研究软骨细胞在关节软骨缺损修复的机械环境循环压缩加载下的面积

文摘

COMSOL有限元软件被用来建立两相的固液耦合模型的关节软骨和软骨细胞的微观模型,使用建模考虑形状和软骨细胞的数量在每一层软骨腔隙。循环荷载的影响在不同频率对微机械环境的软骨细胞在不同区域的软骨进行了研究。结果表明,低频负荷会引起应力集中的表面的软骨细胞。此外,随着频率增加,软骨细胞的应激反应曲线的最大值降低,而最小值增加。当频率大于0.2赫兹,响应曲线的极值应力往往是常数。循环荷载对液体压力的分布有很大的影响在中层和深层软骨细胞。从细胞内流体压力的浓度变化交替中间边缘层。两种液体压力的范围上软骨细胞和液体压力的最大值降低软骨细胞在相同的裂陷深层变化很大。在相同的加载频率、人工软骨的弹性模量几乎没有影响软骨细胞的力学环境。

1。介绍

关节软骨是一层低摩擦的承载水化软组织、关节表面长骨头的两端。它的力学性能和形态是由软骨细胞的新陈代谢1,2]。正常关节软骨能承受数以百万计的高力加载周期(3),但锻炼提高能源和力量,老龄化的问题变得越来越严重。大约65%的人口受到了伤害他们的关节软骨4]。由于缺乏血管、神经、淋巴组织,软骨无法轻易损伤后自我修复。近年来,组织工程技术修复关节软骨缺损已经吸引了太多的关注4,5]。这项技术有望成为最有效的方法来治疗软骨缺损。直到现在,利用组织工程技术修复软骨缺损导致临床治疗成功率约为50%,有一个良好的短期效果,但不确定长期的结果由于贪污的发生变性,degenerescence,共同破解,硬化,甚至诱导宿主软骨的退化2,6,7]。主要原因是组织工程软骨的力学性能是不与天然软骨,并植入物会改变固体基质的机械环境和区域内的软骨细胞修复。软骨细胞应对压力刺激通过改变形状。偏离生理负荷影响基因表达,新陈代谢,也可能诱导软骨细胞的凋亡2,8]。单一的软骨细胞体外实验结果表明,循环荷载比静载荷影响软骨细胞生物合成更重要的(9]。研究表明,特定频率的交变载荷可以增加aggrecan合成软骨移植组织(10]。因此,建议临床组织工程软骨修复后,病人逐渐锻炼期间住院和出院后(2]。适当的康复训练可以减轻疼痛,改善关节软骨细胞的新陈代谢。

目前,主要的方法用于研究体外软骨细胞的力学性能进行实验或有限元数值模拟11- - - - - -14)和直接测量参数,如细胞变形、弹性模量、表面的潜力。然而,结果并不真正反映体内软骨细胞的微机械环境。直到现在,已经很难监控细胞体积,压力,压力或压力的变化在软骨细胞细胞内液循环荷载(15]。软骨细胞的生物力学环境的多尺度研究有限元分析可以满足评估这些测量的要求。周等人用多尺度方法研究流体的压力和流场的分布在软骨下静态加载和pericellular矩阵(PCM)的作用在保护软骨细胞从高应力破坏16]。Tauska等人还利用多尺度方法研究关节软骨细胞的力学行为在正常和内侧半月板切除术17]。Guilak和海德尔建立了多尺度线性两相的cell-matrix交互模型的关节软骨,与软骨细胞的复杂动态环境之间的相关性及其在压缩循环荷载下宏观负载特征研究[8]。Erdemir等人使用关节的多尺度方法建立高通量模型,建立不同尺度之间信息传递是生成一个模拟研究的机械环境的变化在细胞尺度宏观载荷作用下(18]。

软骨细胞的机械反应循环压缩的振幅和频率取决于负载(8,15,19]。摘要COMSOL有限元软件被用来建立一个无侧限模型的关节软骨全层缺损和transscale软骨细胞模型。频率的影响在循环压缩加载和人工软骨的弹性模量对微机械环境的软骨细胞修复缺陷被数值模拟研究。

