第一章 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
以脊髓损伤为代表的中枢神经损伤近年来的发病率呈上升趋势。由于其会导致损伤面以下的各种功能丧失及发生截瘫，所以至今已经成为造成患者身心伤害以及患者家庭乃至社会财产严重损失的重要健康隐患，所以针对神经组织损伤的治疗与康复研究是医学界的重要课题[1]。尤其是在军事训练等高强度高风险活动中，由脊柱损伤等伤害次生的神经组织损伤会对军队执行作战或非战争军事行动等社会生产工作产生负面影响[2]。神经组织损伤发生后及时准确的神经功能检查，对于正确判断损伤程度，制定治疗方案，比较各种计划的可行性，预测预后具有重要意义[3]。而在中枢神经损伤治疗康复过程中，神经干细胞的移植起着举足轻重的作用。因此，神经干细胞的体外培养十分重要。
冯元桢[4]早在 1966 年就曾指出：生物体的结构与功能决定了其力学特性，同时也在受到这些特性的反馈调节作用，力学特性在这一过程中不断改变。随着微观力学观测方法的发展，作为生物力学的研究重点，生物体中包括骨[5]，血管[6]，纤维结缔组织[7]在内的大部分组织在生物力学研究的发展过程中得到了长足研究，但是其他半固态组织，尤其是神经组织在生长发育过程中的所受到的力学影响，直到近年来才逐渐被了解。
力学环境作用对神经组织生长发育的影响是贯穿神经组织生长全过程的，其过程大致分为“分化、寻路、调控、塑形”四个阶段：最初阶段，受到外界力学环境影响，神经干细胞分化为组成神经组织的不同类型神经细胞；随后，神经细胞生长出神经轴突，轴突经由其末端的生长锥感知生长环境的力学特性，并产生牵引力，同时收集并整合环境的力学信号，寻找到准确的组织生长发育路径；轴突在生长过程中相互连接，在建立与各目标细胞组织的连接后，轴突网络通过张力来调控神经细胞其他部分的功能，促进其发育成熟；最后，神经组织中各细胞之间通过作用力维持组织的形态，并保持神经网络的稳定[8, 9]。因此，力学环境的作用在神经组织工程构建的全过程中均发挥重要作用[10]。
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1.2 神经细胞组织工程构建的研究现状
作为现代生物力学的前沿领域之一，若想了解细胞尺度上力学因素对细胞生长、分化等发育过程的影响，则需要研究出最有效的细胞加载方式。为了满足多样的实验需求，本领域的研究人员近年来不断对产品进行改进，研制出了多种不同的细胞加载装置[18]。传统的生物反应器主要有以下几种类型：压缩式生物反应器，搅拌式生物反应器，旋转壁式生物反应器，灌流式生物反应器，以及液压式生物反应器[19]。在基于细胞组织工程构建的生物学研究中，多种力学条件的组合刺激才能较为准确地反映天然组织所处的力学环境。所以，在组织工程中往往使用两种或者多种力学刺激的耦合来体现天然组织的生存环境。如今，生物反应器可以提供各种接触式刺激，如拉力、压力、剪切力、流体剪应力和静水压力等载荷，在一定程度上反应在体细胞组织的受力状态。生物反应器也可提供非接触式刺激，如电磁场、重力场、超声、摆动等，用于工程骨或软骨的构建[20]。
葡萄牙米尼奥大学 Correia C.等[21]设计了一台新型静水压力生物反应器。该生物反应器由高压模块和低压模块组成，通过 PLC 控制电磁阀开闭，实现脉冲加压。高压模块为不锈钢培养室，利用空气压力驱动活塞，为培养基提供静水压力；低压模块为密闭的注射器，利用空气压力驱动注射器活塞，为管内培养基提供静水压力。利用该生物反应器，研究团队将人体脂肪干细胞封装在结冷胶中，分别提供稳定的静水压力和脉冲压力。实验发现，脉动低压促进细胞外基质的分泌，连续低压抑制细胞外基质的分泌。在相同脉动情况下，低压比高压抑制细胞外基质的分泌。
中国国立成功大学 Tarng Y.等[22]开发了一个循环的血流灌注生物反应器，模拟运动的人体关节。培养液在两个贮液器间运动，培养室中的组织受到变化的剪切应力；空压机将含 CO2 的气体注入培养液，产生水动压力。该装置采用稳定的振荡层流和水动压力，同时产生振荡的剪切应力和具有方向的流体压力来模拟关节的运动。当同时提供剪切应力和流体压力时，生成的三维工程化软骨的细胞外基质分泌物、组织内部结构和运动特性均与人体自然生长的关节软骨接近。
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第二章 应变加载装置的结构设计
2.1 应变加载装置的设计要求
设计应变加载装置的初衷，在于模拟体内环境，使细胞组织的生长符合在人体环境内生长的结果。而想要充分模拟人体内的环境，加载装置就需要能够实现以下功能：
（1）使受到拉伸的细胞组织应变均匀、不产生应力集中；
（2）充分模拟生物体的生长速度与生理活动，还原细胞组织生长的力学环境；
（3）能够一次性培养较多细胞个体，以增加单次实验的成功率；
（4）装置操作便捷，结构精简，实用性好，便于相同或不同课题组进行重复实验。 神经细胞组织对力学刺激比较敏感，外力的大小、方向变化都会对细胞组织的生长产生显著影响。因此装置应当设置有拉伸速度的调节装置，以便于使用装置探究不同力学环境对神经细胞组织产生的不同影响[31]。
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2.2 应变加载装置的工作原理
