【医学前沿】生物力学研究案例分享

在生物医疗行业，Instron 的 ElectroPuls 动静态力学试验设备拥有广泛的客户群体，在生物力学测试和研究中拥有丰富的测试经验。本文将引用客户测试案例，对动物骨骼、骨科手术、血管组织及韧带力学研究进行分享。

动物骨骼测试

骨质疏松是一种全身的代谢性骨骼疾病，表现为骨骼的密度和质量下降，导致骨骼脆弱，容易发生骨折。随着科学的发展和人类的进步，人均寿命不断延长，老年人口迅速增加，骨质疏松的发病率也随之迅速增加，成为全球性的健康问题。如何研究及有效治疗骨质疏松症已成为人们广泛关注的重要课题。

小鼠骨生物力学测试以弯曲试验最为适用，常用的为3点弯曲试验，用于测定骨组织在外力作用下的力学特征和骨在受力后的生物学效应。此外，也可以通过活体测试研究药物对骨骼生长的影响。

对大鼠或小鼠骨骼的弯曲试验有助于研究骨骼的强度和结构完整性

将大鼠麻醉后，安装并对胫骨循环加载，研究力学刺激/药物对骨骼愈合或生长等的影响。

不同内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的

有限元及生物力学分析

骨盆稳定性主要由骨盆后环及骶髂关节决定，近年来，车祸等高能量冲击带来的骨盆后环损伤及骶髂关节脱位病例逐年递增。对此，手术治疗是最优方法。目前临床中存在多种内植物修复方式，但哪种治疗方式具有最优生物力学性能仍存在一定争议。

本研究采用有限元仿真和力学测试结合的方式，构建不同内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤模型并进行对比，对变形位移和刚度差异采用独立样本 t 检验进行分析。

采用 E10000 设备及定制夹具，骨盆标本牙托粉包埋，以 20mm/min 速率压缩至 500N，记录下骶骨整体位移变化。

图注：图A为正常骨盆模型；B为单侧后环损伤骨盆模型；C为前路双钢板修复模型；D为后路桥接钢板模型；E为拉力钉修复模型；F为后路桥接钢板模型的X射线片；G为前路双钢板修复模型的X射线片；H为拉力钉修复模型的X射线片

力学试验结果

图注：图 A 为各模型刚度；B 为各模型压力变形。NP 为正常骨盆模型：UIP 为单侧后环损伤骨盆模型；ADP 为前路双钢板修复模型；PBP 为后路桥接钢板模型；TNP 为拉力钉修复模型

振动钻孔与常规钻孔

对皮质骨产生微裂纹的实验研究

骨钻孔在骨科手术中应用广泛。钻孔过程总会产生微裂纹，造成疲劳损伤和应力断裂。通过振动和常规方法钻取新鲜的牛皮质骨，经扫描电镜观察钻孔部位和骨碎片。比较两种方式，结果发现振动钻孔在骨科手术中可减少对骨的微损伤，从而降低应力性骨折的发生率，有助于术后恢复。

图左：精密切割机

图右：钻孔试样

振动与常规钻井的实验布置

体外钻孔操作使用 ElectroPuls E10000 完成，可在保持匀速运动（V=40mm/min）的同时提供振动。常规和振动钻取方法分别设置不同的参数（频率：5~20Hz, 100~500μm）。选择产生最低温度的条件（A=500μm， f=20Hz），通过扫描电镜观察并比较常规组和振动组皮质骨钻孔部位和骨碎片。

聚集的平滑肌细胞合成工程血管组织

研究目的为开发一种系统，能够从聚集的细胞及细胞衍生的细胞外基质（ECM）快速生成工程化组织结构并对其进行以评估。将大鼠主动脉平滑肌细胞注入环状琼脂糖孔（内径分别为 2，4 和 6mm），静培养两周后，细胞聚集形成较厚的组织环（8天 0.76 mm；14天 0.94 mm）。组织环强度和刚度值优于同等时间培养的工程组织结构。组织环的强度（100~500 kPa）和模量（0.5~2 MPa）随组织环尺寸增大而增大，随培养时间延长而减小。

最后，组织环在硅芯轴上培养7天融合形成管状结构。这种独特的系统为细胞源性组织的优化和功能评估提供了一种多功能的新工具，并为创建组织工程血管移植物提供了一种新方法。

将大鼠主动脉平滑肌细胞注入环状琼脂糖孔内进行培养，细胞聚集形成较厚的组织环。侧视图（d）和俯视图（g）显示培养8天后，在琼脂糖柱周围形成一个4毫米内径的组织环。

使用 E1000 对组织环进行力学性能评估。将组织环用两个不锈钢销钉（夹具）进行固定，并浸没于 PBS 溶液中。一个夹具连接到机器作动缸一端，另一个连接 1N 载荷传感器。载荷（F）和位移（⊿L数据）以 10Hz 频率连续采集。

对组织环施加 5mN 的拉伸力，记录此时的标距（L g）。然后在 5mN 至 50kPa 工程应力范围内对组织环进行8周期的预循环加载，然后以 10mm/min 的速率拉伸至断裂。

上图为典型的应力应变曲线，显示的是 4mm 的组织环培养8天后的应力应变数据，通过数据分析获得最大拉伸强度（UTS）、断裂应变、最大切模量（MTM）以及断裂韧性（Toughness）。

组织环融合形成管状。 组织环培养 7d 后转移到外径 1.9 mm 的硅胶芯轴（a）上，二者紧密贴合（b）。后将试管再培养7天，共14天（c），在移除硅胶芯轴后获得管状组织（d）。

大鼠内侧副韧带进行性损伤力学性能表征

膝盖是人体最复杂的关节，由肌肉、骨骼和韧带系统组成，在日常和运动中承受重复性负荷。当这种负荷过大时，会对膝关节造成损伤，导致生活质量下降。内侧副韧带（MCL）是已知膝关节常见损伤的四大韧带之一。膝关节损伤的风险会随着老年人和慢性脱水的个体而增加。

本研究采用一种新的力学试验方案，通过拉伸试验逐步诱导大鼠 MCL 损伤并对损伤进行量化分析。

左：正常含水韧带

右：浸润在 25% 蔗糖 PBS 溶液中更为透明的脱水韧带

典型的胫骨-MCL-尺骨复合体（FMTC）作为试验样品

韧带试样（FMTC）的股骨和胫骨端通过牙骨水泥包埋固定在软管接头，软管接头连接到拉伸夹具，并置于水浴槽中。使用 ElectroPuls E1000 配置 50N 载荷传感器进行测试。

试样安装如下图：

先对试样施加 0.1N 预加载消除样品松弛性，并定义此时的位移为零。以 1Hz 的频率施加最大振幅为 0.3mm 的半三角波形；回复到 0.1N 并保持 10min。以 0.1mmm/s 的速度拉伸韧带到 d1=0.4mm，回复到 0.1N 保持 10min，继续拉伸到 d2=0.6mm，d3=0.8mm，d4=1.0mm，持续以 dk+1-dk=0.2mm 直至样品断裂。每次拉伸后均回复到 0.1N 保持 10min。

通过位移-载荷曲线以及切刚度和弦刚度等数据来分析韧带的进行性损伤。