【醫學前沿】生物力學研究案例分享

在生物醫療行業(ye) ，Instron 的 ElectroPuls 動靜態力學試驗設備擁有廣泛的客戶群體(ti) ，在生物力學測試和研究中擁有豐(feng) 富的測試經驗。本文將引用客戶測試案例，對動物骨骼、骨科手術、血管組織及韌帶力學研究進行分享。

動物骨骼測試

骨質疏鬆是一種全身的代謝性骨骼疾病，表現為(wei) 骨骼的密度和質量下降，導致骨骼脆弱，容易發生骨折。隨著科學的發展和人類的進步，人均壽命不斷延長，老年人口迅速增加，骨質疏鬆的發病率也隨之迅速增加，成為(wei) 全球性的健康問題。如何研究及有效治療骨質疏鬆症已成為(wei) 人們(men) 廣泛關(guan) 注的重要課題。

小鼠骨生物力學測試以彎曲試驗最為(wei) 適用，常用的為(wei) 3點彎曲試驗，用於(yu) 測定骨組織在外力作用下的力學特征和骨在受力後的生物學效應。此外，也可以通過活體(ti) 測試研究藥物對骨骼生長的影響。

對大鼠或小鼠骨骼的彎曲試驗有助於(yu) 研究骨骼的強度和結構完整性

將大鼠麻醉後，安裝並對脛骨循環加載，研究力學刺激/藥物對骨骼愈合或生長等的影響。

不同內(nei) 植物修複單側(ce) 不穩定骨盆後環損傷(shang) 的

有限元及生物力學分析

骨盆穩定性主要由骨盆後環及骶髂關(guan) 節決(jue) 定，近年來，車禍等高能量衝(chong) 擊帶來的骨盆後環損傷(shang) 及骶髂關(guan) 節脫位病例逐年遞增。對此，手術治療是合適的方法。目前臨(lin) 床中存在多種內(nei) 植物修複方式，但哪種治療方式具有更好的生物力學性能仍存在一定爭(zheng) 議。

本研究采用有限元仿真和力學測試結合的方式，構建不同內(nei) 植物修複單側(ce) 不穩定骨盆後環損傷(shang) 模型並進行對比，對變形位移和剛度差異采用獨立樣本 t 檢驗進行分析。

采用 E10000 設備及定製夾具，骨盆標本牙托粉包埋，以 20mm/min 速率壓縮至 500N，記錄下骶骨整體(ti) 位移變化。

圖注：圖A為(wei) 正常骨盆模型；B為(wei) 單側(ce) 後環損傷(shang) 骨盆模型；C為(wei) 前路雙鋼板修複模型；D為(wei) 後路橋接鋼板模型；E為(wei) 拉力釘修複模型；F為(wei) 後路橋接鋼板模型的X射線片；G為(wei) 前路雙鋼板修複模型的X射線片；H為(wei) 拉力釘修複模型的X射線片

力學試驗結果

圖注：圖 A 為(wei) 各模型剛度；B 為(wei) 各模型壓力變形。NP 為(wei) 正常骨盆模型：UIP 為(wei) 單側(ce) 後環損傷(shang) 骨盆模型；ADP 為(wei) 前路雙鋼板修複模型；PBP 為(wei) 後路橋接鋼板模型；TNP 為(wei) 拉力釘修複模型

振動鑽孔與(yu) 常規鑽孔

對皮質骨產(chan) 生微裂紋的實驗研究

骨鑽孔在骨科手術中應用廣泛。鑽孔過程總會(hui) 產(chan) 生微裂紋，造成疲勞損傷(shang) 和應力斷裂。通過振動和常規方法鑽取新鮮的牛皮質骨，經掃描電鏡觀察鑽孔部位和骨碎片。比較兩(liang) 種方式，結果發現振動鑽孔在骨科手術中可減少對骨的微損傷(shang) ，從(cong) 而降低應力性骨折的發生率，有助於(yu) 術後恢複。

圖左：精密切割機

圖右：鑽孔試樣

振動與(yu) 常規鑽井的實驗布置

體(ti) 外鑽孔操作使用 ElectroPuls E10000 完成，可在保持勻速運動（V=40mm/min）的同時提供振動。常規和振動鑽取方法分別設置不同的參數（頻率：5~20Hz, 100~500μm）。選擇產(chan) 生合適溫度的條件（A=500μm， f=20Hz），通過掃描電鏡觀察並比較常規組和振動組皮質骨鑽孔部位和骨碎片。

