镫骨、耳蜗及其Corti器的建模与生物力学研究

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在内耳Corti器的组织弹性参数测量方法研究中,应用原子力显微镜(AtomicForce Microscopy,AFM),采用液相接触式测量法,对新鲜未固定处理的基底膜进行测量,获取了6个不同部位的力曲线。按Hooke’s定律、参考Jan Domke算法,分析了在基底膜上相当于Hensen细胞、外毛细胞、柱细胞、内毛细胞、内指细胞、盖膜等不同部位的弹性参数分布特征。结果表明,基底膜径向排列的组织结构不同,杨氏模量存在明显差异。在整块基底膜标本上测量Corti器各结构的杨氏模量更能准确地反映它们在生理状态下的弹性特征。AFM测量方法可为Corti器有限元建模分析提供准确的材料弹性参数。采用Micro-CT成像技术对中耳和内耳进行高分辨率扫描,获得高精度的显微结构三维数据,构建了人镫骨、耳蜗及豚鼠耳蜗的三维模型。经过数据转换,导入有限元软件,能够满足镫骨及耳蜗三维形态学分析及其生物力学分析的需要。同时,以Corti器电镜图像为参照标准,在3Ds MAX软件支持下,结合多种高级建模方式,创建了Corti器的三维数字模型,精确再现了Corti器的复杂三维结构及各结构之间的空间位置关系,为进一步建立其力学模型打下基础。在数值模拟分析中,首先运用固体力学的有限元分析手段,对镫骨固有运动模式进行模态分析,并通过LDV振动实验验证了前6阶的模态频率。应用流体力学有限元分析手段,对二种简化的耳蜗模型的流场进行了分析与对比,结果表明,二种流场的速度分布及压力分布明显不同。对二维Corti器做必要合理的简化和假设后,初步进行了淋巴液所引起Corti器静态及动态响应的数值模拟。结果表明基底膜振动时Corti器弓状带与梳状带中部明显变形,可引起毛细胞上静纤毛偏斜,Corti器整体绕内柱细胞基部发生旋转。在盖膜与内毛细胞静纤毛的相互接触关系中,探讨了Corti器振动过程中盖膜与内毛细胞静纤毛的相互作用的力学行为。以豚鼠耳蜗底回Corti器的电镜图像为原型,建立盖膜与内毛细胞最长静纤毛接触和不接触的二种计算模型各一个,进行了静力学分析比较。模拟Corti器振动过程时,加载了相同的近似剪切流的梯度压力作用,结果表明,静纤毛表现出在不接触盖膜时偏移度较大;二种模型均显示在静纤毛顶连接(TipLink,TL)及小根(Rootlet)基部应力较高、整体模态频率近似。这提示静纤毛在不与盖膜直接接触时更容易受兴奋性刺激。本研究还从三维有限元模型数值模拟中,分析了不同外毛细胞静纤毛开角的差异。第一排开角最大、顺应性好并易偏斜;第三排开角最小、弯曲刚度最大,不易偏斜。这些研究进一步阐明了声波作用于内耳Corti器微观结构可能引起的生理效应。本研究探讨了几种不同的耳蜗、Corti器等结构建模方法及其弹性参数测量方法。从二维角度用有限元法分析了基底膜Corti器的振动特性及毛细胞与盖膜之间的作用关系。基底膜运动时,Corti器绕内柱基部旋转,盖膜与内毛细胞最长静纤毛不直接连接可能更符合生理状态。在三维模拟中,分析了不同耳蜗简化管形的流场及外毛细胞静纤毛受力状态。三排静纤毛不同开角表现出不同弯曲特性,这有可能是第一排静纤毛容易发生转位的原因。上述研究结果,有助于进一步认识生理状态下镫骨、Corti器的力学行为,为内耳感音机制的研究提供一个新的研究平台,对听觉器官的微观生物力学研究方法也是一项有意义的探索。
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