组织工程支架在流固场中力学环境的研究

摘要

近几年来，骨组织中骨细胞受力环境研究成为力学调控机制的重点研究内容，并成为国内外生物力学前沿课题之一。因为越来越多证据显示骨细胞是骨的机械应力感受器，是骨吸收和骨形成的直接感受器，是启动骨重建过程的重要一环，同时骨细胞不仅可以将机械力信号转化为生化信号，并将信号传递到其它类型细胞，调控功能活动。支架材料作为接受外来刺激的主体，传递力学信号给细胞，当细胞受到力学刺激后，便会影响细胞的增殖和分化速率。因此研究支架在表观应变下内部各应变分布情况和支架在一定流速下支架内流场的分布情况及流体对孔壁剪切力的大小，对细胞是否在力学刺激下能够更好的增殖分化有极为关键的意义。本研究以Micro-CT扫描制备的复合支架数据为依据，并对其进行三维逆重建，进行有限元分析，最后通过实验研究力学对细胞在支架上生物学特性的影响。为制备组织和器官替代物，以恢复、维持和改善人体组织等提供科学依据，同时为力学调控机制的基础研究提供参考。
　　 通过将Micro-CT扫描的数据导入Mimics和Geomagic中，对模型进行三维逆重建。构建出支架的三维模型，包括支架图像数据采集、生成点云数据和构建支架三维实体造型。最终获得符合需要的三维模型。
　　 将构建的三维实体模型导入有限元Ansys中，理论分析获得适合细胞体内微环境下的应变分布，将符合研究的表观应变转换为位移对支架复合物进行加载，参数如下:等效于3000με的位移动态载荷、f=1Hz的正弦波，每天加载一次，一次持续时间为10分钟，分别加载7d、14d后观察细胞在支架上的生长状态。理论分析结果显示不同表观微应变下内部应变分布不同，得到表观应变为3000με时更符合细胞生长的微环境。后续力学加载实验及细胞染色观察结果表明培养7天后支架上已经分布有较多不规则、梭形细胞，14天后，支架表层孔隙已经被细胞和细胞外基质包裹，细胞已经大量增殖并且很好的分泌细胞基质。
　　 在solidworksflowsimulation中进行流体分析，将入口速度设为不同值，出口为大气压，经过仿真，对所得数据进行分析总结。结果显示，随着流速的增加，剪切力成线性关系。当流速为235μm/s时孔壁主要剪切力为2～3mPa，与多位学者的结果相一致。还可以观察到比较高的流速，其中(300～580μm/s)的速度出现在出口处，大部分低速(0～50μm/s)出现在孔壁。solidworksflowsimulation较适用于分析流速较小，网格较难划分的实体模型。数值结果可显示速度、压力和剪切力分布。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 骨的力学传质机理

1．1．2 骨组织工程支架材料研究现状

1．1．3 生物反应器研究现状

1．1．4 力学因素对在体或离体骨构建和培养的影响

1．2 研究内容和目的意义

1．2．1 研究内容

1．2．2 目的意义

1．3 课题实施方案

第二章 支架制备和Micro-CT扫描

2．1 支架制备

2．2 断层扫描原理

2．3 快速成型技术

2．4 本章小结

第三章 支架三维逆重建

3．1 逆向工程概述

3．2 Mimics逆重建分析

3．2．1 数据采集

3．2．2 Mimics建模步骤

3．3 Geomagic反求设计

3．3．1 点阶段处理

3．3．2 多边形阶段处理

3．3．3 形状阶段处理

3．3．4 其他命令

3．4 本章小结

第四章 支架有限元分析

4．1 内部应变分布

4．1．1 支架内部应变分布

4．1．2 SF／HA／β-TCP复合支架扫描后有限元分析

4．1．3 兔松质骨micro-CT扫描后有限元分析

4．2 速度和剪切力分析

4．3 本章小结

第五章 细胞／支架复合物的体外动态培养

5．1 支架的载荷参数确定

5．2 加载装置的完善及使用

5．2．1 应变加载和流室参数的确定

5．2．2 动态压载荷加载装置的完善

5．2．3 细胞培养及接种

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 问题与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