不同灌流速度下软骨支架的降解及力学性能探讨

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论文字数:38555 论文编号:sb2022061519115348359 日期:2022-06-29 来源:硕博论文网

本文是一篇机械论文,本文重点研究丝素/II 型胶原支架在应力刺激下的降解行为、降解过程中的材料力学性能、蛋白二级结构及微观形态学上的变化,为进一步研究力学刺激下支架的降解的机理,以及研究复合支架设计等提供理论依据。
第一章 绪论
1.1 组织工程概述
骨关节炎(OA)是最常见的腿部骨骼疾病,在成人中多发,可能导致关节僵硬、疼痛,甚至使人残疾[1]。关节软骨的不可逆损伤、病变及组织愈合能力有限是骨关节炎的主要病因[2-5]。目前,能够用于临床的治疗方法一般包括:微骨折、自体移植和异体移植镶嵌成形术,都因与周围组织整合不良或纤维软骨形成不好受到限制[6]。随着组织工程的兴起,骨关节炎软骨缺损修复取得了新的进展。
目前,国内外对组织工程的研究重点是关于组织工程支架制备、细胞生长及分化诱导等多方面,该项技术可以有效避免自体或异体移植带来的二次创伤和排异反应[7, 8]。组织工程方法是将相关组织细胞与人工合成的可降解软骨支架进行共同培养[9]。然后移植入软骨损伤的部位,如图 1.1 所示。组织工程支架应该具有合适的三维孔隙率、人工可控的生物降解特性、力学性能和良好的生物相容性,在植入后能够为细胞的生长提供足够的活动和物质输运的空间,并通过支架降解对相关细胞的粘附、增殖与分化起到促进作用,从而使组织修复[10, 11]。

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1.2 组织工程支架
1.2.1 支架特性
软骨缺损修复的重要手段之一是缺损处植入组织工程支架,可以针对不同损伤情况单独设计,暂时填充损伤部位至组织愈合,即:可在损伤部位提供一定的力学支撑,对组织细胞粘附、生长起到促进作用[12]。因此,以下特性是理想的软骨支架应具备的:
(1)与组织匹配的孔隙率及孔结构:软骨支架是由规则排列的三维多孔结构构成的,该结构能够为组织的长入提供空间,且利于营养物质的运输,使组织细胞增殖分化,且有研究表明,孔隙率越大越有利于细胞黏附[13]。
(2)良好的力学性能:软骨支架具备的力学性能及天然软骨组织具备的力学性能,二者要相互匹配,才能够使支架的力学性能达到软骨缺损处的要求。力学性能不良会使支架在修复中坍塌,无法起到支撑作用;反之,力学性能过盛会产生力学遮挡从而阻碍新生组织的生长[10]。人工软骨支架的力学性能因材料选择、结构设计而不同。
(3)无毒性和良好的生物相容性:生物相容性是对于需要植入体内的材料,生物学性能评价的重要指标。当该材料与体内组织或者液体接触时,细胞或组织的功能保持稳定,同时避免免疫排斥和炎症反应,植入体内的降解产物无毒性等[14]。
(4)与新生组织匹配的生物降解性:支架的生物可降解性能是损伤修复问题的重中之重。如果支架降解过快,充足的力学性能无法被提供,细胞就会迁移到周围的组织中,导致缺陷修复受限;而降解过于缓慢的支架可能导致营养运输和组织生长的物理空间不足,最终阻碍组织形成和延缓修复进程[11]。
(5)生物支架的传导性和诱导性:细胞可以在支架上粘附生长,从而增殖、分化形成各种组织,从而促进修复。
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第二章 不同灌流速度下软骨支架的应力分析
2.2 灌流实验
应用如图 2.1(a)所示的低温 3D 打印丝素/II 型胶原生物支架,切割成 10ⅹ10mm 大小,放入自行制作的金属小笼中,以防止支架在降解过程中碎裂无法收集。如图 2.1(b)为自制的三维灌流系统,采用的是酶促降解法,依据灌流速度 分 为 两 组 。 第 一 组 与 第 二 组 灌 流 速 度 都 由 微 量 蠕 动 泵 控 制 , 分 别 为V0=7.89ml/min,V1=15.79ml/min,将装有支架的金属小笼放入灌流装置的灌流管。设定降解时间分别为 2 周、4 周、6 周、8 周,定期更换降解液,保证酶的活性。所有装置均放置在 CO2培养箱中,温度上模拟人体内环境为 37℃,所有操作在无菌密封环境下进行。

