【醫學(xué)前沿】生物力學(xué)研究案例分享

在生物醫療行業(yè)，Instron 的 ElectroPuls 動(dòng)靜態(tài)力學(xué)試驗設備擁有廣泛的客戶(hù)群體，在生物力學(xué)測試和研究中擁有豐富的測試經(jīng)驗。本文將引用客戶(hù)測試案例，對動(dòng)物骨骼、骨科手術(shù)、血管組織及韌帶力學(xué)研究進(jìn)行分享。

動(dòng)物骨骼測試

骨質(zhì)疏松是一種全身的代謝性骨骼疾病，表現為骨骼的密度和質(zhì)量下降，導致骨骼脆弱，容易發(fā)生骨折。隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展和人類(lèi)的進(jìn)步，人均壽命不斷延長(cháng)，老年人口迅速增加，骨質(zhì)疏松的發(fā)病率也隨之迅速增加，成為全球性的健康問(wèn)題。如何研究及有效治療骨質(zhì)疏松癥已成為人們廣泛關(guān)注的重要課題。

小鼠骨生物力學(xué)測試以彎曲試驗最為適用，常用的為3點(diǎn)彎曲試驗，用于測定骨組織在外力作用下的力學(xué)特征和骨在受力后的生物學(xué)效應。此外，也可以通過(guò)活體測試研究藥物對骨骼生長(cháng)的影響。

對大鼠或小鼠骨骼的彎曲試驗有助于研究骨骼的強度和結構完整性

將大鼠麻醉后，安裝并對脛骨循環(huán)加載，研究力學(xué)刺激/藥物對骨骼愈合或生長(cháng)等的影響。

不同內植物修復單側不穩定骨盆后環(huán)損傷的

有限元及生物力學(xué)分析

骨盆穩定性主要由骨盆后環(huán)及骶髂關(guān)節決定，近年來(lái)，車(chē)禍等高能量沖擊帶來(lái)的骨盆后環(huán)損傷及骶髂關(guān)節脫位病例逐年遞增。對此，手術(shù)治療是合適的方法。目前臨床中存在多種內植物修復方式，但哪種治療方式具有更好的生物力學(xué)性能仍存在一定爭議。

本研究采用有限元仿真和力學(xué)測試結合的方式，構建不同內植物修復單側不穩定骨盆后環(huán)損傷模型并進(jìn)行對比，對變形位移和剛度差異采用獨立樣本 t 檢驗進(jìn)行分析。

采用 E10000 設備及定制夾具，骨盆標本牙托粉包埋，以 20mm/min 速率壓縮至 500N，記錄下骶骨整體位移變化。

圖注：圖A為正常骨盆模型；B為單側后環(huán)損傷骨盆模型；C為前路雙鋼板修復模型；D為后路橋接鋼板模型；E為拉力釘修復模型；F為后路橋接鋼板模型的X射線(xiàn)片；G為前路雙鋼板修復模型的X射線(xiàn)片；H為拉力釘修復模型的X射線(xiàn)片

力學(xué)試驗結果

圖注：圖 A 為各模型剛度；B 為各模型壓力變形。NP 為正常骨盆模型：UIP 為單側后環(huán)損傷骨盆模型；ADP 為前路雙鋼板修復模型；PBP 為后路橋接鋼板模型；TNP 為拉力釘修復模型

振動(dòng)鉆孔與常規鉆孔

對皮質(zhì)骨產(chǎn)生微裂紋的實(shí)驗研究

骨鉆孔在骨科手術(shù)中應用廣泛。鉆孔過(guò)程總會(huì )產(chǎn)生微裂紋，造成疲勞損傷和應力斷裂。通過(guò)振動(dòng)和常規方法鉆取新鮮的牛皮質(zhì)骨，經(jīng)掃描電鏡觀(guān)察鉆孔部位和骨碎片。比較兩種方式，結果發(fā)現振動(dòng)鉆孔在骨科手術(shù)中可減少對骨的微損傷，從而降低應力性骨折的發(fā)生率，有助于術(shù)后恢復。

圖左：精密切割機

圖右：鉆孔試樣

振動(dòng)與常規鉆井的實(shí)驗布置

體外鉆孔操作使用 ElectroPuls E10000 完成，可在保持勻速運動(dòng)（V=40mm/min）的同時(shí)提供振動(dòng)。常規和振動(dòng)鉆取方法分別設置不同的參數（頻率：5~20Hz, 100~500μm）。選擇產(chǎn)生合適溫度的條件（A=500μm， f=20Hz），通過(guò)掃描電鏡觀(guān)察并比較常規組和振動(dòng)組皮質(zhì)骨鉆孔部位和骨碎片。