2。材料和方法

COMSOL多重物理量(3.5;皇家理工学院,斯德哥尔摩,瑞典),选择有限元软件,模拟软骨细胞的机械环境三个步骤。第一步建立的有限元模型软骨和软骨细胞。第二步计算关节软骨的位移场和应力场,从而为软骨细胞模型提供准确的边界条件。第三步的结果映射的相应区域软骨模型使用一致的软骨细胞模型上边界条件,完成数据转换。

2.1。关节软骨的模型

在1980年代,割等人建立了固液两相的耦合多孔介质模型软骨(20.]。该模型准确地反映软骨的宏观力学性能,因为纤维增强的特点被认为是。

2.1.1。材料参数

软骨各向异性的材料参数,泊松比ν和弹性模量E,相关与深度有关的方式如下21- - - - - -23]: 在哪里和分别是软骨的厚度和深度,。

软骨渗透率是一个非线性函数相关的深度和变形(23,24]: 在哪里 初始磁导率, 是一个任意的材料参数,是体积应变, 是一个函数依赖深度。

2.1.2。关节软骨模型的边界条件

之间的联系的脸股骨远端和胫骨近端是弯曲的,所以接触应力计算采用赫兹接触理论(25]。应用赫兹压力模拟生理负载导致以下表达式: 在哪里 一半的接触宽度, 相当于股骨髁的半径,循环荷载, 相当于弹性模量。软骨下骨磁导率非常小,接近0,设置位移边界条件:

左和右边界是对称的,位移是无约束的,压力是0,和液体可以自由流动:

软骨的对称的几何模型的2厘米的长度和厚度2毫米成立,中部地区是一个缺陷修复区域的宽度(图2毫米1)。下边界固定,两国边界和上表面被允许自由流动。一个向下的循环荷载施加在上表面; ,在那里 是角频率,是频率,荷载振幅。纤维在肤浅的水平层,横向和纵向纤维交叉斜中间纤维层,和深层纤维软骨表面垂直。

2.2。软骨细胞的有限元模型

软骨细胞的机械环境取决于宏观变形的软骨软骨和软骨细胞的位置。软骨细胞模型建立了根据细胞形态观察染色实验。软骨细胞的表面和中间层是扁圆的,圆的,有三个在软骨软骨细胞腔隙形成一个集群(图2)。一个100μ米²周边地区每个软骨细胞定义为相干缓冲区。边际地区是细胞外基质(ECM);内在的过渡区是pericellular矩阵(PCM)软骨细胞在中央区域。

2.2.1。软骨细胞结构参数

软骨细胞模型的材料参数取自文献[26,27]:v_{ECM, 1、2、3}=v_{PCM, 1、2、3}= 0.2,v_细胞= 0.4。其余的参数如表所示1。在啮合过程中,软骨细胞的密度网格和软骨细胞稀疏周围区域的网格,该方法提高了计算效率,同时确保其准确性。

2.2.2。软骨细胞模型的验证

以前的软骨细胞(应变分析结果18]本文仿真结果比较(数字3(一个)和3 (b))。可以看出,应变逐渐增加ECM PCM和成软骨细胞内部,PCM有压力传导放大的功能。最大应变为0.4(图3(一个)(图0.41),应变极值3 (b)),这两个值的方差比率是2.5%。应变云图也相似,表明软骨细胞模型的准确性。