本应变加载装置主要由动力系统、传动系统、应变加载系统、细胞培养系统、工作台五部分组成，整个装置的总体结构如图 2.1 所示，其工作原理为：细胞种植在支架材料中，放置在硅橡胶制成的培养管内，培养管两端分别固定在泳道内与牵引板上，在装置的另一端，在由控制器控制的步进电机带动下，传动器带动牵引板运动，进而拉动培养管和支架材料，实现对细胞组织的应变加载过程。整个培养过程中，除了应变加载，温度控制与酸碱度控制装置也需要正常运行，且各辅助功能之间不冲突。
图 2.1 应变加载装置的结构示意图
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第三章 神经组织培养物的静力学分析 ................................15
3.1 引言 ..........................15
3.2 培养管的基本参数 ................................15
3.3 培养管有限元分析的理论基础 ..........................15
第四章 应变加载装置的传热机理 ........................31
4.1 引言 .......................31
4.2 应变加载装置内部热量的产生和传递路线 ....................... 31
4.3 装置的热传导仿真 ................................33
第五章 应变加载装置的计算流体力学模拟 ................................41
5.1 引言 .....................................41
5.2 计算方法与软件简介 ..........................41
第五章 应变加载装置的计算流体力学模拟
5.1 引言
为了给细胞提供代谢所需的氧气并且维持培养环境的酸碱度稳定，培养细胞所使用的生物反应器都会对培养基与外界环境进行物质交换，用以保证培养环境的正常。本应变加载装置通过气泵向反应器内部通入含有氧气及二氧化碳的气体，来实现物质交换的目的。为了研究这一气体是否能够达到实现氧气与二氧化碳同细胞生长环境进行物质交换的设计目的，本章通过计算流体力学模拟，来研究流通气体对加载装置及其内部培养细胞的影响。计算流体力学（Computational Fluid Dynamic，简称 CFD）是一种新兴的交叉学科，主要内容是以数值分析为原理，通过计算机来计算流体力学方程，达到分析流体中流场流动情况的目的[51]。该学科所衍生出的计算方法准确率高，现在已成为解决与分析流场问题的重要手段。
CFD 常用于模拟流场的流动情况，在参数满足条件的前提下，能够对固、液、气三态的流体进行分析。作为一种有限元分析方法，CFD 的计算方法与其他有限元分析方法相同，从步骤上分为前处理、参数求解、后处理三部分[51]。其中，前处理的内容为建立流场的三维或二维模型、划分模型的网格等；参数求解的内容为计算方法控制方程、选择离散方法与数值计算方法、设置模型的边界参数等等，其中参数是根据有限元分析所想得到的结论而变化的；后处理的内容有流速场、气体路径、压力场、温度场以及流场流动过程中的动态可视化处理等[52]。
（b）应变加载系统与细胞培养系统的局部放大图
第六章 总结与展望
6.1 总结
本文首先介绍了神经组织工程构建研究的必要性，并分析了该领域的国内外研究现状，以及存在的不足。接下来，本文根据现有研究的不足之处，设计了一种基于神经组织工程构建的应变加载装置，以及与装置本体配套的培养物，即培养管与支架材料。为研究装置的实用性，本文对装置培养物进行了静力学分析，并且对装置本体进行了热力学及计算流体力学模拟。得出了以下成果：
（1）本文利用三维建模软件绘制了细胞组织应变加载装置的三维图，直观反映了装置的结构。该装置能对体外培养的神经细胞的轴突施加定量的应变，并且可同时对多组细胞进行加载，应变范围宽。该装置结构简单，操作方便，具备一定功能拓展性，因此也可以对神经细胞之外的其他类型细胞施加力学加载进行培养。本装置的步进电机配合驱动器的细分功能，能使装置的应变加载模块达到2μm 的最小进给量。
（2）分析了装置配套的培养物在加载过程中的力学情况。通过有限元分析软件 ANSYS 建立了有限元模型，对培养管及支架材料从 0 到 50%应变范围的拉伸过程进行了静力学分析，并对比了支架材料在加载全过程中各个阶段的应变差异。结果显示：支架材料整体应变分布呈现一个中间区域均匀、周围偏大、两端偏小的特点，中间的应变均匀区域占比岁拉伸过程而增加，该区域的应变最大差值保持在±8%以下。而后又对培养管结构进行了优化，对优化前后中间区域占支架材料横截面积的比例进行了分析，发现在 50%应变范围内，优化后的培养物中间均匀面积区域占比保持在 74.8%以上。
（3）利用加载装置加热块的工作原理分析装置整体结构中热量从产生、传递，到散失的全过程，并以此关系绘制出热量的传递线路图。同时使用 ANSYS仿真软件中的传热模块对装置在运行过程中的热量分布情况进行计算，得到了装置在加热板正常工作时的整体热量分布图。研究了装置内各部分之间的热传导问题，绘制出了装置内部温度的分布曲线。同时分析了细胞培养物以及泳道环境的温度场，发现细胞组织培养环境温度维持在 36.18±0.38℃之内，满足神经组织工程构建的温度环境要求。
参考文献（略）