[发明专利]面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统

说明书

技术领域

本发明属于生物关节骨软骨组织的力学性能体外评价技术领域，涉及生物组织所处的动物体内部力学、物理和生物化学等综合培养环境的体外仿生,以及对生物组织性能的体外动态监测与分析，具体涉及一种基于多物理场和生物培养环境模拟的面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统。

背景技术

1、生物关节组织体外测试/体外生物培养的意义

关节软骨对于人体膝、髋等承重关节在日常生活中的各种运动十分重要。骨性和风湿性关节炎等疾病伴随软骨组织的病变影响着全球15%人群的健康和生活。组织工程采用工程化软骨对自然关节骨软骨（组织、细胞等）进行修补和再生，已成为解决软骨缺失和退化的有效方法。因此已经成为从长期角度解决软骨缺失和退化的方法。但是，在复杂环境下自然软骨的力学和摩擦学性能变化规律是工程软骨设计的技术瓶颈。因此，针对复杂环境下自然关节组织的生物和力学性能评价方法，设计并开发了可模拟不同物理场作用和生物培养的自然关节评价系统和方法，为工程化软骨设计参数的获取和服役性能评价提供重要依据。

2、研究现状

作为典型的摩擦副，生物关节组织的摩擦学性能是最基本的力学性能，其摩擦运动模式的性能评价已成为全球关节组织研究的热点。但由于缺乏生物培养功能，现有的摩擦学性能评价系统已不适用于活性组织的长期评价，而且大多系统只能通过改变个别物理参数来模拟关节软骨服役工况，难以获得近似自然环境下的服役数据。

目前针对关节软骨修复和再生的临床前测试是以动物实验为主，动物模型能提供正常生理行为的载荷环境，但对任何材料和设计的适应性受限，而且监控、调节和控制特定因素非常困难，使测试结果难以排出其他变量的干扰。

综上所述，采用生物体外构建的方法，综合考虑生物培养因素和外部物理场作用因素，不仅有利于生物摩擦学等的深入研究，还揭示单个或多个因素等对软骨构建的影响。迄今为止，文献中关于不同物理作用对生物组织培养的影响机制研究成果如下：

(1)、剪切力的影响机制

关节软骨受到压力、摩擦力、剪切力等的复合作用，，对关节软骨生长及软骨细胞的增殖分化影响较为复杂，因此，只能在体外研究单个因素对软骨组织形态和性能的影响。其中，剪切力对软骨细胞的形态、生物学性能和软骨功能有着重要影响。关节软骨所受的剪切力有两种形式：一是液体流动引起的剪切力，叫做流体剪切力；二是软骨组织表面直接受到的剪切力，叫做组织剪切力。

流体剪切力对软骨细胞的形态、生物学性能和增值影响较大，例如：流体剪切应力0.16-0.6Pa能提高蛋白多糖的合成，但也增加了前列腺素E2（PGE2能诱导成骨细胞释放出刺激破骨细胞骨吸收的因子）的释放和细胞凋亡率，还下调了II型胶原和聚集蛋白聚糖的mRNA表达[Smith and Donlon et al.,1995;Smith and Carter et al.,2004]；将3.5Pa的流体剪切力作用于单层培养的牛原代关节软骨细胞，96h后发现流体剪切力可明显上调软骨细胞的增殖[Malaviya and Nerem,2002]；将1.6Pa的流体剪切力作用于人和牛的关节软骨细胞，发现48h后细胞形态变长，纵轴沿着力的作用方向平行排列；GAG不仅数量翻倍，而且新合成的链长也有所增加，但同时PGE2释放也增加10～20倍，基质蛋白酶的组织抑制物同时升高[Smith and Donlon et al.,1995]。

组织剪切力对软骨成分的合成率和软骨功能也有很大影响，例如：动态组织剪切应力（1-3%应变，0.01-1Hz）能促使胶原和蛋白多糖的合成率分别提高50%和25%[Jin et al.,2001]；正弦曲线循环剪切应力（±5-±15%应变，100Hz）在3h（相当于108×104个循环）的剪切疲劳过程中使软骨的损耗模量和储存模量先快速减小后缓慢减小至一常数[Simon et al.,1989]。这些研究表明软骨细胞的形态、生物学性能和软骨功能能直接承受剪切力的作用，但只有正确的作用方向和大小才能起到促进效果。

1.Smith RL,Donlon BS,Gupta MK,MohtaiM,Das P,Carter DR,Cooke J,Gibbons G,Hutchinson N,Schurman DJ.Effects of fluid-induced shear on articular chondrocyte morphology and metabolism in vitro.JOrthop Res1995;13:824-831.