张胜[1]2003年在《关节软骨在异常应力载荷作用下即时损伤反应及相关材料学性质研究》文中提出关节软骨退变性疾病的发生及进展与异常应力载荷的关系非常密切。在探索关节软骨退变性疾病的发病、进展及改善措施时，首先应当清楚异常应力载荷作用下关节软骨退变的机理。软骨组织在遭受异常力学载荷当时发生的组织完整性的破坏模式，将影响到软骨以后的退变发展过程。因此有必要确切了解异常力学载荷下关节软骨的即时损伤反应。 考虑到关节软骨构成的特点：软骨组织由软骨细胞及基质两部分构成，外加应力载荷对软骨组织的损伤作用也将体现在细胞损伤和基质损伤两方面。软骨细胞处于基质胶原纤维保护之中，可以认为在软骨组织对抗外加力学载荷时不起作用，软骨组织的抗压缩能力来自于基质部分。因此在研究外加应力载荷对软骨组织的损伤作用时，必须清楚基质的力学状态。 本课题基于以上考虑，利用精密的力学设备进行以下研究：一、“应力载荷-软骨变形规律”研究。在通过实验获得牛关节软骨物性参数的基础上进一步探索不同应力载荷模式下软骨基质的力学状态。二、“异常应力载荷-软骨即时损伤反应”研究。探索牛关节软骨在不同的异常应力模式下软骨细胞及基质的损伤反应。另外对在有限元分析软件ANSYS5.6中建立膝关节3D有限元模型进行了方法学探索。 一、软骨的“力学载荷-组织形变”(材料学性质)研究 第四军医大学博士学位论文 H 对牛肩关节软骨进行周界约束压缩实验，并将实验结果按照两相理论进行拟和，以获得软骨的两个物性参数：聚集模量H＾和通透系数ho，实验结果表明，牛肩关节软骨在恒定外加应变下呈现应力松弛特点，实验数据可以用有限变形理论成功的拟和，根据拟和结果得到 H。－0．53土0．07Mp8，ho＝5．SX10－16＋05X10‘16ffi4N”Is＊ 日 结合有限变形理论对关节软骨在应力松弛实验中的间质液体承担压力的比例PN，t＊叶t）进行分析。结果表明，PO，t＊a＊）在应力松弛阶段不断下降：在应力松弛初期，液体静压承受了绝大部分总应力，因相基质基本不承担应力。随着外加载荷的持续作用，液体静压比例不断下降，固相基质承受的压力比例上升。表明软骨组织具有流动依赖的材料学性质及时间依赖性；在承受外加力学载荷时，固相基质及液相基质的力学作用处于动态变化之中。 日 通过非限制性压缩实验对不同加载速率应力载荷下原位关节软骨的变形规律进行了探索。结果表明牛肩关节软骨在快速压缩（应力坡度50Mp3·S”’，峰值应力 3．ZMp3）下呈线弹性特点，表现出高出 H。许多倍的弹性模量（E＝17．43MPa）。牛肩关节软骨在慢速压缩（应力坡度0．ZMPa1”’，峰值应力0尸SMPa）下呈非线性应力．应变关系，弹性模量随应变而变化。引入瞬时弹性模量Ek）后计算表明软骨的刚度随应变的增大而上升。牛肩关节软骨在快速压缩下表现出的刚度比慢速压缩下的刚度高。结合周界约束压缩实验结果，提示在不同加载速率的应力载荷下，软骨组织团相基质及液相基质承受的应力负荷比例有很大差异。以胶原结构为力学主体的固相基质在高加载速率力学载荷下承担很少的压力，但却会受过高的基质间液压力的影响而产生很高的张力。在低加载速率下，固相基质承担压力的比例较高，但基质间液压力比例较低。 二、“异常应力载荷．软骨即时损伤反应”研究。 利用活组织荧光染色技术及扫描电镜技术在实验条件下探索动物关节 4 第四军医大学博士学位论文软骨对高加载速率及低加载速率的异常应力载荷的即时损伤反应。在两种恒定应力速率下，对高体新鲜牛肩关节软骨组织块施加单次亚撞击应力负荷旧I组）及循环撞击负荷uI组X应力峰值变化范围从 ZMPa到 11 Mpa，随后行组织块培养。通过FDA／PI双荧光染色法观察软骨细胞损伤的程度及分布模式。通过SEM行胶原结构超微观察；采用改良的DMB染液法测定组织块受载后每日的基质GAG释放率以确定基质损伤程度。 H 低加载速率的应力载荷对关节软骨细胞的损伤作用非常明显，体现在软骨细胞的死亡程度及空间分布上：当应力峰值达到SMPa时，随着应力峰值的增大，软骨细胞除了死亡比例上升外，分布也更加广泛。应力峰值超过一定阈值（gwa）时，死亡细胞涉及了软骨全层，应力峰值达11 MPa时软骨细胞死亡比例接近 40％。但是低加载速率的应力负荷对软骨胶原网状结构的影响不很明显。即使加载负荷的应力峰值达到了 11 MPa，在扫描电镜下仍然观察不到胶原纤维的排列异常及断裂现象。 p 高加载速率的应力负荷对关节软骨细胞及基质都可以造成即时损伤，但主要是以软骨基质结构的损伤为主，体现在以下方面。①软骨胶原纤维排列异常及结构破坏：循环撞击组同正常组及亚撞击组相比，胶原纤维排列异常密集、整齐，呈现出明显的垂直走向，失去了松弛感；承载超过一定阈值（峰值应力巧＊Pa）的标本局部可出现纤维断裂，较为集中的断裂区域可以出现明显的横行裂纹。②基质GAG?
