本文選題：生物反應(yīng)器 + 滾動(dòng)加載��； 參考：《天津理工大學(xué)》2012年碩士論文

【摘要】：目前,已經(jīng)有很多物理因素如電磁場、超聲波、離心力、微重力等用于組織或細(xì)胞的體外培養(yǎng),其中直接的力學(xué)刺激更合適功能化軟骨的構(gòu)建。當(dāng)前用各種力學(xué)刺激的生物反應(yīng)器構(gòu)建出的組織工程軟骨在功能及理化性等方面上都不能滿足臨床需要。本課題根據(jù)軟骨的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和真實(shí)受載情況,研制了一種低污染的袋裝滾壓加載的生物反應(yīng)器。該生物反應(yīng)器能實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的壓縮量和對載荷速度、頻率的控制,并且將培養(yǎng)物放在培養(yǎng)袋中加載大大降低了污染的概率。 參考人體膝關(guān)節(jié)軟骨生理結(jié)構(gòu)及人體正常行走時(shí)膝關(guān)節(jié)生理軟骨的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),使用有限元分析軟件建立了關(guān)節(jié)軟骨多層復(fù)合材料的滾壓運(yùn)動(dòng)有限元模型,模擬袋裝滾壓加載(有膜)、直接加載(無膜)構(gòu)建兩種軟骨模型,從有膜無膜、軟骨壓縮量、滾動(dòng)速度三個(gè)角度對比分析了滾壓載荷下軟骨的位移、應(yīng)力分布及差別。有限元仿真表明：一、在軟骨組織工程構(gòu)建中培養(yǎng)袋薄膜的膜彈性模量應(yīng)有一個(gè)合適的值；二、當(dāng)滾動(dòng)載荷速度較大時(shí),兩種模型軟骨所受的Mises應(yīng)力值和位移大小基本相等,膜對軟骨受力的影響可以忽略。當(dāng)滾動(dòng)載荷速度較小時(shí),有膜模型條形軟骨所受的Mises應(yīng)力值和位移值較無膜模型稍小,我們根據(jù)這微小的差別,在加載時(shí)可以進(jìn)行相應(yīng)的推算,使得有膜模型條形軟骨獲得和無膜模型相同的位移壓縮量,相對準(zhǔn)確地控制生物實(shí)驗(yàn)部分對軟骨施加的壓縮量；三、在相同的滾壓速度,不同壓縮載荷下有膜無膜兩種模型中各層軟骨所受的Mises應(yīng)力值相差很小,也就是在條形軟骨上覆蓋一層薄膜對于條形軟骨所受的Mises應(yīng)力影響可以忽略。四、有膜模型中滾壓載荷經(jīng)過軟骨各層固定部位考察點(diǎn)時(shí),此點(diǎn)所受的Mises應(yīng)力、主應(yīng)力、剪應(yīng)力值出現(xiàn)一定的正負(fù)交替現(xiàn)象,即軟骨發(fā)生交替的壓縮和拉伸,該變形類型在一定程度上符合人體膝關(guān)節(jié)軟骨日常走路時(shí)其所處的變形狀態(tài),這種力學(xué)刺激可能利于軟骨組織功能化的構(gòu)建。通過對關(guān)節(jié)軟骨袋裝滾動(dòng)加載過程的有限元仿真,能為行離體軟骨的體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)袋材料參數(shù)的選用提供一定理論依據(jù)。 獲取未成年大白兔膝關(guān)節(jié)的軟骨作為研究對象,通過培養(yǎng)物袋裝滾壓加載生物反應(yīng)器施加載荷初步研究該載荷對離體軟骨的力學(xué)影響。切片顯示：培養(yǎng)時(shí)間為14d的離體軟骨生長增加量高于7d的；動(dòng)態(tài)滾動(dòng)加載組即實(shí)驗(yàn)組的生長情況好于靜置培養(yǎng)組即對照組。這表明滾壓載荷能夠促進(jìn)離體軟骨的生長,這為構(gòu)建功能化組織工程軟骨可能提供了一種新方法。 本論文闡述了研制的培養(yǎng)物袋裝滾壓加載生物反應(yīng)器,通過有限元仿真獲取實(shí)驗(yàn)條件及培養(yǎng)物力學(xué)狀態(tài),并進(jìn)行離體軟骨培養(yǎng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)初步研究了滾壓載荷對離體軟骨的影響,探索了軟骨組織工程的力學(xué)環(huán)境。
[Abstract]:At present, there are many physical factors such as electromagnetic field, ultrasonic wave, centrifugal force, microgravity and so on, which can be used for tissue or cell culture in vitro, and direct mechanical stimulation is more suitable for the construction of functional cartilage. At present, the tissue engineered cartilage constructed by biomechanical stimulation bioreactor can not meet the clinical needs in function and physicochemical properties. According to the actual movement and real loading of cartilage, a low pollution bioreactor with rolling loading was developed in this paper. The bioreactor can control the loading speed and frequency of the bioreactor, and the probability of contamination can be greatly reduced by loading the culture material in the culture bag. Referring to the physiological structure of articular cartilage and the movement state of physiological cartilage of knee joint during normal walking, a finite element model of rolling motion of articular cartilage multilayer composite material was established by using finite element analysis software. Two kinds of cartilage models were constructed by simulating bag rolling loading (membrane loading, direct loading (no film). The displacement, stress distribution and difference of cartilage under rolling load were compared and analyzed from three angles: membrane without membrane, cartilage compression amount and rolling speed. The finite element simulation shows that: first, the elastic modulus of the membrane should be an appropriate value in the construction of cartilage tissue engineering; second, when the rolling load speed is larger, the Mises stress and displacement of the two kinds of cartilage are basically equal. The effect of membrane on cartilage stress can be neglected. When the rolling load speed is small, the Mises stress and displacement of the strip cartilage of the membrane model are slightly smaller than that of the non-membrane model. According to this slight difference, we can make the corresponding calculation at the loading time. So that the membrane model strip cartilage to obtain the same displacement compression as the membrane model, relatively accurate control of the biological experiment part of the compression on the cartilage; third, at the same rolling speed, The Mises stress of each layer of cartilage under different compression loads is very small, that is to say, the influence of a layer of film on the Mises stress of strip cartilage can be neglected. Fourth, when the rolling load in the membrane model passes through the fixed point of the cartilage, the Mises stress, the principal stress and the shear stress of this point are alternately positive and negative, that is, the cartilage is alternately compressed and stretched. To a certain extent, this type of deformation accords with the deformation state of human articular cartilage during walking, and this kind of mechanical stimulation may be beneficial to the construction of cartilage tissue functionalization. The finite element simulation of the rolling loading process of articular cartilage bag can provide a theoretical basis for the selection of material parameters in vitro culture of articular cartilage. The cartilage of knee joint of immature white rabbit was taken as the research object. The mechanical effect of the load on the cartilage in vitro was studied by using the culture bag loaded bioreactor. The results showed that the growth of cartilage in vitro with 14 days of culture time was higher than that of 7 days, and the growth of the experimental group was better than that of the static culture group and the control group, and the dynamic rolling loading group was better than that of the static culture group. This suggests that rolling load can promote the growth of cartilage in vitro, which may provide a new method for the construction of functional tissue engineered cartilage. In this paper, the condition of experiment and the mechanical state of culture were obtained by finite element simulation. The effect of rolling load on the cartilage in vitro was studied and the mechanical environment of cartilage tissue engineering was explored.
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：R318.01

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本文編號：1968471