不同载荷模式促进软骨缺损修复整合的力学机理研究

软骨组织工程修复缺损正走向临床，人工软骨与宿主软骨界面整合问题已成为临床治疗急需解决的难题。软骨的多层结构特征和功能是适应力学环境的结果，其缺损修复与力学环境有重要关系。充分利用关节软骨自身修复能力，我们首次提出建立关节软骨缺损自然修复模型和关节软骨缺损亚自然修复的组织工程修复模型，分别采用体内、体外实验，来研究界面整合的力学调控机理。总结关节软骨所受到的复杂力学环境，体外实验拟分别采用四种力学条件：滚压载荷、滑动载荷、动态压缩和双频压缩载荷；体内实验采用自由散养和关节制动力学条件，探索不同力学载荷模式促进软骨缺损界面整合机理，包括研究关节软骨整合处细胞增殖、分化、迁移、凋亡的力学效应，细胞外基质质、量的力学适应规律，及整合处力学性能、胶原方向的分析。此研究有利于目前软骨修复中界面整合难题的突破；更进一步理解软骨结构形态、功能与力学环境适应的本质，并为功能化组织工程软骨构建提供基础探索。

关节软骨是位于关节两端具有弹性的特殊结缔组织,因缺少血管、淋巴管及神经,其再生能力有限。软骨结构与力学功能相适应，对力学环境较为敏感，偏离正常生理载荷组织都要发生退变。软骨组织工程修复缺损正走向临床，其缺损修复与力学环境有重要关系。对此做了四方面研究。.第一，研究加载生物反应器。研制了组合式多功能生物反应器；压缩与扭转组合的生物反应器；并进行一种多位置点循环加载生物反应器和一种可控制压缩量的磁力驱动滑动加载装置的设计。组合式多功能生物反应器实现从高速到低速等不同范围的高精度定位控制，且可以对培养物进行滚压、滑动或滚压滑动相结合加载，还能对培养物进行高频、双频、冲击加载，具有运行平稳，反应速度快，工作安全可靠。.第二，软骨力学生物学及软骨缺损修复研究。载荷对离体软骨生长发育有促进作用，但对有微缺损的软骨加载培养，载荷引起细胞组织分离，从缺损处细胞流失，不利于软骨缺损的恢复，而没有加载的样品切片显示细胞位于原位长势较好。关节制动和正常活动条件下动物关节软骨缺损修复研究表明，制动不利于缺损修复，正常活动优于制动的结果。滚压加载使丝素-软骨细胞复合物细胞软骨表型表达较好。.第三，软骨力学性能及缺损修复的实验研究。此方面做压缩载荷作用下关节软骨准静态力学性能的实验研究；循环压缩载荷下软骨的力学行为；关节软骨缺损修复后压缩、滚动、滑动载荷下关节软骨修复区力学性能研究。不同载荷环境下结合数字图像相关技术，实验表明软骨不同层区的力学性能存在明显的差异。采用琼脂糖凝胶作为人工软骨建立关节软骨缺损修复模型，全层缺损软骨和半层缺损软骨修复区有相似的应变场分布，但局部有些差异。修复区都明显存在不均匀应变场；修复区的线应变场和剪应变场与缺损程度和压缩量有关；修复界面处的剪应变场为奇异状态，造成修复区细胞处于有复杂应变状态，将影响缺损修复效果。.第四，有限元仿真在软骨力缺损、损伤演化、传质等研究。不同缺损截面形状和修复深度都会影响软骨的力学性能。压缩量和压缩速率的增加都会使修复区域的应力应变增加，使软骨修复结合面处出现应力集中。传质方面，将三相本构方程转化为两相方程，利用传热学模型对压缩载荷作用下的溶质扩散进行计算，分析了压缩、滑动对溶质扩散的影响。.课题培养硕士研究生14名，获得一项省部级科技进步二等奖，已发表文章30篇，其中6篇SCI检索，10篇EI检索。授权发明专利6项，学术会议90人次