概述
生物材料和干细胞输送是治疗心肌梗死颇具前景的方法，然而其治疗效益背后的力学和生化机制仍需进一步阐明。本研究基于一只左心室梗死且心肌内注射了生物材料的大鼠心脏离体显微计算机断层扫描数据，创建心肌壁中层梗死区域的微观结构有限元模型，在模型的注射物内数值模拟地植入 9 个细胞。结合该模型与同一大鼠心脏的双心室模型，量化采用不同生物材料弹性模量（Einj）时一个心动周期内的细胞变形。
构建模型
通过对雄性大鼠的左前降支冠状动脉进行永久性结扎诱导心肌梗死，七天后将 100 μL 含铬酸铅的不透射线硅橡胶注射到梗死区域。随后取出心脏并进行离体 CT 扫描，将图像数据导入 Simpleware 软件重建双心室几何结构，呈现左、右心室的基本形态以及左心室游离壁中弥散注射物的微观结构细节。在 Simpleware FE 模块进行体积网格划分，心肌和注射物区域分别包含 147240 和 58902 个四面体单元。将网格模型导入 Abaqus 软件，通过识别生物材料注射物周围的节点确定梗死区域近似范围。采用基于规则的方法实现心外膜 -50° 至心内膜 80° 的肌纤维取向。
在 Simpleware 软件中通过减小心脏 CT 图像数据的间距进行重采样（由 30 μm 更改为 7.8 μm），重建左心室壁中层梗死区域 748 × 748 × 722 μm 体积的高分辨率微观结构。使用自定义 Python 脚本在注射区域内随机放置 15 个细胞模型，其中 6 个因位于心肌组织、模型边界或界面附近而被排除在分析之外。创建细胞膜、细胞质和细胞核的直径分别为 60 μm、55 μm、20 μm，通过布尔运算得到 5 μm 厚的细胞膜和 35 μm 厚的细胞质。
结果与分析
当注射物的弹性模量 Einj = 7.4 kPa 时，微观结构模型横截面及移植细胞收缩末期的变形和最大主应变如图所示。在弹性模量最低（E = 1.7 kPa）的细胞膜中观察到最高的最大主应变，而细胞质（E = 8.0 kPa）和细胞核（E = 5.0 kPa）的应变与细胞周围生物材料的应变相近。
注射物的变形
在舒张末期，随着注射物弹性模量 Einj 从 4.1 kPa 增至 405900 kPa，注射物的中位最大主应变由 6.5% 降至 0.9%，中位最小主应变由 −7.3% 降至 −0.9%。在收缩末期，随着注射物弹性模量的增大，中位最大主应变由 43.8% 降至 1.4%，中位最小主应变由 −38.0% 降至 −1.5%。收缩末期与舒张末期的最大主应变之比从 6.7（Einj 为 4.1 kPa 的最软注射物）降至 1.6（Einj 为 405900 kPa 的最硬注射物），最小主应变之比也呈现类似的下降趋势。
移植细胞的变形
在收缩末期和舒张末期，随着注射物弹性模量的增大，细胞组分的体积平均最大主应变降低。当注射物弹性模量在较低范围（7.4 kPa 至 738 kPa）时，应变的降低幅度大于弹性模量较高（大于 738 kPa）时。细胞膜的应变高于细胞质和细胞核，后两者的应变相近。在最小主应变中也观察到类似结果，负值表明存在压缩。
当注射物弹性模量 Einj 从 7.4 kPa 增至 405900 kPa 时，细胞组分的中值体积平均最大和最小主应变的收缩末期-舒张末期（ES-ED）范围减小。主应变的 ES-ED 范围反映了移植细胞在一个心动周期中所经历的变形范围。
总结
本研究证实了生物材料注射物刚度对心肌内移植生物材料细胞力学特性的影响。注射物刚度的变化可用于调控移植细胞的变形，较软的注射物有望产生最有益的效果。细胞微观结构模型采用了单一的网格配置，而细胞膜较薄，其网格变化具有挑战性。未来的研究可采用不同的网格划分策略或进行网格敏感性测试，例如考虑用壳单元代替四面体单元模拟细胞膜。
参考
- Motchon Y D, Sack K L, Sirry M S, et al. In silico mechanics of stem cells intramyocardially transplanted with a biomaterial injectate for treatment of myocardial infarction[J]. Cardiovascular Engineering and Technology, 2024: 1-12.