血管张应力体外加载装置的研制

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.38.025

摘要/Abstract

摘要：

背景：国内外已经研制出多种体外细胞张应力加载装置，主要拉伸方法有矩形基底拉伸法、圆形基底变形法和4点弯曲梁加载法3种，其中圆形基底变形法虽能够很好的反映体内如肺泡的扩张、血管的脉动等真实情况，但该种加载过程中膜的应变是辐射对称的；4点弯曲梁加载法能够提供的应变范围很小，加载时间有限，应变调节比较困难。
目的：采用矩形基底拉伸法研制血管张应力体外加载装置。
方法：采用机电一体化设计研制血管张应力体外加载装置，由电源模块、控制模块、传动模块和数据采集模块4个部分组成，以硅胶片为基底材料，通过对电机旋转角度和转动速度的高精度控制，实现对硅胶膜片上的拉伸控制。
结果与结论：通过测试和试验，该装置可以满足试验所需的参数范围，能够在体外模拟出人体张应力环境，初步认为该张应力加载装置的研制是成功的，实现了：①装置有两种工作模式：应力模式和应变模式，解决了基底加载装置的硅胶片材还没有实现标准化的问题。②能实现张应力在0-5×105 Pa范围内的调节。③能实现张应变在0-40%范围内的调节。④能实现0-80次/min的拉伸频率的变化，并能控制拉伸时间。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 材料相容性, 心血管疾病, 张应力, 张应变, 加载装置, 弹性基底

Abstract:

BACKGROUND: After years of development, various in vitro loading devices for vascular tension stress have been created both at home and abroad, mainly including rectangular base stretching method, circular base deformation method and four-point bending beam load method. Although the circular base deformation method can well reflect the real situations in vivo such as the expansion of the alveoli and vascular pulsation, the strain on the membrane is actinomorphic. The four-point bending beam load method can just bring limited strain range and load time, along with a difficult strain regulation.
OBJECTIVE: To develop an in vitro loading device for vascular tension stress using the rectangular base stretching method.
METHODS: This in vitro loading device for vascular tension stress developed according to mechatronics design consisted of power supply module, control module, drive module and data acquisition module. The device could
achieve the tensile control on silicon diaphragm by high-precision control of the motor rotation angle and rotational speed.
RESULTS AND CONCLUSION: Through tests and experiments, the device could meet the required range of parameters and simulate in vitro human tensile stress environment, which is preliminarily considered to develop successfully, achieving that: (1) two work patterns: stress mode and strain mode so as to solve the standardization of silicone substrate as loading device; (2) tensile stress can be adjusted in a range of 0-5×105 Pa; (3) tensile strain can be adjusted in 0-40% range; (4) stretching frequency can be in the regulation of 0-80 times/min and the stretching time can be controlled.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Cardiovascular diseases, Silica Gel

中图分类号:

R318

雷亚楠，丁皓，兰海莲，杨乾, 刘志琳. 血管张应力体外加载装置的研制[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(38): 6205-6210.

Lei Ya-nan, Ding Hao, Lan Hai-lian, Yang Qian, Liu Zhi-lin. The development of an in vitro loading device for vascular tensile stress[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(38): 6205-6210.