潘袁[2]2016年在《两种间充质干细胞干预化疗损伤卵巢功能分析与生物力学研究》文中研究说明本实验通过复制化疗损伤卵巢动物模型,利用分离培养出的人羊膜间充质干细胞(amniotic mesenchymalstem cells,AMSCs)与人脐带间充质干细胞(umbilical cord mesenchymal stem cells,UC-MSCs)进行干预,取对照组、模型组、AMSCs干预组、UC-MSCs干预组四组卵巢,以光学显微镜进行组织形态学观察、卵泡计数等相关分析。取各组大鼠不同时间点(干预后14天、30天、60天、90天)的血清测量E2、FSH、LH、VEGF、IGF-1的含量;取各组大鼠干预后30天、90天时的卵巢组织试样,以电子万能试验机进行拉伸实验、应力松弛实验、蠕变实验。对AMSCs干预组、UC-MSCs干预组大鼠干预结束后15d,按照雌雄比例2:1饲养,均饲养6个月,观察两组大鼠生育能力的恢复情况,观察生育的幼鼠生长发育情况。结果表明,AMSCs干预组、UC-MSCs干预组血清中各时间点E2、VEGF、IGF-1测定值均大于化疗损伤卵巢动物模型组;FSH、LH测定值均小于模型组,差异显着(p<0.05)。AMSCs干预组、UC-MSCs干预组各时间点始基卵泡、窦前卵泡、窦状卵泡及排卵前卵泡数均高于化疗损伤卵巢动物模型组,差异显着(p<0.05)。AMSCs干预组、UC-MSCs干预组拉伸最大应力、最大应变大于化疗损伤卵巢动物模型组,差异显着(p<0.05)。AMSCs干预组、UC-MSCs干预组大鼠血清中性激素水平、分子生物学指标具有一定的恢复,卵巢的组织形态、卵泡的数量、卵巢的弹性和韧性也得到一定的恢复,并且部分大鼠恢复了生育能力。创新点:以往对化疗损伤卵巢动物模型药物干预治疗效果的研究多以分子生物学、组织形态学观察等进行分析。本文除了从上述方面进行分析研究,还加入了卵巢的拉伸力学特性、应力松弛、蠕变特性等生物力学研究,进一步探讨化疗损伤卵巢动物模型以AMSCs、UC-MSCs干预治疗的效果,为临床提供了理论基础和实验依据。
孙安玉[3]2015年在《关节软骨生物力学特性的超声测量方法研究》文中研究表明关节软骨是一种高度特异性的组织,耐受不同载荷且磨损极小,能维持几十年的磨损寿命。同时,关节软骨又因自身修复能力极弱,成为人体最容易发生病变的部位之一。骨关节炎是最常见的关节退行性疾病,病变软骨在厚度、弹性、表面摩擦系数等方面都有显着变化。检测和发现这些生物力学参数的变化对于骨关节炎等关节疾病的诊断与治疗有着重大的意义。另外,利用组织工程培养的体外软骨进行关节软骨修复已经成为关节疾病治疗的一个重要手段。但体外培养的软骨组织需要具有一定的机械完整性以承受植入过程中的冲击载荷。因此,为组织培养过程的质量控制提供生物力学性能的无损检测手段成为医学工程人员孜孜以求的目标。超声检测技术因其无害性成为组织检测的重要手段之一。面向软骨组织检测的超声弹性成像和超声印压技术已经有诸多文献报道；对于软骨组织物理模型的研究也由单一固相模型发展到固、液、离子等叁相模型。超声检测与软骨物理模型间的内在联系却鲜见报道。无论是用于疾病早期诊断,还是面向组织培养质量评估,超声组织定征技术对力学性能改变的识别能力都依赖于声场在软骨组织中传播模型的精确程度。以简单的超声回波为例,软骨组织上表面回波的畸变和混迭则是单一固相模型和叁相模型都无法解释的。本文从分析关节软骨的分层结构和生物力学特性入手,通过构建关节软骨的分层力学模型,解决了软骨分层结构中的声场分布与超声传播的仿真问题,进而研发了基于超声反射波的非接触式测量技术,提出了基于水冲印压技术的软骨粘弹性定征方法。