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骨组织力电效应及成骨细胞离体培养的数值分析

郦光丰  
【摘要】:由于骨内应力能够产生电位并促进骨的发生和重建,为明确其作用机理,论文在连续介质力学框架内的混合物理论的基础上,根据骨组织的生理结构特点,应用两相多孔介质模型来描述骨组织在受外界作用下的变形场、应力场、流动场以及由此产生的电场。然而为了进一步深入细致地研究骨组织生长规律,论文将骨组织工程种子细胞-成骨细胞看成是一种不可压缩粘弹性体,分析了其在离体培养下的力学行为,从而为更好地理解生长规律,并为骨组织的离体培养提供理论依据。 论文首先考察了骨组织的生理形态结构及其组成,据此将骨组织模型化为一种由固体骨基质和由细胞外液和血液等组成的液体所构成的两相饱和多孔介质,并进一步假设固体骨质为各向同性弹性介质,而孔间流体为理想流体;另一方面,骨组织在受到应力作用变形后能够产生电位。于是结合骨组织两相多孔介质模型和动电效应模型,建立了骨质变形和骨液流动相互耦合并考虑了动电效应的动力控制方程。采用Galerkin加权残值法导出了骨组织流固耦合力电效应的罚有限元公式,编制了相应的计算机程序。针对浸泡在液体中的悬臂梁试件和四点弯曲试件,计算了在受跃阶载荷和正弦载荷作用时的变形、流动以及流动电场分布。结果表明流动电位差在跃阶载荷作用下存在双脉冲现象,而在受交变载荷时其值随载荷频率的增加而增加并趋于平缓,其相位差则与电位差的变化刚好相反,这与Gross和Salzstein等的结果一致。 由于成骨细胞是骨组织工程的种子细胞,为研究其在机械刺激离体培养下的受力情况,论文将成骨细胞看作是一种均匀、各向同性、不可压缩粘弹性体,然后应用数值方法将物理关系中的遗传积分展开,从而导出物理关系的矩阵形式。再由相应的边界条件和初始条件,直接利用Lagrange方程导出了有限元公式,并编制相应的有限元计算程序。针对单向拉伸和四点弯曲两种离体培养成骨细胞的装置,再根据实际情况,将培养基看成是一种多孔材料,而将成骨细胞看成是粘弹性体,利用自编的有限元分析程序分别计算了受拟静态载荷和受交变载荷下细胞的动力响应,结果很好地反映了细胞的粘弹性性质。 论文还针对两相多孔介质材料编制了数值模拟软件,应用OpenGl技术进行图形后处理,这对于更好地理解模型在激励作用下的响应行为具有重要指导意义。


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