图/表（结果） 2

参考文献

[1] 《2010年全球非传染性疾病现状报告》,2011年,日内瓦,世界卫生组织.
[2] Mathers CD,Loncar D.Projections of global mortality and burden of disease from 2002 to 2030.PLoS Med.2006;3(11):e442.
[3] Ingber DE. Cellular mechanotransduction: putting all the pieces together again. FASEB J.2006;20:811-27.
[4] Goncharova EA,Ammit AJ,Irani C,et al.PI3K is required for proliferation and migration of human pulmonary vascular smooth muscle cells.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2002;283: L354-L363.
[5] Wu F,Matsuoka Y,Mattson MP,et al.The clathrin assembly protein AP 180 regulates the generation of amyloidbeta peptide.Biochem Biophys Res Commun.2009;385(2): 247-250.
[6] Moore MM,Goldman J,Patel AR,et al.Role of tensile stress and strain in the induction of cell death in experimental vein grafts.J Biomech.2001;34(3):289-297.
[7] Reneman RS,Arts T,Hoeks AP.Wall shear stress-an important determinant of endothelial cell function and structure in thearterial system in vivo.discrepancies with theory.J Vas Res.2006;43:251-269.
[8] Cunningham KS,Gotlieb AI.The role of shear stress in the pathogenesis of atherosclerosis.Lab Inves.2005;85:9-23.
[9] Duan C,Bauchat JR,Hsieh T.Phosphatidy Iinositol 3-kinase is required for insulin-1ike growth factor-1-induced vascular smooth muscle cell proliferation and migration.Circ Res.2000;86:15-23.
[10] 何辉.细胞力学试验方法研究:压力加载及改进的膜式张应变加载[D].四川大学,2004.
[11] Imsirovic J,Derricks K,Buczek-Thomas JA,et al.A novel device to stretch multiple tissue samples with variable patterns. Biomatter.2013;3(3):e24650-1-e24650-7.
[12] 仲维广,胥春,米红林,等.细胞应变装置中硅橡胶膜的应力分析[J].医用生物力学,2007,22(2):121-126.
[13] 马信龙,李爽,付鑫,等.硅橡胶膜细胞载体的应力分析及生物相容性[J].医用生物力学,2011,26(5):426-431.
[14] Yung Y,Vandenburgh H,Mooney DJ.Cellular strain assessment tool (CSAT): Precision-controlled cyclic uniaxial tensile loading.J Biomech.2009;42:178-182.
[15] 黎润光,邵景范,鲜麟波,等.体外细胞机械牵张力学装置的研制及力学分布的有限元分析[J].中国矫形外科杂志,2006,14(21): 1647-1650.
[16] 胥春,范震,郝轶,等.一种新型机械应变细胞加载装置的研制[J].医用生物力学,2011,26(6):534-539.
[17] Jenna L.Balestrini,Jeremy K. Skorinko,Adriana Hera, et al.Applying controlled non-uniform deformation for in vitro studies of cell mechanobiology.Biomech Model Mechanobiol. 2010;9:329-344.
[18] 柳兆荣,腾忠照,覃开荣.脉动流条件下血管壁的应力分布[J].力学季刊,2002,34(5):696-704.
[19] 陈泳.脉动流条件下血管壁的应力分布[D].复旦大学,2002.
[20] Qin KR,Xu Z,Wu H,et al.Synergy of wall shear stress and circumferential stress in straight arteries.J Hydrodynamics SerB.2005;17(6):752-757.
[21] 朱立新,许小亮,耿小平,等.血管的周向应力计算及其应用[J],医用生物力学,2004,19(3):160-165.
[22] Holzapfel GA,Sommer G,Regiting P.Anisotropic mechanical properties of tissue components in human atherosclerotic plaques.J Biomech Eng.2004;126:657-665.
[23] 朱大年,吴博威,樊小力.生理学[M].7版.北京:人民卫生出版社, 2008.
[24] 陈效.单轴拉伸装置中硅胶膜的应力分析及静态拉伸对ECV-304细胞形态的影响[D].重庆大学,2008.

引言

根据世界卫生组织WHO的报道，心血管疾病致死率最高，每年死于心血管疾病的人数多于任何其他死因。据统计，2008年死于心血管疾病的人数为1 730万，占全球死亡总数的30%^[1]。心血管疾病(主要是心脏病和中风)的死亡人数，到2030年将增加至2 330万人^[1-2]。心血管疾病将被继续认为是全球的单个首要死因^[2]。心血管疾病已严重威胁到正常机体的生命活动，因此，研究心血管疾病的发病机制、预防措施、诊断鉴别、治疗手段等至关重要。

