组织工程软骨植入缺损后修复区力学行为的体外实验研究

At present cartilage tissue engineering repairing defects have very big effect of uncertainty, some eliminate the clinical symptoms,but many appear degradation, degeneration, crack or harding, and even cause host cartilage degeneration, which are dependent on mechanical behavior of the repair cartilage defects after tissue engineering implant. The mechanical behavior related to in vivo studies have not a more reliable method. This project sets up cartilage tissue engineering in vitro in situ defect repair model, and applying respectively, sliding, compression,rolling load, by the digital image correlation technology, researches the mechanical behavior of the repair area. In it, different modulus of elasticity of agarose gel as artificial cartilages are implanted into defferent types of cartilage defects connected with biological glue; under bionic mechanical condition of the knee, the digital technology captures images in the repair area during the loading process to analyze its mechanical behavior, including the displacement field and strain field at the different layer border area, repair the corner, as well as the surface zone,middle, deep of host cartilage, also including the calculation of the stress field of artificial repair part, and deduction of host cartilage stress field. The experiment model will fully research the mechanics distribution law of repair area, and explore appropriate mechanical function parameters of the artificial cartilage to repair the defect. The study is basic research for cartilage tissue engineering to become a routine surgery, which was not reported in current references. The research will improve the level of cartilage tissue engineering, and promote the development of cartilage tissue engineering.

目前软骨组织工程已成为修复关节软骨缺损的理想方法，但修复效果有很大的不确定性，常出现退化、变性、开裂或硬化，甚至引起宿主软骨退变，这与组织工程软骨植入缺损后修复区的力学行为有关，而体内研究仍没有更可靠的方法。本项目首次建立体外软骨原位缺损组织工程修复模型，在膝关节仿生力学条件下应用数字图像相关技术研究修复区力学行为。其中采用不同弹性模量的琼脂糖凝胶作为人工软骨，分别植入不同类型软骨缺损，用生物胶粘接；分别施加滚压、滑动、压缩载荷，数字图像相关技术捕捉修复区受载过程中的图像，分析力学行为，包括不同层区交界处，修复拐角处，宿主软骨浅表层、中层、深层的位移场、应变场；计算、推导修复区的应力场和宿主软骨的应力场。采用实验模型和有限元模型充分研究修复区应力分布规律，探索修复缺损时人工软骨合适力学功能指标，该研究是组织工程成为常规手术的基础研究，将提高软骨组织工程技术水平，促进软骨组织工程发展。

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、淋巴和神经，其再生能力有限。软骨细胞作为软骨中唯一的“常驻”细胞，在合适的力学、生物化学等耦合环境下可维持软骨的分解、代谢的动态平衡，使软骨保持健康。软骨和细胞的结构与力学功能相适应，对力学环境较敏感，偏离正常生理载荷，造成宿主软骨细胞凋亡、软骨组织退变。软骨组织工程修复缺损正迈向临床，修复效果与力学环境密切相关。对此，做了三方面研究。. 第一，组织工程软骨缺损修复模型的制作及相关实验研究。采用不同浓度琼脂糖制成不同弹性模量的凝胶作为TEC；实测不同浓度琼脂糖凝胶的弹性模量，建立二者间的确定关系。在带有下骨的离体软骨上制作不同类型的缺损，进行相关的应力松弛实验研究。. 第二，关节软骨缺损修复区力学行为的研究。借助于有限元软件ABAQUS建立基于横观各向同性的关节软骨固液耦合双相三维有限元模型。数值模拟研究不同修复形状(圆柱、圆台、椭圆柱、正四棱柱)、修复深度(浅表层、中间层、深层、全层)、及TEC的材料参数对修复区力学行为的影响规律。包括Mises应力、剪应力、孔隙压力和流体流速，软骨抗压特性及修复区固体基质应力状态变化的规律。圆柱形，较小弹性模量的TEC利于修复，缺损若为非表层可将缺损延伸至全层。. 第三，关节软骨缺损修复区宿主软骨细胞力学行为的研究。借助于有限元软件COMSOL，建立关节软骨的纤维增强固液耦合二维有限元模型，跨尺度建立修复区各层宿主软骨细胞模型。考虑了不同层（浅表层、中间层、深层）宿主软骨细胞的形状及同一个软骨陷窝内细胞的个数。数值模拟研究TEC的弹性模量、修复深度及循环压缩载荷（频率、幅值）对各层宿主软骨细胞力学微环境的影响。缺损修复显著改变了各层软骨细胞的力学微环境，有限元研究弥补了目前实验技术无法在体测量细胞力学微环境的不足。. 课题培养硕士研究生6名，已发表文章14篇，其中3篇SCI检索，2篇EI检索，参加学术会议15人次。