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不同载荷环境对去势大鼠骨组织形态计量学的影响
背景:采用动态无损伤加载系统对去势大鼠骨组织形态计量学研究的文献报道较少.目的:观察不同强度力学加载对去势大鼠骨组织形态计量学参数的影响.设计、时间及地点:对比观察骨形态计量学指标,于2007-04/08在吉林大学生物医学工程研究室完成.材料:9月龄雌性SD大鼠35只,随机分为假手术组、去势对照组、去势加载1N组、去势加载2N组、去势加载4N组,每组7只.方法:将去势对照组和去势加载组大鼠双侧背部卵巢切除,假手术组背部切口除去少量脂肪后,闭合伤口.大鼠去势1周后,去势加载组采用自行研制的动态无损加载系统对大鼠胫骨两端开始加载,加载载荷分为1,2,4N,15min/d,加载4周.主要观察指标:胫骨近端骨组织形态计量学参数的变化.结果:去势加载组骨小梁面积、骨小梁数量、骨小梁厚度均高于去势对照组(P＜0.05,P＜0.01),去势加载4N组和去势加载2N组大鼠骨小梁面积、骨小梁厚度高于去势对照组(P＜0.001);去势加载4N组骨小梁分离度较去势对照组下降(P＜0.05),随着加载载荷的增加,骨小梁面积、骨小梁数量、骨小梁厚度有增加并接近假手术组的趋势,骨小梁分离度有下降趋势.假手术组单荧光标记表面、双荧光标记表面均低于去势对照组.随着加载载荷的增加,单荧光标记表面、双荧光标记表面、双标间距、骨矿化沉积率均有增加趋势;去势加载2N组和去势加载4N组骨矿化沉积率均明显高于去势对照组(P＜0.05).结论:在1～4N范围内,随着加载载荷的增加,去势大鼠各个骨形态计晕学参数都有优化的趋势,骨组织微观结构有较大的改善,骨量丢失减少,骨质疏松进程减慢.
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全髋关节置换假体不同角度的生物力学特点
背景:全髋关节置换是临床上常用的治疗方法,但是治疗时难以准确的判断出骨盆的准确方位,治疗后容易造成骨盆位置变动,并且植入假体后容易产生明显的角度偏差,难以判断假体的准确位置和方向.目的:研究全髋关节置换假体位置的角度及生物力学特性.方法:①对1名男性志愿者进行CT扫描,建立骨盆有限元模型,采用股骨柄前倾角为0°、20°和25°联合髋臼杯前倾35°、15°及10°三种不同的联合前倾技术进行全髋关节置换,给予240 N的力学加载,测定其峰值Von Mises应力;②取6具尸体标本,假体位置角度与志愿者相同,在240 N载荷下,利用电阻应变片技术测量股骨柄周缘骨皮质和髋臼前后壁应变情况.结果和结论:①股骨柄前倾角为25°髋臼杯前倾10°下髋臼峰值Von Mises应力变化升高25.7%;股骨柄前倾角为0°髋臼杯前倾35°下髋臼杯峰值Von Mises应力为135.21 MPa;股骨柄前倾角为20°髋臼杯前倾15°下髋臼峰值Von Mises应力为68.3 MPa;股骨柄前倾角为25°髋臼杯前倾10°下髋臼杯峰值Von Mises应力为134.2 MPa;股骨柄前倾角为0°髋臼杯前倾35°下内衬峰值Von Mises应力为6.8 MPa;股骨柄前倾角为20°髋臼杯前倾15°下内衬峰值Von Mises应力为3.9 MPa;股骨柄前倾角为25°髋臼杯前倾10°下内衬峰值Von Mises应力为6.7 MPa;股骨柄前倾角为0°髋臼杯前倾35°下股骨柄峰值Von Mises应力为127.1 MPa;股骨柄前倾角为20°髋臼杯前倾15°下股骨柄峰值Von Mises应力为100.2 MPa;股骨柄前倾角为25°髋臼杯前倾10°下股骨柄峰值Von Mises应力为128.2 MPa;②0°-35°和25°-10°股骨柄周缘骨皮质和髋臼前后壁应变,显著大于20°-15°.提示在股骨柄前倾20°联合臼杯前倾15°效果理想,有助于关节功能恢复.
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力学加载大小对去势大鼠骨组织形态计量学影响的实验研究
观察不同强度的力学加载对去势大鼠骨组织形态计量学参数的影响.取35只9月龄雌性SD大鼠,随机分为5组,即假手术组,去势对照组,去势加载1N组、去势加载2N组、去势加载4N组.加载组大鼠加载4周后处死,取胫骨上端松质骨进行树脂包埋,不脱钙切片.观察骨组织形态计量学参数.结果表明:加载组大鼠的骨小梁面积百分率、骨小梁厚度、骨小梁数量明显高于去势对照组,骨小梁分离度明显低于去势对照组.动态参数显示,去势组大鼠的骨转换明显高于去势加载组和假手术组.随着载荷的增加,大鼠骨形态计量学的各个参数和骨的微观结构均有所改善.说明力学加载对去势大鼠骨组织微观结构有较大的改善,能够有效地减少骨量的丢失,减缓由于去势引起的骨质疏松的进程.
