培養(yǎng)物袋裝滾動(dòng)加載的生物反應(yīng)器研制及有限元仿真.pdf

1、目前,已經(jīng)有很多物理因素如電磁場(chǎng)、超聲波、離心力、微重力等用于組織或細(xì)胞的體外培養(yǎng),其中直接的力學(xué)刺激更合適功能化軟骨的構(gòu)建。當(dāng)前用各種力學(xué)刺激的生物反應(yīng)器構(gòu)建出的組織工程軟骨在功能及理化性等方面上都不能滿足臨床需要。本課題根據(jù)軟骨的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和真實(shí)受載情況,研制了一種低污染的袋裝滾壓加載的生物反應(yīng)器。該生物反應(yīng)器能實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的壓縮量和對(duì)載荷速度、頻率的控制,并且將培養(yǎng)物放在培養(yǎng)袋中加載大大降低了污染的概率。
　　 參考人體膝關(guān)

2、節(jié)軟骨生理結(jié)構(gòu)及人體正常行走時(shí)膝關(guān)節(jié)生理軟骨的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),使用有限元分析軟件建立了關(guān)節(jié)軟骨多層復(fù)合材料的滾壓運(yùn)動(dòng)有限元模型,模擬袋裝滾壓加載(有膜)、直接加載(無膜)構(gòu)建兩種軟骨模型,從有膜無膜、軟骨壓縮量、滾動(dòng)速度三個(gè)角度對(duì)比分析了滾壓載荷下軟骨的位移、應(yīng)力分布及差別。有限元仿真表明:一、在軟骨組織工程構(gòu)建中培養(yǎng)袋薄膜的膜彈性模量應(yīng)有一個(gè)合適的值；二、當(dāng)滾動(dòng)載荷速度較大時(shí),兩種模型軟骨所受的Mises應(yīng)力值和位移大小基本相等,膜對(duì)軟骨受

3、力的影響可以忽略。當(dāng)滾動(dòng)載荷速度較小時(shí),有膜模型條形軟骨所受的Mises應(yīng)力值和位移值較無膜模型稍小,我們根據(jù)這微小的差別,在加載時(shí)可以進(jìn)行相應(yīng)的推算,使得有膜模型條形軟骨獲得和無膜模型相同的位移壓縮量,相對(duì)準(zhǔn)確地控制生物實(shí)驗(yàn)部分對(duì)軟骨施加的壓縮量；三、在相同的滾壓速度,不同壓縮載荷下有膜無膜兩種模型中各層軟骨所受的Mises應(yīng)力值相差很小,也就是在條形軟骨上覆蓋一層薄膜對(duì)于條形軟骨所受的Mises應(yīng)力影響可以忽略。四、有膜模型中滾壓載

4、荷經(jīng)過軟骨各層固定部位考察點(diǎn)時(shí),此點(diǎn)所受的Mises應(yīng)力、主應(yīng)力、剪應(yīng)力值出現(xiàn)一定的正負(fù)交替現(xiàn)象,即軟骨發(fā)生交替的壓縮和拉伸,該變形類型在一定程度上符合人體膝關(guān)節(jié)軟骨日常走路時(shí)其所處的變形狀態(tài),這種力學(xué)刺激可能利于軟骨組織功能化的構(gòu)建。通過對(duì)關(guān)節(jié)軟骨袋裝滾動(dòng)加載過程的有限元仿真,能為行離體軟骨的體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)袋材料參數(shù)的選用提供一定理論依據(jù)。
　　 獲取未成年大白兔膝關(guān)節(jié)的軟骨作為研究對(duì)象,通過培養(yǎng)物袋裝滾壓加載生物反應(yīng)器施

5、加載荷初步研究該載荷對(duì)離體軟骨的力學(xué)影響。切片顯示:培養(yǎng)時(shí)間為14d的離體軟骨生長(zhǎng)增加量高于7d的；動(dòng)態(tài)滾動(dòng)加載組即實(shí)驗(yàn)組的生長(zhǎng)情況好于靜置培養(yǎng)組即對(duì)照組。這表明滾壓載荷能夠促進(jìn)離體軟骨的生長(zhǎng),這為構(gòu)建功能化組織工程軟骨可能提供了一種新方法。
　　 本論文闡述了研制的培養(yǎng)物袋裝滾壓加載生物反應(yīng)器,通過有限元仿真獲取實(shí)驗(yàn)條件及培養(yǎng)物力學(xué)狀態(tài),并進(jìn)行離體軟骨培養(yǎng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)初步研究了滾壓載荷對(duì)離體軟骨的影響,探索了軟骨組織工程的力學(xué)