不同載荷模式促進軟骨缺損修復整合的力學機理研究

《不同載荷模式促進軟骨缺損修復整合的力學機理研究》是依託天津理工大學，由張春秋擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：不同載荷模式促進軟骨缺損修復整合的力學機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張春秋
• 依託單位：天津理工大學

項目摘要

軟骨組織工程修復缺損正走向臨床，人工軟骨與宿主軟骨界面整合問題已成為臨床治療急需解決的難題。軟骨的多層結構特徵和功能是適應力學環境的結果，其缺損修復與力學環境有重要關係。充分利用關節軟骨自身修復能力，我們首次提出建立關節軟骨缺損自然修復模型和關節軟骨缺損亞自然修復的組織工程修復模型，分別採用體內、體外實驗，來研究界面整合的力學調控機理。總結關節軟骨所受到的複雜力學環境，體外實驗擬分別採用四種力學條件：滾壓載荷、滑動載荷、動態壓縮和雙頻壓縮載荷；體內實驗採用自由散養和關節制動力學條件，探索不同力學載荷模式促進軟骨缺損界面整合機理，包括研究關節軟骨整合處細胞增殖、分化、遷移、凋亡的力學效應，細胞外基質質、量的力學適應規律，及整合處力學性能、膠原方向的分析。此研究有利於目前軟骨修復中界面整合難題的突破；更進一步理解軟骨結構形態、功能與力學環境適應的本質，並為功能化組織工程軟骨構建提供基礎探索。

結題摘要

關節軟骨是位於關節兩端具有彈性的特殊結締組織,因缺少血管、淋巴管及神經,其再生能力有限。軟骨結構與力學功能相適應，對力學環境較為敏感，偏離正常生理載荷組織都要發生退變。軟骨組織工程修復缺損正走向臨床，其缺損修復與力學環境有重要關係。對此做了四方面研究。 第一，研究載入生物反應器。研製了組合式多功能生物反應器；壓縮與扭轉組合的生物反應器；並進行一種多位置點循環載入生物反應器和一種可控制壓縮量的磁力驅動滑動載入裝置的設計。組合式多功能生物反應器實現從高速到低速等不同範圍的高精度定位控制，且可以對培養物進行滾壓、滑動或滾壓滑動相結合載入，還能對培養物進行高頻、雙頻、衝擊載入，具有運行平穩，反應速度快，工作安全可靠。 第二，軟骨力學生物學及軟骨缺損修復研究。載荷對離體軟骨生長發育有促進作用，但對有微缺損的軟骨載入培養，載荷引起細胞組織分離，從缺損處細胞流失，不利於軟骨缺損的恢復，而沒有載入的樣品切片顯示細胞位於原位長勢較好。關節制動和正常活動條件下動物關節軟骨缺損修復研究表明，制動不利於缺損修復，正常活動優於制動的結果。滾壓載入使絲素-軟骨細胞複合物細胞軟骨表型表達較好。 第三，軟骨力學性能及缺損修復的實驗研究。此方面做壓縮載荷作用下關節軟骨準靜態力學性能的實驗研究；循環壓縮載荷下軟骨的力學行為；關節軟骨缺損修復後壓縮、滾動、滑動載荷下關節軟骨修復區力學性能研究。不同載荷環境下結合數字圖像相關技術，實驗表明軟骨不同層區的力學性能存在明顯的差異。採用瓊脂糖凝膠作為人工軟骨建立關節軟骨缺損修復模型，全層缺損軟骨和半層缺損軟骨修復區有相似的應變場分布，但局部有些差異。修復區都明顯存在不均勻應變場；修復區的線應變場和剪應變場與缺損程度和壓縮量有關；修復界面處的剪應變場為奇異狀態，造成修復區細胞處於有複雜應變狀態，將影響缺損修復效果。 第四，有限元仿真在軟骨力缺損、損傷演化、傳質等研究。不同缺損截面形狀和修復深度都會影響軟骨的力學性能。壓縮量和壓縮速率的增加都會使修復區域的應力應變增加，使軟骨修復結合面處出現應力集中。傳質方面，將三相本構方程轉化為兩相方程，利用傳熱學模型對壓縮載荷作用下的溶質擴散進行計算，分析了壓縮、滑動對溶質擴散的影響。 課題培養碩士研究生14名，獲得一項省部級科技進步二等獎，已發表文章30篇，其中6篇SCI檢索，10篇EI檢索。授權發明專利6項，學術會議90人次