在体细胞通常处于复杂的张应力环境，在心血管系统中由于心脏有节律的收缩和舒张引起动脉管壁周期性运动，血管平滑肌细胞、内皮细胞等受到脉动式交变张应力作用。已有研究表明，血管壁细胞能识别人体细胞所受的应力，并且这些力学信号将传至细胞内部，从而刺激细胞的生长、代谢、表型分化、基因表达、自分泌、旁分泌等生理过程的改变^[3-6]，细胞内部的这些改变与高血压、动脉粥样硬化及血管移植后再狭窄等的血管重建现象密切相关^[7-9]。因此，为了解心血管疾病(动脉粥样硬化、血栓等)的成因和临床上的预防及治疗，需深入了解内压作用下血管壁中的应力分布情况。而对于管壁应力的研究，研制体外细胞拉伸加载试验装置，已成为力学生物学研究的关键问题。目前，国内外对于正应力、切应力的研究较多，对于张应力的研究相对较少，因此有必要建立张应力体外加载装置，研究张应力环境下细胞的力学行为。

体外张应力加载装置的研制，主要采用的是基底应变加载技术^[10]。基底应变加载技术的原理是以弹性膜为基底材料，利用模板、液体或气体对基底膜施加可控的位移或压力作用，引起培养膜发生弹性变形，使膜上的细胞受到相应的张应变作用。经过多年的发展，国内外已经研制出多种体外细胞张应力加载装置，主要有矩形基底拉伸法、4 点弯曲梁加载法和圆形基底变形法3种。矩形基底拉伸法属于单轴拉伸法，模仿生理条件下基质的形变，通过不同方法牵拉培养基膜，使黏附在基膜上的细胞被动拉伸。由于该方法简便，控制形变程度精确，在平面培养体系中可以最大限度地接近体内力学环境，目前被认为是一种最佳应变加载方式^[11-14](图1A)。4 点弯曲梁加载法能够提供的应变范围很小，加载时间有限，应变调节比较困难^[15](图1B)。圆形基底变形法属于等双轴拉伸，虽能够很好地反映体内如肺泡的扩张、血管的脉动等真实情况，但该种加载过程中膜的应变是辐射对称的^[16-17](图2)。本次实验装置要实现的是构造体外应力环境更接近人体血管的生理状况，实现较为均匀的应变，因此选用矩形基底拉伸法。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计技术应用。

1.2 时间及地点于2014年6至12月在上海理工大学完成。

1.3 材料实验中硅胶片采用的是美国杜邦产品，厚度为0.5 mm，裁取尺寸为70 mm、宽50 mm的硅胶片20片，即50 mm×70 mm×0.5 mm，硅胶片两端各标记10 mm，除去两端夹头后，有效尺寸为50 mm×50 mm×0.5 mm。需要指出，得出的数据只是针对所采购的同批次硅胶片。用INSTRON 3365万能材料试验机对同批次的硅胶片做多组重复拉伸实验，标距长度设定为50 mm，测得的最大负荷为35 N，最大应力为1.38 MPa，弹性模量为2.43 MPa，泊松比为1.49，可以在试验所要实现的参数范围内发生拉伸或松弛，可作为实验用硅胶片。

1.4 实验方法

装置主要参数和指标：张应力范围为0-5×10⁵ Pa。复旦大学柳兆荣^[18]提出：在脉动流条件下的一个心动周期内，考虑血液-血管耦合运动时，由兔胸主动脉实验数据拟合所得动脉管材料内壁处张应力的最大值可达326.85 kPa，而最小值仅为92.08 kPa。复旦大学陈泳^[19]在血管壁运动方程的3种模型下，得出血管内、外壁处张应力随时间的变化情况：血管壁内的张应力大于管壁外张应力，内壁处最大张应力接近300 kPa，外壁处约为160 kPa。Qin等^[20]对人体颈总动脉的某直段部分进行了动脉壁切应力和张应力协同作用研究，得到：人体颈总动脉内壁处的最大张应力约为0.75×10⁵ Pa。朱立新等^[21]采用数学和力学分析方法推导出生物体内弹性管道的周向应力计算公式，代入人体全身血管相关参数进行了相应计算，得出人体全身血管壁周向应力分布曲线，人体小动脉的周向应力最大，约为 250 mm Hg(0.33×10⁵ Pa)。