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不同螺纹形态种植体对颌骨应力影响的三维有限元比较研究
目的:探讨圆柱形螺纹种植体螺纹形态对骨组织应力分布的影响,为临床设计和选择佳的螺纹形态提供理论依据.方法:建立了12种包含不同螺纹形态种植体的颌骨骨块三维有限元模型:1 mm、2 mm和3 mm 矩形螺纹设计(S-1、S-2和S-3);90°、60°和30° V形螺纹设计(V-1、V-2和V-3);45°、30°和15°支撑形螺纹设计(B-1、B-2和B-3);45°、30°和15°反支撑形螺纹设计(R-1、R-2和R-3).对所有模型进行应力分布和Von Mises应力峰值的比较.结果:垂直向加载下S-2、V-3、B-3、R-1、R-2 和R-3螺纹表现出较好的应力分布状态, 在颊舌向加载下S-1、S-2、V-3、B-3、R-2和R-3螺纹表现出较好的应力分布状态.结论:提示S-2、 V-3、B-3、R-2和 R-3 螺纹设计均适用于圆柱形种植体, 反支撑螺纹为圆柱形种植体的佳螺纹设计选择.
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动态力学加载下MC3T3-E1细胞在3D打印三维仿生复合支架上的成骨效应研究
目的 观察动态力学加载对低温3D打印联合冷冻干燥法制备的三维仿生复合支架材料内MC3T3-E1细胞增殖、分化、成骨特异性基因表达的影响.方法 将丝素蛋白、Ⅰ型胶原、羟基磷灰石按质量比3:9:2混合后,采用低温3D打印联合冷冻干燥技术制备三维仿生复合支架;大体观察支架外形,Micro-CT观察支架孔径及孔隙率,测定吸水膨胀率以及应力、应变、弹性模量.取MC3T3-E1细胞接种至三维仿生复合支架,随机分成两组:实验组培养期间行动态力学加载,每天1次、每次15 min、频率l Hz、应变3 500μs;对照组不作力学加载.培养7、14d,分别对细胞-支架复合物行HE染色及扫描电镜观察细胞在支架上生长情况;Western blot以及实时荧光定量PCR检测Ⅰ型胶原、BMP-2、骨钙素(osteocalcin,OCN)蛋白及mRNA表达.结果 制备的三维仿生复合支架为白色立方体网格,Micro-CT检测见支架材料内部呈孔隙网状结构,孔隙连通性良好;大孔径直径为(506.37±18.63)μm,微孔径直径为(62.14±17.35)μm,孔隙率为97.70％±1.37％,吸水膨胀率为1 341.97％±64.41％.力学测试示,支架压缩至10％时,支架压缩位移为(0.376±0.004)mm、压缩应力为(0.016±0.002)MPa、弹性模量为(162.418±18.754)kPa.复合培养7、14d,两组HE染色及扫描电镜均见细胞在支架内部生长,主要分布在支架孔壁周围,其中实验组细胞较对照组增多,且细胞由梭形变为扁平状.除200倍镜下14d时两组细胞计数差异无统计学意义(t=-2.024,P=0.080)外,其余不同放大倍数(40、100、400倍)下各时间点实验组细胞数均显著高于对照组(P＜0.05).实时荧光定量PCR检测示:实验组培养7、14d时Ⅰ型胶原、OCNmRNA相对表达量显著高于对照组(P＜0.05),但BMP-2 mRNA相对表达量与对照组比较差异无统计学意义(P＞0.05).Western blot检测示,实验组培养7、14d时Ⅰ型胶原、BMP-2、OCN蛋白相对表达量均显著高于对照组(P＜0.05).结论 动态力学加载后,接种于三维仿生复合支架的MC3T3-E1细胞BMP-2、Ⅰ型胶原、OCN表达明显上调,表明适当力学载荷有利于MC3T3-E1细胞向成骨细胞分化.
关键词： 丝素蛋白 胶原 羟基磷灰石 MC3T3-E1细胞 力学加载 -
体外模拟压应力三维动态培养构建组织工程软骨的实验研究
目的 通过体外模拟压应力刺激兔软骨细胞复合脱细胞软骨细胞外基质(extracellular matrix,ECM)源性三维多孔支架培养组织工程软骨,探讨生物反应器中三维动态培养对软骨生长的促进效应. 方法 取健康成年新西兰大白兔四肢关节软骨分离培养软骨细胞,将第2代细胞复合于脱细胞软骨ECM源性三维多孔支架,静态预培养5d后随机分为2组,A组继续静态培养,B组于生物反应器中进行动态压应力加载(频率l Hz,15％压缩应变)培养.3周后采用活-死细胞染色试剂盒检测细胞活性,扫描电镜观察细胞在支架上的生长及分布,定量检测支架中细胞的糖胺聚糖(glycosaminoglycan,GAG)、胶原蛋白及DNA含量,进行力学分析检测弹性模量. 结果 激光共聚焦显微镜观察示,B组支架内细胞生长良好且分布均匀;A组细胞生长较差,中心区域失染.扫描电镜观察示,B组软骨细胞在支架上黏附、增殖、生长良好;A组软骨细胞明显减少,且分布散乱.生化成分分析示,B组胶原蛋白、GAG及DNA含量分别为(675.85±27.93)μg/mg、(621.72±26.75)μg/mg、(16.98±3.23)μg/样本,A组分别为(438.72±6.35)μg/mg、(301.63±30.51)μg/mg、(10.18±4.39)μg/样本,B组各成分含量均明显高于A组(t=18.512,P=0.000;t=17.640,P=0.000; t=2.790,P=0.024).力学性能测试示,B组弹性模量(0.67±0.09)MPa显著高于A组(0.49±0.16)MPa和空白支架(0.43±0.12) MPa,差异有统计学意义(P＜0.05). 结论 生物反应器模拟压应力三维动态培养优于普通静态三维培养,可提供有利于软骨细胞在ECM支架中生长的佳环境,是体外构建组织工程软骨的良好方法.
