在生物醫(yī)療行業(yè)，Instron 的 ElectroPuls 動(dòng)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備擁有廣泛的客戶群體，在生物力學(xué)測(cè)試和研究中擁有豐富的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)。本文將引用客戶測(cè)試案例，對(duì)動(dòng)物骨骼、骨科手術(shù)、血管組織及韌帶力學(xué)研究進(jìn)行分享。

動(dòng)物骨骼測(cè)試

骨質(zhì)疏松是一種全身的代謝性骨骼疾病，表現(xiàn)為骨骼的密度和質(zhì)量下降，導(dǎo)致骨骼脆弱，容易發(fā)生骨折。隨著科學(xué)的發(fā)展和人類的進(jìn)步，人均壽命不斷延長(zhǎng)，老年人口迅速增加，骨質(zhì)疏松的發(fā)病率也隨之迅速增加，成為全球性的健康問題。如何研究及有效治療骨質(zhì)疏松癥已成為人們廣泛關(guān)注的重要課題。

小鼠骨生物力學(xué)測(cè)試以彎曲試驗(yàn)最為適用，常用的為3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，用于測(cè)定骨組織在外力作用下的力學(xué)特征和骨在受力后的生物學(xué)效應(yīng)。此外，也可以通過活體測(cè)試研究藥物對(duì)骨骼生長(zhǎng)的影響。

對(duì)大鼠或小鼠骨骼的彎曲試驗(yàn)有助于研究骨骼的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性

將大鼠麻醉后，安裝并對(duì)脛骨循環(huán)加載，研究力學(xué)刺激/藥物對(duì)骨骼愈合或生長(zhǎng)等的影響。

不同內(nèi)植物修復(fù)單側(cè)不穩(wěn)定骨盆后環(huán)損傷的

有限元及生物力學(xué)分析

骨盆穩(wěn)定性主要由骨盆后環(huán)及骶髂關(guān)節(jié)決定，近年來，車禍等高能量沖擊帶來的骨盆后環(huán)損傷及骶髂關(guān)節(jié)脫位病例逐年遞增。對(duì)此，手術(shù)治療是合適的方法。目前臨床中存在多種內(nèi)植物修復(fù)方式，但哪種治療方式具有更好的生物力學(xué)性能仍存在一定爭(zhēng)議。

本研究采用有限元仿真和力學(xué)測(cè)試結(jié)合的方式，構(gòu)建不同內(nèi)植物修復(fù)單側(cè)不穩(wěn)定骨盆后環(huán)損傷模型并進(jìn)行對(duì)比，對(duì)變形位移和剛度差異采用獨(dú)立樣本 t 檢驗(yàn)進(jìn)行分析。

采用 E10000 設(shè)備及定制夾具，骨盆標(biāo)本牙托粉包埋，以 20mm/min 速率壓縮至 500N，記錄下骶骨整體位移變化。

圖注：圖A為正常骨盆模型；B為單側(cè)后環(huán)損傷骨盆模型；C為前路雙鋼板修復(fù)模型；D為后路橋接鋼板模型；E為拉力釘修復(fù)模型；F為后路橋接鋼板模型的X射線片；G為前路雙鋼板修復(fù)模型的X射線片；H為拉力釘修復(fù)模型的X射線片

力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

圖注：圖 A 為各模型剛度；B 為各模型壓力變形。NP 為正常骨盆模型：UIP 為單側(cè)后環(huán)損傷骨盆模型；ADP 為前路雙鋼板修復(fù)模型；PBP 為后路橋接鋼板模型；TNP 為拉力釘修復(fù)模型

振動(dòng)鉆孔與常規(guī)鉆孔

對(duì)皮質(zhì)骨產(chǎn)生微裂紋的實(shí)驗(yàn)研究

骨鉆孔在骨科手術(shù)中應(yīng)用廣泛。鉆孔過程總會(huì)產(chǎn)生微裂紋，造成疲勞損傷和應(yīng)力斷裂。通過振動(dòng)和常規(guī)方法鉆取新鮮的牛皮質(zhì)骨，經(jīng)掃描電鏡觀察鉆孔部位和骨碎片。比較兩種方式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)振動(dòng)鉆孔在骨科手術(shù)中可減少對(duì)骨的微損傷，從而降低應(yīng)力性骨折的發(fā)生率，有助于術(shù)后恢復(fù)。

圖左：精密切割機(jī)

圖右：鉆孔試樣

振動(dòng)與常規(guī)鉆井的實(shí)驗(yàn)布置

體外鉆孔操作使用 ElectroPuls E10000 完成，可在保持勻速運(yùn)動(dòng)（V=40mm/min）的同時(shí)提供振動(dòng)。常規(guī)和振動(dòng)鉆取方法分別設(shè)置不同的參數(shù)（頻率：5~20Hz, 100~500μm）。選擇產(chǎn)生合適溫度的條件（A=500μm， f=20Hz），通過掃描電鏡觀察并比較常規(guī)組和振動(dòng)組皮質(zhì)骨鉆孔部位和骨碎片。

