缺损型关节软骨多孔弹性力学行为的研究

摘要

膝关节软骨是由固体相和液体相组成的两相多孔材料，不仅增加关节间润滑，避免骨与骨接触磨损，还通过自身变形起着缓冲承压作用，在人体运动中有重要作用。然而外部载荷、内部病变等原因造成关节软骨的退变缺损，成为早期关节炎的主要病变特征。软骨缺损深度、位置、形状大小等有所不同，退化软骨力学性质也会发生改变。这些变化对软骨内部液体压力流速分布产生进一步影响，而液体行为直接影响着软骨细胞新陈代谢、胶原纤维结构与蛋白基质含量的变化等，软骨退化机制与此相关。病变软骨在上述因素影响下相关力学行为的规律尚不清楚，本文以此为出发点，建立正常与缺损软骨简化解析模型和有限元模型；并进一步构建人体真实软骨形状有限元模型探究缺损退变规律；对猪关节软骨进行应力松弛实验，探索软骨相关参数变化规律。 本文的主要工作及其结论如下： （一）使用多孔弹性理论分别建立圆柱体健康与中空缺损解析解与有限元简化模型，使用Matlab软件对解析结果进行编程计算，将计算所得结果与有限元模型计算结果作图对比，结果基本吻合。计算结果表明： （1）非围限边界条件下，正常软骨孔隙压力从圆柱体轴心向外边界逐渐减小，流速从圆柱体轴心向外边界增大。 （2）缺损软骨模型孔隙压力从圆柱缺损内边界向外边界先增大后减小，流速从圆柱缺损内边界向外边界先减小后增大。 （3）围限边界条件下，正常软骨模型孔隙压力从柱体轴心向外边界先减小后反向增大，流速从柱体轴心向外边界逐渐增大。 （4）缺损软骨模型孔隙压力从内边界向外边界逐渐增大，流速逐渐减小为零。 （二）在根据文献建立理想化软骨模型，对股骨软骨缺损和退化进行研究的基础上，使用MRI图像建立人体股骨关节软骨有限元实体模型进行计算分析。使用控制变量法对有限元模型建立不同几何缺损和物理退化模型并计算研究。对比正常软骨与缺损软骨在脉动载荷下孔隙压力与流速的变化。结果表明： （1）在不同缺损几何情况下，随着缺损半径的增大，缺损周围孔隙压力和流速均逐渐减小； （2）随着缺损深度的增大，缺损周围孔隙压力逐渐减小，在缺损没有全透的情况下流速增大当缺损深度达到全透时流速突然减小； （3）随着缺损位置从外侧向内侧移动，缺损周围孔隙压力和流速的变化量逐渐减小； （4）设置软骨退化物理参数发生改变的关节软骨模型，随着关节软骨弹性模量的减小，软骨孔隙压力集中部位压力和流速逐渐减小； （5）随着渗透率的增大，孔隙压力基本不受影响，流速逐渐增大。 （三）在缺损软骨力学环境研究背景下，为下一步软骨多孔黏弹性替代材料的制备进行了猪软骨力学性能实验。对猪股骨髁关节部位的软骨进行分层粘弹性力学性能试验，根据粘弹性理论三参量固体模型，进行软骨试件分层应力松弛实验并对粘弹性力学参数实验结果的规律进行分析。对关节软骨试件进行面积变化缺损设置下的应力松弛试验，研究缺损几何下的软骨粘弹性参数的规律。结果表明： （1）在相同应变下，随着深度的增加，弹簧刚度E1、E2和粘度?逐渐增大。 （2）对于同一层软骨，随着应变的增加，弹簧刚度E1变化不大，弹簧刚度E2逐渐增大，松弛时间和粘度?均逐渐增大。 （3）在相同应变下，随着缺损面积的增加，Kelvin模型弹簧刚度E1逐渐减小和它串联的弹簧刚度E2逐渐增大，粘度基本不变，松弛时间逐渐减小。

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