聚集的平滑肌細胞合成工程血管組織

研究目的為(wei) 開發一種係統，能夠從(cong) 聚集的細胞及細胞衍生的細胞外基質（ECM）快速生成工程化組織結構並對其進行以評估。將大鼠主動脈平滑肌細胞注入環狀瓊脂糖孔（內(nei) 徑分別為(wei) 2，4 和 6mm），靜培養(yang) 兩(liang) 周後，細胞聚集形成較厚的組織環（8天 0.76 mm；14天 0.94 mm）。組織環強度和剛度值優(you) 於(yu) 同等時間培養(yang) 的工程組織結構。組織環的強度（100~500 kPa）和模量（0.5~2 MPa）隨組織環尺寸增大而增大，隨培養(yang) 時間延長而減小。

最後，組織環在矽芯軸上培養(yang) 7天融合形成管狀結構。這種係統為(wei) 細胞源性組織的優(you) 化和功能評估提供了一種多功能的新工具，並為(wei) 創建組織工程血管移植物提供了一種新方法。

將大鼠主動脈平滑肌細胞注入環狀瓊脂糖孔內(nei) 進行培養(yang) ，細胞聚集形成較厚的組織環。側(ce) 視圖（d）和俯視圖（g）顯示培養(yang) 8天後，在瓊脂糖柱周圍形成一個(ge) 4毫米內(nei) 徑的組織環。

使用 E1000 對組織環進行力學性能評估。將組織環用兩(liang) 個(ge) 不鏽鋼銷釘（夾具）進行固定，並浸沒於(yu) PBS 溶液中。一個(ge) 夾具連接到機器作動缸一端，另一個(ge) 連接 1N 載荷傳(chuan) 感器。載荷（F）和位移（⊿L數據）以 10Hz 頻率連續采集。

對組織環施加 5mN 的拉伸力，記錄此時的標距（L g）。然後在 5mN 至 50kPa 工程應力範圍內(nei) 對組織環進行8周期的預循環加載，然後以 10mm/min 的速率拉伸至斷裂。

上圖為(wei) 典型的應力應變曲線，顯示的是 4mm 的組織環培養(yang) 8天後的應力應變數據，通過數據分析獲得最大拉伸強度（UTS）、斷裂應變、最大切模量（MTM）以及斷裂韌性（Toughness）。

組織環融合形成管狀。 組織環培養(yang) 7d 後轉移到外徑 1.9 mm 的矽膠芯軸（a）上，二者緊密貼合（b）。後將試管再培養(yang) 7天，共14天（c），在移除矽膠芯軸後獲得管狀組織（d）。

大鼠內(nei) 側(ce) 副韌帶進行性損傷(shang) 力學性能表征

膝蓋是人體(ti) 最複雜的關(guan) 節，由肌肉、骨骼和韌帶係統組成，在日常和運動中承受重複性負荷。當這種負荷過大時，會(hui) 對膝關(guan) 節造成損傷(shang) ，導致生活質量下降。內(nei) 側(ce) 副韌帶（MCL）是已知膝關(guan) 節常見損傷(shang) 的四大韌帶之一。膝關(guan) 節損傷(shang) 的風險會(hui) 隨著老年人和慢性脫水的個(ge) 體(ti) 而增加。

本研究采用一種新的力學試驗方案，通過拉伸試驗逐步誘導大鼠 MCL 損傷(shang) 並對損傷(shang) 進行量化分析。

左：正常含水韌帶

右：浸潤在 25% 蔗糖 PBS 溶液中更為(wei) 透明的脫水韌帶

典型的脛骨-MCL-尺骨複合體(ti) （FMTC）作為(wei) 試驗樣品

韌帶試樣（FMTC）的股骨和脛骨端通過牙骨水泥包埋固定在軟管接頭，軟管接頭連接到拉伸夾具，並置於(yu) 水浴槽中。使用 ElectroPuls E1000 配置 50N 載荷傳(chuan) 感器進行測試。

試樣安裝如下圖：

先對試樣施加 0.1N 預加載消除樣品鬆弛性，並定義(yi) 此時的位移為(wei) 零。以 1Hz 的頻率施加最大振幅為(wei) 0.3mm 的半三角波形；回複到 0.1N 並保持 10min。以 0.1mmm/s 的速度拉伸韌帶到 d1=0.4mm，回複到 0.1N 保持 10min，繼續拉伸到 d2=0.6mm，d3=0.8mm，d4=1.0mm，持續以 dk+1-dk=0.2mm 直至樣品斷裂。每次拉伸後均回複到 0.1N 保持 10min。

通過位移-載荷曲線以及切剛度和弦剛度等數據來分析韌帶的進行性損傷(shang) 。