聚集的平滑肌細(xì)胞合成工程血管組織

研究目的為開發(fā)一種系統(tǒng)，能夠從聚集的細(xì)胞及細(xì)胞衍生的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）快速生成工程化組織結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行以評(píng)估。將大鼠主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞注入環(huán)狀瓊脂糖孔（內(nèi)徑分別為 2，4 和 6mm），靜培養(yǎng)兩周后，細(xì)胞聚集形成較厚的組織環(huán)（8天 0.76 mm；14天 0.94 mm）。組織環(huán)強(qiáng)度和剛度值優(yōu)于同等時(shí)間培養(yǎng)的工程組織結(jié)構(gòu)。組織環(huán)的強(qiáng)度（100~500 kPa）和模量（0.5~2 MPa）隨組織環(huán)尺寸增大而增大，隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而減小。

最后，組織環(huán)在硅芯軸上培養(yǎng)7天融合形成管狀結(jié)構(gòu)。這種系統(tǒng)為細(xì)胞源性組織的優(yōu)化和功能評(píng)估提供了一種多功能的新工具，并為創(chuàng)建組織工程血管移植物提供了一種新方法。

將大鼠主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞注入環(huán)狀瓊脂糖孔內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì)胞聚集形成較厚的組織環(huán)。側(cè)視圖（d）和俯視圖（g）顯示培養(yǎng)8天后，在瓊脂糖柱周圍形成一個(gè)4毫米內(nèi)徑的組織環(huán)。

使用 E1000 對(duì)組織環(huán)進(jìn)行力學(xué)性能評(píng)估。將組織環(huán)用兩個(gè)不銹鋼銷釘（夾具）進(jìn)行固定，并浸沒于 PBS 溶液中。一個(gè)夾具連接到機(jī)器作動(dòng)缸一端，另一個(gè)連接 1N 載荷傳感器。載荷（F）和位移（⊿L數(shù)據(jù)）以 10Hz 頻率連續(xù)采集。

對(duì)組織環(huán)施加 5mN 的拉伸力，記錄此時(shí)的標(biāo)距（L g）。然后在 5mN 至 50kPa 工程應(yīng)力范圍內(nèi)對(duì)組織環(huán)進(jìn)行8周期的預(yù)循環(huán)加載，然后以 10mm/min 的速率拉伸至斷裂。

上圖為典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線，顯示的是 4mm 的組織環(huán)培養(yǎng)8天后的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析獲得最大拉伸強(qiáng)度（UTS）、斷裂應(yīng)變、最大切模量（MTM）以及斷裂韌性（Toughness）。

組織環(huán)融合形成管狀。 組織環(huán)培養(yǎng) 7d 后轉(zhuǎn)移到外徑 1.9 mm 的硅膠芯軸（a）上，二者緊密貼合（b）。后將試管再培養(yǎng)7天，共14天（c），在移除硅膠芯軸后獲得管狀組織（d）。

大鼠內(nèi)側(cè)副韌帶進(jìn)行性損傷力學(xué)性能表征

膝蓋是人體最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，由肌肉、骨骼和韌帶系統(tǒng)組成，在日常和運(yùn)動(dòng)中承受重復(fù)性負(fù)荷。當(dāng)這種負(fù)荷過大時(shí)，會(huì)對(duì)膝關(guān)節(jié)造成損傷，導(dǎo)致生活質(zhì)量下降。內(nèi)側(cè)副韌帶（MCL）是已知膝關(guān)節(jié)常見損傷的四大韌帶之一。膝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)隨著老年人和慢性脫水的個(gè)體而增加。

本研究采用一種新的力學(xué)試驗(yàn)方案，通過拉伸試驗(yàn)逐步誘導(dǎo)大鼠 MCL 損傷并對(duì)損傷進(jìn)行量化分析。

左：正常含水韌帶

右：浸潤(rùn)在 25% 蔗糖 PBS 溶液中更為透明的脫水韌帶

典型的脛骨-MCL-尺骨復(fù)合體（FMTC）作為試驗(yàn)樣品

韌帶試樣（FMTC）的股骨和脛骨端通過牙骨水泥包埋固定在軟管接頭，軟管接頭連接到拉伸夾具，并置于水浴槽中。使用 ElectroPuls E1000 配置 50N 載荷傳感器進(jìn)行測(cè)試。

試樣安裝如下圖：

先對(duì)試樣施加 0.1N 預(yù)加載消除樣品松弛性，并定義此時(shí)的位移為零。以 1Hz 的頻率施加最大振幅為 0.3mm 的半三角波形；回復(fù)到 0.1N 并保持 10min。以 0.1mmm/s 的速度拉伸韌帶到 d1=0.4mm，回復(fù)到 0.1N 保持 10min，繼續(xù)拉伸到 d2=0.6mm，d3=0.8mm，d4=1.0mm，持續(xù)以 dk+1-dk=0.2mm 直至樣品斷裂。每次拉伸后均回復(fù)到 0.1N 保持 10min。

通過位移-載荷曲線以及切剛度和弦剛度等數(shù)據(jù)來分析韌帶的進(jìn)行性損傷。