骨关节炎是一种关节退行性疾病，约有14%的成年人深受其苦。了解关节软骨的动力学特性对于相关研究以及寻找有效的治疗方法至关重要。 多年来，激光多普勒振动测量技术已在许多生物科学领域得到应用，例如听力研究或触觉研究中的皮肤反应研究。加布里埃拉·埃斯皮诺萨博士（现任职于欧康尼迪亚大学欧文分校）在加州大学欧文分校萨穆埃利工程学院求学期间，了解到振动测量技术后，便萌生了利用该测量技术对人类膝关节软骨进行动态表征的构想。
在杰出教授基里亚科斯·阿萨纳西欧（Kyriacos Athanasiou）博士的支持下，并联合Polytec 开展合作，埃斯皮诺萨博士成功开发了一种表征软骨力学性能的技术。在她最近发表的论文中，她展示了该技术与传统方法的一致性，并突出了使用振动测量法的优势。由于采用非接触式方法，振动测量法与传统技术不同，具有无损特性，因此有助于减少浪费并降低成本。
此外，埃斯皮诺萨博士开发的基于振动测量的方法显著缩短了测试时间，从而加快了后续研究工作的进度。埃斯皮诺萨博士计划利用该方法评估组织工程软骨与天然膝关节软骨的相似性。
在她的文章中，埃斯皮诺萨博士展示了如何仅通过分析圆盘状测试样品的第一阶和第二阶模态，从其测得的共振频率中提取动态模量 G*。通过相位/时间延迟测量，可以提取粘弹性特性（损耗模量 G” 和储能模量 G’）。因此，仅凭一种仪器，振动测量法便能极大程度地帮助满足针对软骨替代品力学表征的多项监管建议。
软骨是一种承受动态载荷的组织。步行等典型活动会在软骨中产生1至6 MPa之间的大应力，峰值甚至可达12 MPa。这些应力以0.01至2 Hz的频率周期性施加，通常每年会导致高达400万个载荷循环。 周期性机械疲劳、过度的应变和快速应变率等若干因素，通常与骨关节炎的发病有关，该疾病影响约14%的成年人。
鉴于软骨与日常活动息息相关，且在维持组织稳态方面发挥着重要作用，其动态力学性能已成为该领域持续研究的重要组成部分，也是那些致力于在动态环境中替代或再生软骨功能的研究者们关注的重点。
采用粘弹性测试条件（如应力松弛和蠕变压痕）进行的准静态力学测量，通常被用于评估软骨及其替代材料。动态力学测试则常用于获取动态模量，有时也用于测定粘弹性特性。然而，这些力学测试方法大多具有破坏性，这要么限制了某些研究的开展，要么需要大量可供测试的组织。
可以肯定的是，一种非接触式的动态力学测试方法必将引起软骨研究者的广泛关注。这些研究中展示的激光多普勒振动测量法的一大优势在于能够进行非接触式和无创测量。鉴于这一关键特性，振动测量法极有可能成为生物科学领域中一种有价值的测量方法。
本研究旨在探讨将振动测量法作为一种非接触式动态力学测试方法，并与准静态力学及生化检测方法进行对比，以表征关节软骨的特性。为此，采用传统方法和振动测量法对来自胫骨髁、髌骨、滑车沟和半月板的软骨组织块进行了表征，并对结果进行了比较。
Xtra 振动测量采用PSV-500-B型Xtra 扫描振动仪。将软骨组织切片置于压电致动器上进行动态激励。 利用PSV-500-B 扫描振动仪的功能发生器，通过针对各实验的相应信号（参考文献）驱动压电致动器。对组织进行动态激励会导致组织样本发生变形。组织顶表面的轴向位移由振动仪（vib）进行测量。
为了确定测量点，定义了一个覆盖组织样本和压电元件的网格（100–150个点）。需要注意的是，测量同时针对样本和压电元件进行。
在首次测量中，通过识别样本速度数据中在10至100,000 Hz频率扫描范围内的峰值，确定了第一和第二共振频率。在此分析中，压电元件的数据仅用于确认其共振频率不会与样本的共振频率产生干扰。
为了与刚体运动引起的峰值区分开来，观察了共振频率下的动态挠度形状，以验证弯曲模的存在。
该视频片段展示了组织样本的第一种和第二种模式的动画效果，这些动画源自PSV Software 。
每个试样的动态模量 G* 是根据美国材料与试验协会（ASTM International）关于通过振动法测定盘状试样动态力学性能的指南确定的。简而言之，针对每个共振频率，均计算出相应的动态模量。将这两个频率对应的动态模量取平均值，从而得出每个试样的单一 G* 值。
随后施加了500 Hz的正弦激励信号，以测定组织的粘弹性特性。正弦参考信号（黑色）驱动了略有相位偏移的压电元件响应（蓝色）。该相位偏移表现为黑色和蓝色虚线之间的差值。组织的周期性变形用红色表示，其相对于压电信号的相位偏移由δ给出。
利用PSV Software ，通过逆傅里叶变换将数据从频域转换到时域。在此分析中，需要同时使用压电元件和样品的数据
，以测量压电元件与组织对参考信号响应之间的相位差δ。已知相位差的正切值即为粘性贡献与弹性贡献之比，分别也称为损耗模量和储能模量。利用G*和δ，储能模量G’和损耗模量G’’按如下公式计算：
G' = G* cos δ
G'' = G* cos δ,
由于组织样本在振动测量过程中未受损，因此可进一步用于进行常规的破坏性力学测试，以将测试结果与振动测量结果进行对比。具体而言，进行了应力松弛、蠕变压痕和生化测定。
下表总结了通过无损振动测量法和软骨研究中常用的传统破坏性测试方法所获得的动态模量 G*、储能模量 G’ 和损耗模量 G’’ 之间的斯皮尔曼相关系数 ρ 的强度及显著性。
数字表示相关系数（ρ）的大小，颜色表示显著性水平。带有对角线的白色方框表示未达到统计学显著性。
本研究成功展示了如何采用非接触式振动测量法来测定软骨的动态力学性能。本文报道的动态性能与准静态性能及生化性能之间存在多种相关性，从而为了解软骨在循环载荷作用下的功能提供了重要见解。基于振动测量仪的测量结果精度足够高，能够检测到膝关节不同软骨组织之间在粘弹性性能上的差异。
该研究不仅在较短的测试时间内巩固了准静态、粘弹性和动态特性之间的关系，还为高通量无损检测提供了一种切实可行的方案，非常适合应用于软骨发育生物学、组织工程和转化医学领域。
更多详情请参阅该研究论文 https://lnkd.in/gh2ek6kB
