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    【醫學前沿】生物力學研究案例分享

    更新時間:2023-09-26瀏覽:421次




    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,在生物力學測試和研究中擁有豐富的測試經驗。本文將引用客戶測試案例,對動物骨骼、骨科手術、血管組織韌帶力學研究進行分享。


    *溫馨提示:本文涉及真實試驗場景,圖片可能引起不適,請謹慎點開!


    案例一

    動物骨骼測試

    研究背景



    骨質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量下降,導致骨骼脆弱,容易發生骨折。隨著科學的發展和人類的進步,人均壽命不斷延長,老年人口迅速增加,骨質疏松的發病率也隨之迅速增加,成為全球性的健康問題。如何研究及有效治療骨質疏松癥已成為人們廣泛關注的重要課題。


    力學測試

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


    圖片

    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


    圖片

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



    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


    骨盆穩定性主要由骨盆后環及骶髂關節決定,近年來,車禍等高能量沖擊帶來的骨盆后環損傷及骶髂關節脫位病例逐年遞增。對此,手術治療是合適的方法。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,構建不同內植物修復單側不穩定骨盆后環損傷模型并進行對比,對變形位移和剛度差異采用獨立樣本 t 檢驗進行分析。



    力學測試

    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。


    圖片

    圖注:圖A為正常骨盆模型;B為單側后環損傷骨盆模型;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射線片;G為前路雙鋼板修復模型的X射線片;H為拉力釘修復模型的X射線片


    圖片

    力學試驗結果

    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



    案例三

    振動鉆孔與常規鉆孔

    對皮質骨產生微裂紋的實驗研究

    研究背景


    骨鉆孔在骨科手術中應用廣泛。鉆孔過程總會產生微裂紋,造成疲勞損傷和應力斷裂。通過振動和常規方法鉆取新鮮的牛皮質骨,經掃描電鏡觀察鉆孔部位和骨碎片。比較兩種方式,結果發現振動鉆孔在骨科手術中可減少對骨的微損傷,從而降低應力性骨折的發生率,有助于術后恢復。


    圖片圖左:精密切割機

    圖右:鉆孔試樣


    圖片

    振動與常規鉆井的實驗布置


    力學測試

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



    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,能夠從聚集的細胞及細胞衍生的細胞外基質(ECM)快速生成工程化組織結構并對其進行以評估。將大鼠主動脈平滑肌細胞注入環狀瓊脂糖孔(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(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化和功能評估提供了一種多功能的新工具,并為創建組織工程血管移植物提供了一種新方法。


    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 對組織環進行力學性能評估。將組織環用兩個不銹鋼銷釘(夾具)進行固定,并浸沒于 PBS 溶液中。一個夾具連接到機器作動缸一端,另一個連接 1N 載荷傳感器。載荷(F)和位移(⊿L數據)以 10Hz 頻率連續采集。


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


    圖片


    上圖為典型的應力應變曲線,顯示的是 4mm 的組織環培養8天后的應力應變數據,通過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)。


    圖片


    組織環融合形成管狀。 組織環培養 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

    膝蓋是人體最復雜的關節,由肌肉、骨骼和韌帶系統組成,在日常和運動中承受重復性負荷。當這種負荷過大時,會對膝關節造成損傷,導致生活質量下降。內側副韌帶(MCL)是已知膝關節常見損傷的四大韌帶之一。膝關節損傷的風險會隨著老年人和慢性脫水的個體而增加。


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


    圖片

    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


    圖片

    典型的脛骨-MCL-尺骨復合體(FMTC)作為試驗樣品


    力學測試

    韌帶試樣(FMTC)的股骨和脛骨端通過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 載荷傳感器進行測試。


    試樣安裝如下圖:


    圖片


    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。


    通過位移-載荷曲線以及切剛度和弦剛度等數據來分析韌帶的進行性損傷。


    圖片



     

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