在生物学和工程学的界面上,Laoise McNamara教授使用多学科的方法来获得对骨机械生物学的理解,以及这如何有助于发展,生理与骨病
生物

在设计和验证阶段,医疗设备在获得监管批准和作为疾病和损伤的治疗被植入患者中之前,要经过严格和广泛的测试以建立设备的生物相容性和机械稳定性。

然而,人体具有高度适应性,细胞和组织可以改变它们的组成,响应生物物理刺激的结构和功能——特别是,当这些医疗器械被植入人体时,它们所施加的压力。

的确,众所周知,当我们运动时,肌肉会变得越来越强壮,但是,对于许多其他的细胞和组织的身体,了解较少,比如皮肤,船舶,骨头,软骨和心脏组织,它们也会对机械力的变化做出反应。

例如,当宇航员从漫长的太空飞行返回时,他们的骨骼和那些患有骨质疏松的老年人一样虚弱。这是因为在太空中产生失重,这促使细胞认为骨头不再需要了,然后它们开始吃掉它。

医疗设备的成功也取决于这样的反应。例如,当支架打开动脉粥样硬化斑块时,心血管支架在动脉壁上施加机械力。然而,支架在血管壁上产生的机械应力实际上刺激了细胞的生物反应,它激活细胞开始制造新组织(试图减少其环境中的压力),但这最终导致重新阻塞,被称为再狭窄。

髋关节和膝关节置换还激活骨细胞中的不希望的反应,由于金属植入物承受大部分外加应力并且使周围的骨头卸载,它激活细胞移除骨骼,导致植入物松动(临床上称为应力屏蔽过程)和对翻修手术的要求。

尽管这种反应对于医疗设备的长期性能是至关重要的,它们仍然缺乏理解,因此控制此类反应的能力尚未得到充分利用。我们在机械生物学与医疗器械研究小组(MMDRG)NUI Galway寻求理解这些响应,以便最终能够在医疗设备的设计过程中考虑它们。

NUI Galway的机械生物学


机械生物学是一个新兴的领域,将工程力学和细胞生物学相结合,分子生物学和遗传学,研究生物细胞如何感知和响应其局部机械环境的变化。

我的研究小组正试图了解生物细胞是如何确切地知道什么力作用于它们的,以及当我们改变我们的活动时,它们如何能够改变组织的设计。我们使用工程学和生物学的结合来做到这一点:例如,我们研究骨骼的设计,将心脏瓣膜和细胞视为工程结构并应用物理学,数学和计算机模型用来比较不同活动期间细胞层面上的力。

这与土木工程师通过使用计算模型来比较两座桥梁的设计概念以测试它们金宝博娱乐城在不同应力下如何工作的方法类似。然而,在机械生物学领域中,一个特别的挑战在于理解细胞水平上的机械环境。

人体的细胞和组织是高度弹性和变形的材料,与体液相互作用,这种行为代表了一个具有挑战性的多物理学问题。虽然计算模型已经广泛用于在设计阶段预测医疗器械性能和用于管制目的,这些模型在很大程度上忽略了这种复杂的多物理环境。

计算机模拟的最新进展现在提供了能够模拟可变形结构和相邻流体流动之间的相互作用的工具。这些现在可以应用于模拟器官的复杂行为,身体的组织和细胞,并预测医疗设备的体内性能。

流体-结构相互作用方法可以模拟流体,细胞和组织,在生理流体流动和机械力作用下,细胞膜发生较大变形。使用这些方法,人工心脏瓣膜的计算模型可以用来模拟瓣膜瓣叶变形与血流之间的相互作用。

这些模型可以提供对瓣膜设计如何调节血流的洞察力,还可以预测细胞对瓣膜施加的力的反应是否导致“瓣膜钙化”,人工心脏瓣膜的常见并发症。我们的研究还致力于开发两个多尺度建模平台,该平台结合了多个尺度(器官)的生物组织的层次结构,组织和细胞水平)。

这些模型需要精确地表示自然解剖和复制体内物理环境,因此利用高分辨率医学成像(CT,MRI和高级显微镜数据。通过生物细胞和组织的实验测试,可以将材料特性校准为细胞和组织特性。

