發(fā)布時(shí)間：2020-05-17 04:56

【摘要】：膝關(guān)節(jié)軟骨作為人體重要的承載組織,對(duì)傳遞載荷、緩沖震蕩起到至關(guān)重要的作用。關(guān)節(jié)軟骨主要由軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)組成,軟骨細(xì)胞通過(guò)自身代謝、增殖分化等過(guò)程維持軟骨各組分的平衡,軟骨細(xì)胞分泌的蛋白聚糖、膠原纖維等大分子基質(zhì)是維持軟骨拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的物質(zhì)基礎(chǔ),軟骨基質(zhì)使關(guān)節(jié)軟骨富有彈性,并具有良好的抗壓、抗剪切性能。關(guān)節(jié)軟骨缺損后再生能力極為有限,組織工程修復(fù)雖取得了一定成效,但長(zhǎng)期修復(fù)效果具有不確定性,缺損修復(fù)的效果與修復(fù)區(qū)軟骨細(xì)胞所處的復(fù)雜力學(xué)微環(huán)境密切相關(guān),動(dòng)物細(xì)胞體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明,機(jī)械力對(duì)細(xì)胞的生物學(xué)功能有顯著的影響。由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段的限制,目前還無(wú)法在體研究軟骨細(xì)胞的微觀力學(xué)行為。使得應(yīng)用有限元技術(shù)研究軟骨缺損修復(fù)區(qū)軟骨和軟骨細(xì)胞的復(fù)雜力學(xué)行為成為可能。應(yīng)用有限元軟件COMSOL,跨尺度建立了關(guān)節(jié)軟骨的纖維增強(qiáng)固液耦合雙相有限元模型和軟骨細(xì)胞的微觀有限元模型,在軟骨中間層、深層缺損修復(fù)兩種工況下,考慮了載荷頻率、載荷幅值、組織工程化軟骨(tissue engineering cartilage,TEC)的材料屬性、整合條件及軟骨陷窩內(nèi)細(xì)胞數(shù)量等因素,數(shù)值模擬研究循環(huán)壓縮載荷作用下缺損修復(fù)區(qū)軟骨和軟骨細(xì)胞的力學(xué)行為。模擬結(jié)果表明,軟骨中間層缺損修復(fù)后,對(duì)宿主軟骨表層力學(xué)行為影響較大。相比較而言,TEC的彈性模量較小時(shí)(如0.1 MPa、0.3 MPa)且載荷頻率取0.5 Hz時(shí)取,修復(fù)區(qū)的力學(xué)環(huán)境處于更合理的范圍內(nèi)。對(duì)于中間層缺損修復(fù)的情況,主要分析了植入物下方宿主軟骨內(nèi)軟骨細(xì)胞的力學(xué)微環(huán)境,結(jié)果表明鄰近粘合界面的宿主軟骨細(xì)胞的液相流速增加,相應(yīng)區(qū)域的流體剪切力(fluid shear stress,FSS)增大,遠(yuǎn)離修復(fù)區(qū)的深層軟骨細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)的液相流速變化較小。軟骨全層缺損修復(fù)后,研究了軟骨細(xì)胞對(duì)循環(huán)壓縮載荷的力學(xué)響應(yīng)特性,發(fā)現(xiàn)由于深層軟骨陷窩內(nèi)細(xì)胞數(shù)目不同,各位置細(xì)胞對(duì)載荷的響應(yīng)也不同。軟骨細(xì)胞的力學(xué)響應(yīng)參數(shù)隨載荷頻率做周期性變化,細(xì)胞受到的剪應(yīng)力小于細(xì)胞周基質(zhì)(pericellular matrix,PCM),但軟骨細(xì)胞的剪應(yīng)變大于PCM,表明PCM對(duì)軟骨細(xì)胞有力學(xué)保護(hù)和信號(hào)傳導(dǎo)的作用。軟骨陷窩內(nèi)包裹3個(gè)細(xì)胞時(shí),中間細(xì)胞的Mises應(yīng)力明顯大于上下兩個(gè),表層軟骨細(xì)胞對(duì)剪應(yīng)變的響應(yīng)大于深層陷窩各細(xì)胞。另外,本文通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究了循環(huán)壓縮載荷作用下體外軟骨缺損修復(fù)模型的整合情況,可知低頻、低幅值載荷利于宿主軟骨與TEC界面的整合。該研究可為軟骨組織工程實(shí)施提供理論指導(dǎo),是組織工程成為常規(guī)手術(shù)的基礎(chǔ)研究,將提高軟骨組織工程技術(shù)水平。
【圖文】：

復(fù)雜多孔材料，組織內(nèi)部不同層區(qū)組分（膠原蛋白、蛋2]，其力學(xué)性能隨深度變化，從物理形態(tài)上描述包括液內(nèi)可以自由流動(dòng)的自由水以及在細(xì)胞內(nèi)與其它物質(zhì)結(jié)合（68-85％），固態(tài)物質(zhì)包括膠原纖維（15-25％），蛋白<0.01％）[3,4]。在組織工程修復(fù)軟骨缺損的臨床研究中織工程化軟骨（tissue engineering cartilage，TEC）的兩個(gè)骨細(xì)胞分泌的蛋白聚糖、膠原纖維等大分子基質(zhì)是維持質(zhì)基礎(chǔ)，軟骨基質(zhì)使關(guān)節(jié)軟骨富有彈性，并具有良好的下，關(guān)節(jié)軟骨經(jīng)常處在應(yīng)力環(huán)境中，其力學(xué)行為對(duì)關(guān)節(jié)研究等至關(guān)重要，對(duì)關(guān)節(jié)疾病的治療、臨床診斷及人工理論意義和實(shí)用價(jià)值，作為替代材料的 TEC 應(yīng)具有良知軟骨歷史悠久，經(jīng)歷了軟骨組織辨識(shí)、結(jié)構(gòu)描述、紀(jì)馮元禎等學(xué)者建立的生物力學(xué)為軟骨力學(xué)發(fā)展奠定了 1-1 所示，鑒于由于人體運(yùn)動(dòng)模式多樣性，致使其關(guān)節(jié)完全模擬體內(nèi)自然關(guān)節(jié)狀態(tài)的生物反應(yīng)器依然不存在體內(nèi)試驗(yàn)研究[10,11]。

第一章 緒論關(guān)節(jié)軟骨在病理或缺損修復(fù)條件下，軟骨細(xì)胞生存的力學(xué)微環(huán)境發(fā)生了大的變化軟骨組織結(jié)構(gòu)和蛋白多糖聚合體結(jié)構(gòu)，如圖 1-2s 所示。軟骨細(xì)胞與軟骨組分（膠原蛋白和蛋白聚糖 PG）的合成及維持密不可分[12,13]，軟骨細(xì)胞將細(xì)胞外物理、化學(xué)、生物等“信號(hào)”轉(zhuǎn)化為用于維持和調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix, ECM）及細(xì)胞周基質(zhì)（pericellular matrix, PCM）含量的過(guò)程是復(fù)雜的，但是現(xiàn)有研究表明，軟骨細(xì)胞可通過(guò)對(duì)力學(xué)信號(hào)的應(yīng)答來(lái)調(diào)節(jié) ECM 和 PCM 的含量，，從而維持軟骨的正常功能[14,15,16]，并且軟骨細(xì)胞在動(dòng)態(tài)載荷刺激下更容易分泌蛋白聚糖等軟骨基質(zhì)分子[17,18]。
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：R68;R318.01

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本文編號(hào)：2667974