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2.3 Comsol 流固耦合模型建立
2.3.1 三维模型绘制
本文应用 COMSOL Multiphysics 5.5 版进行建模仿真。有限元分析模型应尽量简单,以减少计算量,保证计算的收敛性。因此,针对灌流实验装置的绘制进行了简化,仅以一个贯通的 10×10×50mm 的长方体代替灌流管及流体域,应用NX UG 绘制了内部支架模型,考虑到真实软骨厚度和 3D 打印后的真实支架形态,设定支架外形尺寸 10mm×10mm×1.8mm,每层宽度 0.3mm,由于考虑到边界条件及固定问题,将支架与液体接触域进行了延长。
COMSOL  Multiphysics  5.5 中涵盖大量耦合场,进行分析选择时,由于在实验环境中,流体以质量流描述,忽略固体发生小变形对流体的影响,选择流固耦合-单向耦合场。
现阶段的研究着重于对细胞环境的完整描述,尤其在自然环境或组织工程应用中的载荷传递过程。这些研究不仅有助于探讨力学在细胞尺度和更微观层面的作用,而且能够有效评估天然聚合物支架的力学性能。
液体灌流装置通过模拟膝关节内部液体环境对丝素/II 型胶原支架进行加载。在灌流过程中,液体填满空隙为载荷的主要承担者,随着液体的冲击,支架变形使孔隙大小发生改变,承载相变为固体支架,该过程与天然软骨在膝关节内受力过程相似。
本章建立了单相流固耦合模型,模拟了不同灌流速度下支架所受到的应力应变。结果显示,随着灌流速度的增加,支架应力与应变均增大,但随着支架层数的增加,逐层所受压强减小。与 V1的灌流速度相比,V0灌流速度下的支架受力较小,但支架变形和受力范围均适合细胞增殖和生长。该结果对生物反应器及支架材料力学性能研究具有一定实际意义。
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第三章 不同灌流速度下软骨支架的降解性能模拟 ........................17
3.1 引言 .................................... 17
3.2 聚合物支架降解本构的建立 ................. 17
第四章 不同降解时间下软骨支架的力学性能研究 ........................32
4.1 支架的有限元模型建立 .................................... 32
4.2 理论本构模型的建立 ...................................... 33
第五章 支架降解过程中的微观结构分析 ................................42
5.1 引言 ................................. 42
5.2 实验材料与方法 .......................... 42
第五章 支架降解过程中的微观结构分析
5.2 实验材料与方法
5.2.1 主要材料、试剂及设备
第二、三章主要进行了丝素/II 型胶原复合支架在灌流装置造成的受力状态下降解的有限元仿真,并通过实验数据验证了其可行性。对于软骨支架的降解,除了其重量上的变化,更应该关注其孔隙形态和聚合物内部键能的化学变化。SEM 扫描电镜是研究微观结构的通用方法,它能通过图片的形式将支架在降解过程中的孔隙变化直观显示,而孔隙率的大小变化也是影响降解效果的关键因素之一。傅里叶变换红外光谱(FTIR)则是研究蛋白质二级结构的一个非常有用的工具。它能够监测由周围环境的改变引起的蛋白质构象变化,如溶剂交换、pH变化、温度或水合作用,以及更普遍的由物理或化学变性剂导致的结构变化,氢键模式表征了多肽链的各种二级结构元素。

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第六章 总结与展望
6.1 总结
本文首先针对组织工程的发展现状进行了概述,分析了组织工程支架针对软骨损伤修复的重要意义。人工软骨支架必须具备合适的孔结构、孔隙率、良好的生物相容性、足够的力学强度和可控的降解性,丝素/II 型胶原软骨支架因具备以上优点备受组织工程研究的青睐。
本文重点研究丝素/II 型胶原支架在应力刺激下的降解行为、降解过程中的材料力学性能、蛋白二级结构及微观形态学上的变化,为进一步研究力学刺激下支架的降解的机理,以及研究复合支架设计等提供理论依据。 本文工作内容主要分为两个部分:第一部分为降解和力学相关有限元模拟和本构模型的推导;第二部分为支架体外降解的蛋白二级结构及形态学实验研究。研究结论总结如下:
(1)建立了单相流固耦合模型,通过对不同灌流速度的仿真,模拟了支架的变形和受力情况,由定量、定性分析可知,灌流速度越大,支架所受应力、应变越大,但支架的变形和受力范围均能够促进细胞的迁移和增殖。
(2)考虑到随机水解和应力刺激对支架降解的影响,建立了相关数学模型,与有限元匹配。结果表明,两方数据贴合,软骨支架的降解是一个先快后慢的过程,应力越大降解速率越大,支架降解越多,即:应力刺激确实促进了软骨支架的降解。为软骨损伤修复在临床医学上节省了验证的成本和时间。
(3)采用有限元模拟、理论预测和实验测试相结合的方法,研究了不同降解时间下支架的力学性能变化。结果表明,在相同形变量下,降解时间越长,支架层间所受应力越大;在相同的应力加载下,随着降解时间的延长,该复合支架所发生的应变越大。软骨支架在降解过程中,其力学性能会发生一定改变。建立的本构模型可以较准确的预测该支架在降解过程中的力学性能。
参考文献(略)


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