综合上述研究者对于动物和人体血管的研究结果，人体血管的张应力小于动物体的血管张应力。在本实验的装置设计过程中，为保证较大的装置可调范围，装置所取的张应力范围大于动脉管内壁的最大、最小值范围，以及动物体血管的张应力范围，取为0-5×10⁵Pa。

弹性基底(硅胶膜)应变范围为0-40%。Holzapfel等^[22]选用人体不同血管段进行了单轴向血管周向拉伸实验，得出在载荷作用下，血管的周向伸长20%-40%，为保证较大的装置可调范围，弹性基底(硅胶膜)应变所取的范围为0-40%。

弹性基底培养腔动态加载频率为0-80次/min。根据临床人体参数^[23]，正常成年人心率平均约75次/min，本装置心率可调范围取0-80次/min。

设计方案与结构：

装置设计方案：血管张应力体外加载装置是基于基底形变加载技术而设计的，以硅胶片作为基底材料，在硅胶片上施加应力作用，应力通过弹性膜传递给细胞，从而可研究应力作用下内皮细胞的生长状态。

该装置的特点如下：①装置的体外应力环境接近人体血管的生物力学状况：装置的设计要实现装置能够在实验所设定的参数范围内运行。②既可以实现弹性基底的静态载荷又可实现动态载荷：静态载荷即施加在硅胶片上的张应力、张应变不随时间变化，动态载荷即施加在硅胶片上的张应力、张应变随时间周期性变化。③装置有应力模式和应变模式两种工作模式可选：为解决弹性基底和人体真实血管材料的差异性，即本构关系不同，以及弹性基底材料仍未实现标准化问题。④可单独研究张应力对细胞的影响(单因素作用)：在体动脉同时承受着正应力、切应力和张应力的作用，此装置重点研究张应力对细胞的影响作用。

装置结构设计：血管张应力体外加载装置采用机电一体化设计，主要由4个模块组成，即电源模块、控制模块、传动模块和数据采集模块组成。装置结构框图见图3所示：

电源模块：开关电源将220 V交流电转换为24 V直流电，为电路中采集卡、可编程逻辑控制器、传感器等提供电量。220 V交流电直接为伺服驱动器提供电量。

控制模块：由交流伺服驱动器、可编程逻辑控制器、光电编码器、接近开关和拉压力传感器组成。通过对电机旋转角度和转动速度的高精度控制，实现对硅胶膜片拉伸量和张应变控制。

数据采集模块：即数据的采集与处理部分，由采集卡

和计算机组成。实验过程中，通过拉压力传感器采集到硅胶片上张应力的变化并转化为电信号，采集卡采集到这些模拟信号并将其数字化后导入计算机并显示。

传动模块：由伺服电机、滚珠丝杆、拉力块、滑块、固定架、硅胶片和拉力传感器组成。传动模块的工作原理为：硅胶片一端固定，另一端连至直线滑块，伺服电机与滚珠丝杆连接，电机转动带动丝杆和滑块在平行直线导轨上左右平动，从而对硅胶片起到拉伸作用。传动模块3-D图见图4所示。

系统工作状态的确定：需要指出本实验中的加载装置所用的弹性基底为硅胶片材，其特性与人体真实血管材料仍然存在差异，硅胶片材只是作为血管的近似模拟。由于现在细胞基底加载装置的硅胶片材还没有实现标准化，不同硅胶片的弹性模量、泊松比、长宽比等均不同，这些都是影响加载过程中应变分布的重要参数^[24]。针对这个问题，装置采用两种工作模式：应变模式和应力模式，每种模式下设有静态拉伸和动态拉伸。因此，装置的4种工作状态为：应变模式静态拉伸、应变模式动态拉伸、应力模式静态拉伸、应力模式动态拉伸。系统工作流程图见图5所示。