聚集的平滑肌細胞合成工程血管組織

研究目的為開(kāi)發(fā)一種系統，能夠從聚集的細胞及細胞衍生的細胞外基質(zhì)（ECM）快速生成工程化組織結構并對其進(jìn)行以評估。將大鼠主動(dòng)脈平滑肌細胞注入環(huán)狀瓊脂糖孔（內徑分別為 2，4 和 6mm），靜培養兩周后，細胞聚集形成較厚的組織環(huán)（8天 0.76 mm；14天 0.94 mm）。組織環(huán)強度和剛度值優(yōu)于同等時(shí)間培養的工程組織結構。組織環(huán)的強度（100~500 kPa）和模量（0.5~2 MPa）隨組織環(huán)尺寸增大而增大，隨培養時(shí)間延長(cháng)而減小。

最后，組織環(huán)在硅芯軸上培養7天融合形成管狀結構。這種系統為細胞源性組織的優(yōu)化和功能評估提供了一種多功能的新工具，并為創(chuàng )建組織工程血管移植物提供了一種新方法。

將大鼠主動(dòng)脈平滑肌細胞注入環(huán)狀瓊脂糖孔內進(jìn)行培養，細胞聚集形成較厚的組織環(huán)。側視圖（d）和俯視圖（g）顯示培養8天后，在瓊脂糖柱周?chē)纬梢粋€(gè)4毫米內徑的組織環(huán)。

使用 E1000 對組織環(huán)進(jìn)行力學(xué)性能評估。將組織環(huán)用兩個(gè)不銹鋼銷(xiāo)釘（夾具）進(jìn)行固定，并浸沒(méi)于 PBS 溶液中。一個(gè)夾具連接到機器作動(dòng)缸一端，另一個(gè)連接 1N 載荷傳感器。載荷（F）和位移（⊿L數據）以 10Hz 頻率連續采集。

對組織環(huán)施加 5mN 的拉伸力，記錄此時(shí)的標距（L g）。然后在 5mN 至 50kPa 工程應力范圍內對組織環(huán)進(jìn)行8周期的預循環(huán)加載，然后以 10mm/min 的速率拉伸至斷裂。

上圖為典型的應力應變曲線(xiàn)，顯示的是 4mm 的組織環(huán)培養8天后的應力應變數據，通過(guò)數據分析獲得最大拉伸強度（UTS）、斷裂應變、最大切模量（MTM）以及斷裂韌性（Toughness）。

組織環(huán)融合形成管狀。 組織環(huán)培養 7d 后轉移到外徑 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）。

大鼠內側副韌帶進(jìn)行性損傷力學(xué)性能表征

膝蓋是人體最復雜的關(guān)節，由肌肉、骨骼和韌帶系統組成，在日常和運動(dòng)中承受重復性負荷。當這種負荷過(guò)大時(shí)，會(huì )對膝關(guān)節造成損傷，導致生活質(zhì)量下降。內側副韌帶（MCL）是已知膝關(guān)節常見(jiàn)損傷的四大韌帶之一。膝關(guān)節損傷的風(fēng)險會(huì )隨著(zhù)老年人和慢性脫水的個(gè)體而增加。

本研究采用一種新的力學(xué)試驗方案，通過(guò)拉伸試驗逐步誘導大鼠 MCL 損傷并對損傷進(jìn)行量化分析。

左：正常含水韌帶

右：浸潤在 25% 蔗糖 PBS 溶液中更為透明的脫水韌帶

典型的脛骨-MCL-尺骨復合體（FMTC）作為試驗樣品

韌帶試樣（FMTC）的股骨和脛骨端通過(guò)牙骨水泥包埋固定在軟管接頭，軟管接頭連接到拉伸夾具，并置于水浴槽中。使用 ElectroPuls E1000 配置 50N 載荷傳感器進(jìn)行測試。

試樣安裝如下圖：

先對試樣施加 0.1N 預加載消除樣品松弛性，并定義此時(shí)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(guò)位移-載荷曲線(xiàn)以及切剛度和弦剛度等數據來(lái)分析韌帶的進(jìn)行性損傷。