论文部分内容阅读
由创伤、肿瘤等疾病引起的大段骨缺损仍是现今骨科领域的挑战,也是骨科临床研究的热点、难点问题。以往大量的研究表明,力学刺激可以促进骨髓间充质干细胞(BMSCs)增殖和成骨分化,为骨缺损修复提供可能。但是,如何有效评价和预测骨缺损修复效果又是一个难题。因此,建立一种可以数值量化的数字化模型尤为重要。以往大多数骨重建模型都不是处在真正的生理环境中,没有进行基于实验和数值仿真的验证和反馈。本文以骨缺损修复为背景,以BMSCs移植结合低频振动刺激为条件,基于低频振动刺激BMSCs在体研究和离体研究,得到骨缺损修复在体力学模型动物实验的最佳振动频率,创建骨缺损治疗在体力学模型,探讨了生物学因素和力学因素对骨缺损愈合的综合影响,并为在真实生理环境中,建立宏观与微观相统一的骨重建生物力学模型探索一种新思路,为骨缺损临床治疗提供理论指导。具体研究内容如下:(1)低频振动刺激BMSCs修复兔骨缺损在体研究:选取实验用新西兰兔于右肱骨中上1/3处做一大小为3×4mm骨缺损,并将移植BMSCs同源等大的骨粒植入骨缺损区,建立骨缺损修复动物模型。分别予0Hz、12.5Hz、25Hz、50Hz、100Hz低频振动,通过各组兔骨标本大体观察及各项指标检测,结果发现:生物力学低频振动刺激可以引导BMSCs向成骨细胞方向发展,有效调控兔骨缺损恢复过程,低频振荡频率为25Hz、50Hz时,效果最为理想。(2)离体情况下不同低频振动频率刺激BMSCs体外成骨分化研究:选取实验用新西兰兔3只,取其BMSCs细胞,充分离心后采用原代细胞培养的方式对BMSCs细胞进行培养,选取第三代单层细胞作为研究对象。随机分组,分别予0Hz、12.5Hz、25Hz、50Hz、100Hz低频振动,4周后进行相关项目分析。结果发现:低频振动也可以有效促进体外BMSCs细胞向成骨细胞分化,当振荡频率为25Hz及50Hz时,效果最为理想,与在体研究结果一致。(3)基于低频振动条件下的骨缺损修复在体力学模型研究:通过前两部分的研究,得到骨缺损修复在体力学模型研究的最佳振动频率。在此基础上,建立骨缺损动物模型,将经体外培养、扩增后的BMSCs植入骨缺损区,施加最佳频率25Hz的全身振动,刺激BMSCs成骨,探讨细胞移植与力学刺激相结合促进骨缺损愈合新途径;通过对动物骨缺损区骨密度测量及其骨骼生物力学参数测定,用反演算法确定骨生长方程中关键参数B和K,初步确立低频振动刺激BMSCs成骨分化治疗骨缺损生物模型;再次进行动物实验,用动物模型反馈和修正生物模型;基于最终所建模型,考虑了不同时期、死区效应和感受细胞等因素,用有限元和结构优化方法,模拟和预测不同振动方式下骨缺损的愈合趋势。