讨论

已有研究表明，人体及动物体内细胞的增殖、分化、迁移、凋亡等生物学过程受到包括力学因素在内多种环境因素的影响，力学因素直接决定细胞的生物学表达，进而影响细胞的形态、结构、生长及功能。细胞力学的发展使得人们对于疾病的研究逐渐转移到细胞层面上。细胞力学实验研究关键在于设计使细胞变形的加载方法，人体细胞主要承受3大应力作用：正应力、切应力和张应力，其中张应力是决定细胞形变和功能的重要因素，因此，研制对体外细胞施加张应力的实验装置成为解决力学生物学研究的关键问题。

有研究通过检测在体轴向伸长比条件下血管段的压力-容积数据，血管壁中的张应力沿壁厚的分布是趋于均匀的。因此，本次实验设计对于拉伸方法的选择上，旨在建立一种能实现近似于生理条件下的均匀张应力和张应变方法。生理条件下基质发生形变进而使得细胞发生形变，矩形基底拉伸方法的基本原理就是基于细胞与基质之间的黏附关系，通过一定方式使硅胶膜产生形变，使黏附在硅胶膜上的细胞产生被动拉伸^[11-14]。本次实验装置的设计是对于矩形基底拉伸法进行研究和改良。

弹性力学里圣维南原理指出，作用在小面积上的单个集中力可以变换成多个集中力，变换后弹性体试样周边的拉伸应力分布越趋均匀。因此，夹持点越多则试样周边的拉伸应力分布越均匀，但实际的拉伸试验只能对理想条件的近似模拟。本次实验装置的设计采用了5个夹持点，为扩大硅胶片的均匀域(中间区域)，可对单轴加载过程中的硅胶片夹持方式进行改进，例如可在硅胶片自由端施加更多的夹持点。

本次实验装置的设计采用机电一体化方式，由电源模块、控制模块、传动模块和数据采集模块4个部分组成。伺服电机具有电机旋转角度和转动速度精度高的特点，伺服电机与滚珠丝杆连接，电机转动时带动丝杆和滑块在平行直线导轨上左右平动，对硅胶片起到拉伸作用。

本次实验装置的创新点在于设计出了两种工作模式：应变模式和应力模式。由于弹性基底为硅胶片材料，硅胶片材只是作为血管的近似模拟，其特性与人体真实血管材料仍然存在差异，并且由于现在细胞基底加载装置的硅胶片材还没有实现标准化，不同硅胶片的弹性模量、泊松比等均不同^[24]，这些都是影响加载过程中应变分布的重要参数，因此可以根据实验需要选择应变模式或应力模式。

本次实验设计的频率范围为0-80次/min。实验测试过程中设置高频率100次/min以上时，装置的稳定性有所降低，经过研究测试与导轨的平衡度和电机的功率有关。因此后期设计时应注意解决，提高装置在高频率下的稳定性和精确度；同时，该装置能满足人体生理范围及超生理范围的张应力、张应变值及工作频率的调节，已初步可以作为今后细胞实验的实验平台。

通过测试和实验该装置可以满足实验所需的参数范围，能够在体外模拟出人体张应力环境，初步认为该张应力加载装置的研制是成功的。能实现：①装置有两种工作模式：应力模式和应变模式，解决了基底加载装置的硅胶片材还没有实现标准化的问题。②能实现张应力在0-5×10⁵Pa范围内的调节。③能实现张应变在0-40%范围内的调节。④能实现0-80次/min拉伸频率的变化，并能控制拉伸时间。

该装置能模拟生理水平下及超生理水平下的张应力、张应变值，并能实现张应力值、张应变值在大小、频率和加载时间方面的调节，能满足后续细胞拉伸实验的参数要求。实验设计出计算机实时采集系统，对实验过程中张应力、张应变值进行采集和处理，设备成本较低，易于操作，可以为下一步研究张应力对于细胞的形态、增殖及内部蛋白表达等方面影响的细胞实验提供平台。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程