(wèi)拉力钉修复模型的X射線(xiàn)片

力學(xué)试验结果

图注：图 A 為(wèi)各模型刚度；B 為(wèi)各模型压力变形。NP 為(wèi)正常骨盆模型：UIP 為(wèi)单侧后环损伤骨盆模型；ADP 為(wèi)前路双钢板修复模型；PBP 為(wèi)后路桥接钢板模型；TNP 為(wèi)拉力钉修复模型

振动钻孔与常规钻孔

对皮质(zhì)骨产(chǎn)生微裂纹的实验研究

骨钻孔在骨科(kē)手术中(zhōng)应用(yòng)广泛。钻孔过程总会产(chǎn)生微裂纹，造成疲劳损伤和应力断裂。通过振动和常规方法钻取新(xīn)鲜的牛皮质(zhì)骨，经扫描電(diàn)镜观察钻孔部位和骨碎片。比较两种方式，结果发现振动钻孔在骨科(kē)手术中(zhōng)可(kě)减少对骨的微损伤，从而降低应力性骨折的发生率，有(yǒu)助于术后恢复。

图左：精(jīng)密切割机

图右：钻孔试样

振动与常规钻井的实验布置

體(tǐ)外钻孔操作(zuò)使用(yòng) ElectroPuls E10000 完成，可(kě)在保持匀速运动（V=40mm/min）的同时提供振动。常规和振动钻取方法分(fēn)别设置不同的参数（频率：5~20Hz, 100~500μm）。选择产(chǎn)生合适温度的条件（A=500μm， f=20Hz），通过扫描電(diàn)镜观察并比较常规组和振动组皮质(zhì)骨钻孔部位和骨碎片。

聚集的平滑肌细胞合成工(gōng)程血管组织

研究目的為(wèi)开发一种系统，能(néng)够从聚集的细胞及细胞衍生的细胞外基质(zhì)（ECM）快速生成工(gōng)程化组织结构并对其进行以评估。将大鼠主动脉平滑肌细胞注入环状琼脂糖孔（内径分(fēn)别為(wèi) 2，4 和 6mm），静培养两周后，细胞聚集形成较厚的组织环（8天 0.76 mm；14天 0.94 mm）。组织环强度和刚度值优于同等时间培养的工(gōng)程组织结构。组织环的强度（100~500 kPa）和模量（0.5~2 MPa）随组织环尺寸增大而增大，随培养时间延長(cháng)而减小(xiǎo)。

最后，组织环在硅芯轴上培养7天融合形成管状结构。这种系统為(wèi)细胞源性组织的优化和功能(néng)评估提供了一种多(duō)功能(néng)的新(xīn)工(gōng)具(jù)，并為(wèi)创建组织工(gōng)程血管移植物(wù)提供了一种新(xīn)方法。

将大鼠主动脉平滑肌细胞注入环状琼脂糖孔内进行培养，细胞聚集形成较厚的组织环。侧视图（d）和俯视图（g）显示培养8天后，在琼脂糖柱周围形成一个4毫米内径的组织环。

使用(yòng) E1000 对组织环进行力學(xué)性能(néng)评估。将组织环用(yòng)两个不锈钢销钉（夹具(jù)）进行固定，并浸没于 PBS 溶液中(zhōng)。一个夹具(jù)连接到机器作(zuò)动缸一端，另一个连接 1N 载荷传感器。载荷（F）和位移（⊿L数据）以 10Hz 频率连续采集。

对组织环施加 5mN 的拉伸力，记录此时的标距（L g）。然后在 5mN 至 50kPa 工(gōng)程应力范围内对组织环进行8周期的预循环加载，然后以 10mm/min 的速率拉伸至断裂。

上图為(wèi)典型的应力应变曲線(xiàn)，显示的是 4mm 的组织环培养8天后的应力应变数据，通过数据分(fēn)析获得最大拉伸强度（UTS）、断裂应变、最大切模量（MTM）以及断裂韧性（Toughness）。

组织环融合形成管状。 组织环培养 7d 后转移到外径 1.9 mm 的硅胶芯轴（a）上，二者紧密贴合（b）。后将试管再培养7天，共14天（c），在移除硅胶芯轴后获得管状组织（d）。

大鼠内侧副韧带进行性损伤力學(xué)性能(néng)表征

膝盖是人體(tǐ)最复杂的关节，由肌肉、骨骼和韧带系统组成，在日常和运动中(zhōng)承受重复性负荷。当这种负荷过大时，会对膝关节造成损伤，导致生活质(zhì)量下降。内侧副韧带（MCL）是已知膝关节常见损伤的四大韧带之一。膝关节损伤的风险会随着老年人和慢性脱水的个體(tǐ)而增加。

本研究采用(yòng)一种新(xīn)的力學(xué)试验方案，通过拉伸试验逐步诱导大鼠 MCL 损伤并对损伤进行量化分(fēn)析。

左：正常含水韧带

右：浸润在 25% 蔗糖 PBS 溶液中(zhōng)更為(wèi)透明的脱水韧带

典型的胫骨-MCL-尺骨复合體(tǐ)（FMTC）作(zuò)為(wèi)试验样品

韧带试样（FMTC）的股骨和胫骨端通过牙骨水泥包埋固定在软管接头，软管接头连接到拉伸夹具(jù)，并置于水浴槽中(zhōng)。使用(yòng) ElectroPuls E1000 配置 50N 载荷传感器进行测试。

试样安(ān)装(zhuāng)如下图：

先对试样施加 0.1N 预加载消除样品松弛性，并定义此时的位移為(wèi)零。以 1Hz 的频率施加最大振幅為(wèi) 0.3mm 的半三角波形；回复到 0.1N 并保持 10min。以 0.1mmm/s 的速度拉伸韧带到 d1=0.4mm，回复到 0.1N 保持 10min，继续拉伸到 d2=0.6mm，d3=0.8mm，d4=1.0mm，持续以 dk+1-dk=0.2mm 直至样品断裂。每次拉伸后均回复到 0.1N 保持 10min。

通过位移-载荷曲線(xiàn)以及切刚度和弦刚度等数据来分(fēn)析韧带的进行性损伤。