基于纤维含量的关节软骨有限元建模及损伤修复分析

摘要

关节软骨是一层非常薄的光滑半透明状结缔组织，是人类进化过程中不断优化而成的必要产物，主要作用是承担关节面间产生的生理载荷及摩擦润滑作用，由于软骨内部无血管、淋巴管，一旦发生损伤时便很难自我愈合，从而诱发骨关节炎，在现代社会中，由关节软骨损伤所导致的骨关节炎发病几率越来越高，给个人及家庭带来了很大的负担。研究软骨的力学性能和结构相互之间的关系，对骨关节炎的预防以及组织工程修复后的软骨力学状态有着指导性的重要意义。而运用有限元方法可以很好的分析软骨的力学状态。
　　本文首先结合关节软骨的复杂生理结构，由于软骨内位于软骨表面附近的胶原纤维基本都平行相切于软骨表面，所以本文在考虑软骨内固相、液相、纤维增强相的基础上，进一步考虑软骨表面附近的主要纤维和次要纤维含量的影响，建立软骨的切线层区，从而对纤维增强多孔弹性模型进行了一定的改进优化，基于改进的模型，运用ABAQUS软件以及Fortran语言完成模型的建立，其次用所建立的模型来模拟比对其他学者所进行的实验，完成模型的实验对比，进而验证了模型的有效性。
　　最后，将所建立的软骨有限元模型进行了应用。一、在滑动的条件下对不同程度的修复深度进行有限元分析，来探讨在滑动时不同修复深度的力学性能差异，从而选出最适合软骨的修复深度。二、对局部压缩和整体压缩下的全层损伤修复软骨进行有限元分析，通过对植入体软骨选取不同的弹性模量，来分析优选出植入体软骨合适的弹性模量范围，并对比相同压缩深度两种载荷下的力学性能差异，从而较全面的给出修复软骨受压后的力学状态，为临床病理学提供一定的理论基础。

目录

声明

摘要

1．1课题研究的背景

1．2课题研究的目的及意义

1．3关节软骨力学模型的国内外研究现状

1．4课题主要研究内容

第2章软骨生理结构及模型基础理论

2．1关节软骨的组成结构

2．2关节软骨的力学特性

2．3软骨的损伤机制及治疗修复策略

2．3．1关节软骨的损伤机制

2．3．2关节软骨损伤修复策略

2．4软骨建模理论基础

2．4．1多孔介质理论

2．4．2混合物理论

2．5本章小结

第3章基于纤维含量的关节软骨有限元模型的建立及验证

3．1软骨两相纤维增强弹簧模型

3．2关节软骨有限元模型的构建

3．2．1关节软骨几何模型的建立

3．2．2关节软骨的网格划分

3．3基于纤维增强弹簧模型的改进

3．3．1非纤维部分基质的材料属性选取

3．3．2模型在渗透率方面的改进

3．3．3模型在胶原纤维部分的改进

3．4基于纤维含量的有限元模型模拟验证及结果分析

3．5本章小结

第4章不同修复深度的软骨模型在滑动条件下的有限元分析

4．1滑动条件下不同修复深度的软骨有限元模型的建立

4．2不同修复深度软骨在滑动时的接触应力

4．3不同修复深度软骨在滑动时的米塞斯应力

4．4不同修复深度软骨在滑动时的体积分数

4．5不同修复深度软骨在滑动时的流速分布

4．6本章小结

第5章全层修复软骨在多种压缩载荷下的有限元分析

5．1全层修复软骨压缩有限元模型的建立

5．2不同弹性模量下的米塞斯应力对比分析

5．3不同弹性模量下液相所占体积分数分析

5．4不同弹性模量下沿软骨径向应变分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