加快产品开发和监管审批


增加医疗器械设计的机械生物学过程

我们的计算模型工具应用于与医疗设备公司的合作项目,使他们进一步了解在特定医疗装置或外科手术中发生的机械环境的潜在变化。

因此,我们的目标是通过提供计算测试平台来加速医疗器械的产品开发和监管批准,以预测医疗器械所施加的负载下细胞水平的机械刺激。但是这些技术刚刚兴起,还没有广泛地用于模拟人体器官和组织的复杂行为,以预测医疗设备的长期性能。

尽管大量的研究致力于理解正常生理和疾病期间的细胞和组织特性,它仍然是绝大多数细胞的物理行为,人体的组织和器官尚未被鉴定。这些特性对于指导能够在复杂的体内物理环境中充分执行的医疗设备的设计是至关重要的。

我们的研究旨在通过开发适合于细胞和组织的机械测试方法来消除这种知识上的差距,但也利用生物学来识别人体内的微小力传感器,类似于应变计和流量计,它们是由蛋白质组成的。机械拉伸时,这些蛋白质在细胞内启动一系列内部过程,当机械环境不利时,产生生物化学物质188betsport作为信号激活其他细胞。

我们还设计实验来驱动细胞上的流体,以这种方式施加力量,研究生物学上的变化。的确,我们所做的最令人兴奋的事情之一就是设计生物反应器,这些装置可以再现细胞在体内经历的力量,例如来自心脏和骨骼的泵送的压力和流体流动,由于日常活动,比如散步。我们使用这些实验方法和生物反应器来揭示医疗器械植入后发生的生物学变化。

医疗设备的临床前测试包括广泛的台架测试,以验证安全性,特别是机械故障和生物排斥的可能性。但是这些台架测试并不能完全再现人体内的环境,因为它们不能解释装置与天然组织/器官的物理相互作用(例如:机械的,热的,188betsport(化学)或与装置的生物相互作用。

我们正在进行的研究试图开发实验室模型(离体),可以重建细胞和组织对生物物理刺激的反应,这将最终提供对医疗设备施加压力的生物反应的理解。我们的目标是促进医疗器械的知情实验和分析,特别告知装置设计,减少动物实验的负担。

我们的研究是由欧洲研究理事会资助的,为蓝天研究提供资金,而且还通过科学基金会(IFI)和欧洲区域发展基金通过SFI调查程序,爱尔兰研究理事会和Medtronic的工业资助,斯特莱克和波士顿科学和C RAM,SFI资助的国家医疗设备研究中心。

老挝麦克纳马拉作者:
Laoise McNamara教授是工程与信息学院生物医学工程的私人教授,爱尔兰国立大学,Galway。她于2009年在NUI Galway成立了机械生物学和医疗器械研究小组(MMDRG),并于2011年被授予ERC启动独立研究人员奖,以进行机械生物学的前沿研究。

MMDRG使用多学科的方法来理解机械生物学以及这个过程如何促进发展,疾病和医疗设备的结果。他们开发利用机械生物学反应的体外组织再生策略。

麦克纳马拉教授被授予爱尔兰科学基金(SFI)研究者资助,以确定基于机械生物学的治疗骨质疏松症的治疗方法。她还被授予其他各种健康研究委员会,SFI和爱尔兰研究理事会的资助。她的研究小组获得了许多演讲奖和旅行奖(美国机械工程学会,美国骨骼和矿物研究学会,骨科研究学会,欧洲生物力学学会,MIMICS创新奖爱尔兰工程师,爱尔兰的生物工程,富布赖特,NUI和SFI旅游奖学金)。

麦克纳马拉教授与斯特莱克合作,波士顿科学与机电一体化,将她在计算和实验机械生物学方面的专长应用于外科手术和微创医疗器械的临床前评估。

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在设计和验证阶段,医疗器械在获得法规批准和作为疾病和损伤的治疗植入患者中之前,要经过严格和广泛的测试,以确定该器械的生物相容性和机械稳定性。人体具有高度适应性,细胞和组织……