3所示。结果

3.1。研究软骨细胞的力学环境的表面层

摘要人工软骨弹性模量为0.1 MPa被用来修复软骨缺损。循环压缩载荷在不同频率被用来模拟生理负荷,研究软骨细胞的力学环境,探讨软骨修复软骨细胞的机械性能的缺陷。

3.1.1。结构应力变化曲线在不同细胞内中心和PCM

统一的刺激aggrecan合成观察在0.01赫兹的频率,同时,在0.1赫兹的频率更高,刺激只是在外围径向位置的圆柱形外植体(10]。因此,本研究选择的软骨细胞的中心,标签位置1,PCM正上方位置1,标签位置2,受加载频率的0.01赫兹,0.02赫兹,0.05赫兹,0.1赫兹。应力曲线变化在位置1(粗线)和2(一线)表面层(图中获得4)。最大应力被观察到约500 Pa ~ 680 Pa 1和一个值5点在位置2 ~ 6倍(2800 Pa ~ 3600 Pa)在不同的频率,随着时间的推移逐渐减少,这表明PCM起着保护和过渡的作用[16]。在压缩负荷0.1赫兹的频率,压力点2相比减少了近1000 Pa压力在0.01赫兹。在低频率、响应负载在位置1和2几乎是同步的,但是,当频率增加到0.05赫兹,在位置1和2的最小应力值明显分离。最低压力在0.05赫兹的区别是大约400 Pa和大约600 Pa在0.1赫兹。

最大应力降低了在位置1和位置2随着频率增加,压力减少了近170 Pa - 930 Pa在0.1赫兹相比,在0.01赫兹,分别。然而,最低压力增加在位置1和位置2随着频率增加,压力增加近160 Pa - 700 Pa在0.1赫兹相比,在0.01赫兹,分别。在低频率、位置1和2反应几乎同时加载。在0.05赫兹的频率,最低压力值位置1和2之间的分离。上述结果表明PCM对频率的变化很敏感。

人类的正常行走步态的频率大约是0.5 - -0.7赫兹。通过分析的最大和最小值的压力响应曲线在位置1和位置2,高于0.1赫兹的频率,极值应力的变化曲线(图也获得了在不同频率5)。可以看出,随着加载频率的增加,压力在位置1和2的最小值增加,而压力的最大值降低。当循环荷载频率高于0.2赫兹,压力的极值基本上保持不变。

3.1.2。应力分布的软骨细胞和PCM的轮廓

加载后的100年代,应力分布的轮廓在软骨细胞和PCM循环载荷作用下测量不同频率(图6)。数值模拟表明,细胞具有不同的压力弹性模显然不是同一频率下不同的负载。只有当加载频率是0.05赫兹,在更大的弹性模,软骨细胞的压力减少。当人工软骨的弹性模量0.9 MPa被用来修复软骨,软骨细胞的最大应力值和PCM是大约75%的低模量(0.1 MPa)修复。应用低频时(0.01赫兹)负载,负载的累积效应可以充分反映由于软骨的粘弹性性质。细胞内压力的最大值在低频负荷(0.01赫兹)高于高频加载(0.05赫兹),前者是后者的2.53倍。随着时间的累积效应导致软骨细胞压力增加,但它并没有增加下去,所以从高应力有利于保护软骨细胞损伤和基因表达的变化。在低频率负载的情况下,使用人工软骨和更大弹性模(0.6或0.9 MPa),压力逐渐下降,增加负载周期。

3.1.3。软骨细胞中流体速度的变化

细胞内液的变化速度是最重要的表面层加载频率0.1赫兹时,细胞内的分布地图表示的流体速度在不同加载时间(4 s、9、14、19 s)(图7)。结果表明,液体速度的分布有显著差异。一般来说,软骨细胞的外围区域的流速明显大于核心区域。此外,模拟还表明,当循环荷载频率低于0.05赫兹,软骨细胞中流体压力和速度的分布保持不变但边际区域是大的和中央区域小。

3.2。细胞内流体压力分布在每一层

流体压力的分布在表面,中间,和深层在循环压缩负载下0.02赫兹的频率数据所示8,9,10,分别。

细胞内液体压力分布在表面极化层导致较小的值在上半部分和逐渐增加的软骨细胞的一部分,尽管还不清楚(图的变化8)。相对而言,压力分布变化非常大的中间层。过程中应力加载的年代,15 - 17日的压应力集中在边缘细胞在15秒,应力集中在17世纪过渡到细胞内部液体压力分布的过渡时期16 s(图9)。细胞的异常分布流体压力可能会导致基因表达和代谢异常。