论文的相关工作为评估关节软骨的病理学变化以及软骨组织工程过程监控提供了一种有价值的技术手段。论文的主要内容如下：第一章首先介绍了关节软骨疾病的临床诊断以及软骨组织培养过程中的质量评估等现实需求,进而简要介绍了科研人员对于软骨物理模型的认知过程；从有害性和破坏性的角度,分离体、微创和无创叁个方面介绍了关节软骨组织力学特性测量技术的研究现状；介绍了超声组织定征领域几个代表性技术的研究进展与发展趋势；最后,对本文的主要工作和研究意义进行了概述。第二章分析了关节软骨的结构与组成,并以此为基础建立了关节软骨的分层力学模型。模型将一块微小区域的关节软骨映射到一个球表面,以球坐标系为基础构建浅表层、过渡层和辐射层的劲度系数矩阵与粘弹性模型。通过围限压缩实验和有限元仿真分析,证实了分层力学模型解释软骨应力松弛现象的适用性。第叁章研究了分层力学模型与声学参量之间的关系,并通过关节软骨映射球的坐标体系建立了基于多元高斯迭加法的声场仿真数学模型。提出了分层力学模型下的关节软骨中的超声信号仿真方法。通过使用25MHz和50MHz的点聚焦探头对软骨回波信号的实际测量,证实了浅表层与过渡层力学特性的不连续性,也解释了关节软骨超声回波信号的混迭现象。第四章提供了一种通过脉冲V(z,t)数据测量软骨声速和评估组织力学特性的新思路,并通过模拟软骨退化过程与测量实验证实了该方法的有效性。利用小角度点聚焦超声换能器测量关节软骨第一回波的脉冲V(z, t)数据,通过一个已知材料特性的参考信号消去了超声测量系统的传递函数,从而获得了软骨上表面的二维反射系数谱；提出一种面向软骨分层结构的混迭回波分离方法,通过较低频率的超声换能器得到了浅表层的独立回波,进而获得了浅表层和过渡层的声速参量和超声整体弹性模量(US-Ha:Ultrasound Derived Aggregate Modulus)。设计并开展了非接触式超声测量实验,利用胰蛋白酶EDTA消化液浸泡模拟软骨退化过程。实验发现,本文方法测得的超声整体弹性模量与对比印压试验测得的杨氏模量有较强的相关性(n=16,r>0.895,p<0.003,对每次测量结果实施Pearson相关性检验)；实验结果表明,本文方法所测得的声速及超声整体弹性模量有潜力成为一项指标表征关节软骨的病理学变化。第五章详细介绍了本文所研发的超声水冲印压系统的结构组成与关键功能。通过流-固单向耦合有限元仿真实验,分析了水柱半径、水压、软骨厚度、软骨杨氏模量以及泊松比对于透明软骨形变的影响,确立了基于水压和整体受力的杨氏模量测算模型；研发了一种适用于软骨分层力学模型的超声形变估计方法,通过变长计算和相关判据分析,求取混迭信号间的渡越时间和获取水-浅表层界面回波的准确延时时间,解决了由于软骨浅表层回波混迭造成的传统互相关算法形变估计不准确的问题。尝试了一种利用有限元迭代分析测算软骨粘弹性参数的新方法,将形变与时间的关系曲线作为有限元分析的目标曲线,通过APDL实现迭代仿真分析过程,实验证实迭代计算后的杨氏模量值比超声水冲印压直接测算值更加接近传统力学印压实验的测算值。第六章总结了论文的主要工作,介绍了课题研究的不足之处以及对进一步研究的相关设想和展望。
参考文献：
[1]. 关节软骨在异常应力载荷作用下即时损伤反应及相关材料学性质研究[D]. 张胜. 中国人民解放军第四军医大学. 2003
[2]. 两种间充质干细胞干预化疗损伤卵巢功能分析与生物力学研究[D]. 潘袁. 吉林大学. 2016
[3]. 关节软骨生物力学特性的超声测量方法研究[D]. 孙安玉. 浙江大学. 2015
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