在深层软骨软骨细胞在同一腔隙内的压力是不同的(图10)。一般来说,最大的压力变化是观察到的软骨细胞,最大的绝对压力最低软骨细胞。在加载的初始阶段,细胞内压力小于外围的压力,但这种压力增加随着加载时间的增加,与此同时外围压力逐渐降低。液体的压力与加载时间周期性的改变,受一定程度的滞后。相反,压力分布的变化从内部到最低软骨细胞的外围,基本上对应于负载的频率。因此,软骨细胞在不同的位置在同一加载软骨腔隙表现出不同的反应。

4所示。讨论

因为它是不可能获得的结果软骨修复的临床使用的实验技术在很短的时间内,是非常重要的确定体内软骨细胞和周围环境的机械环境使用多尺度有限元数值模拟分析(16]。本文的软骨细胞的微机械环境缺陷修复区首次循环压缩载荷作用下进行了研究。仿真结果可以帮助探索组织工程化软骨的原因失败和指导临床康复。

使用多尺度方法,软骨细胞在正常关节软骨的生物力学特性研究和组织从内侧半月板切除术联合负荷(16- - - - - -18]。本文研究的重点是在压缩加载软骨细胞的反应(静态或循环)。此外,软骨细胞的形状和分布的差异软骨缺损在不同层被认为是使用建模。根据我们的模拟,软骨细胞的力学环境下与深度有关的循环加载和缺陷修复的属性明显改变的机械环境修复区,前研究中未考虑的因素。

软骨细胞的力学响应取决于应用的负载特征。根据我们的发现,循环荷载对软骨细胞的微机械环境的影响是不同的在不同的层缺损修复区。当前模拟可能被用作指导预测循环变化的影响软骨细胞的微机械环境作为位置函数。

软骨细胞的生物力学环境的研究结果没有被报道在以前使用组织工程修复的缺陷。因此,应变分布的轮廓比较与那些从软骨细胞的高通量多尺度三维模型,获得最多的差异为2.5% (18),以确保后续分析的结果的有效性。

在这篇文章中,仍存在一些不足,忽略细胞的精细结构,对软骨细胞作为一个连续体。事实上,细胞结构可以被看作是一种张力集成模型组成的内部液体核心和细胞器(14]。细胞的液相占95%,固相5%。的软骨细胞支架是由纤维状蛋白质纤维和微管结构,类似于雨伞框架支持伞面。我们的假设是,人工软骨完全保税与宿主软骨,而裂缝和不完整的附着力可能描述实际情况。选择的负载频率范围小于经验的体内。后来的研究也需要考虑不同的形状和深度的影响软骨细胞的生物力学环境的修复。

5。结论

本文压力和流体压力的变化在软骨细胞内不同区域的软骨修复面积进行了分析。每一层的力学环境的软骨细胞在宿主软骨是不可避免地受到影响。关节软骨的两阶段固体和液体结构提供了用粘弹性性质。由于软骨结构的累积效应,频率最低(0.01赫兹)引起的循环荷载增加显著的应力集中在表面层的软骨细胞,而软骨细胞减少的循环应力响应曲线的振幅与频率增加。没有显著的影响循环荷载在胞内流体压力的分布在表面层,但循环荷载的影响液体压力的分布在中层和深层是很有意义的。然而,软骨细胞的力学环境的变化在每一层都有可能导致软骨细胞损伤或导致异常的基因表达。

一般来说,人工软骨的弹性模量几乎没有影响频率相同的循环荷载作用下的力学环境。临床、组织工程化软骨修复后使用合适的加载频率可以用来产生一个合理的机械环境软骨细胞,可以帮助病人采取合适的康复锻炼。

的利益冲突

作者指出任何潜在的利益冲突。

确认

提供了金融支持这项工作由中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委,nos。11402172和11402172)。

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