仿膝关节运动滚压加载装置设计及关节软骨力学行为的数值分析

摘要

膝关节是人体各项运动的枢纽，关节软骨承受力复杂且强度大，是临床疾病好发部位，过度运动或不适当的力学环境会导致软骨细胞的结构和功能发生改变，从而可能导致软骨退化。而关节软骨生长、维持受载荷影响较大，所以研究关节软骨力学状态有重要意义。目前，主要通过建立软骨两相模型，数值模拟循环压缩载荷下固体基质的应变，在细胞水平上研究了机械刺激对关节炎的影响。但考虑软骨在实际运动中所受到变化载荷和运动角度方面的研究较少。因此，本研究一方面以生理软骨受力特点为依据设计用于软骨体外功能化构建的生物反应器。另一方面，考虑屈伸、内/外翻及内/外旋转等运动特性，建立人行走时膝关节可实现复合载荷的三维有限元模型，揭示膝关节软骨在压缩、滚动、滑动或旋转以及复合载荷下的力学状态。 本文将材料科学、生物力学、细胞生物学及组织工程结合起来，文献调研以归纳探索膝关节运动学、膝关节所受到的复合载荷及其实际运动阶段的呈现方式和力学环境对其所造成的影响。以正常生理条件下软骨受力特点为依据，设计用以在体外实现软骨功能化的滚压加载装置。该装置由摆动调节机构和压缩调节机构组成，底板左右摆动结合滚动载荷使其更接近软骨的实际运动状态，且复合载荷条件更符合组织生长和发育的物理环境。而且辊子滚压靠自身重力，不需要外界机械零部件施加动力，培养物与辊子处于封闭空间，可减少污染、避免培养期间培养液的蒸发。 另外，通过有限元软件Abaqus，建立考虑钙化层、软骨下骨作用的关节软骨模型，使模型更接近完整天然软骨的生理结构。膝关节运动为胫骨平台与股骨远端的相对运动，简化为一刚化球体作用在平面软骨的几何模型。考虑屈伸、内/外翻及内/外旋转等运动特性，建立人行走时膝关节受复合载荷的三维有限元模型。开展膝关节软骨在压缩、滚动、滑动或旋转及复合载荷下的数值分析。重点分析了软骨所受的力及其相关变化情况，主要结论如下：模拟步态过程中，关节软骨受载后应力迅速集中，而软骨下骨的弹性模量3200MPa高于钙化软骨（320MPa）和软骨层（0.5-0.9MPa），弹性模量越大，相对来说，变形量就会越小，软骨越不容易变形，可能更易起到一定的保护作用，结果也表明最大Mises应力分布在软骨下骨；随着压缩过程的进行，Mises应力、应变与孔隙压力随压缩量的增大而增大，且增幅呈非线性减小的趋势；分别对滑动、滚动、翻转、旋转及其任意两种或3种复合载荷和综合载荷共15种不同力学状态进行Mises应力、应变、孔隙比的初步统计学比较，可以将其大致分为滚动、滑动、滚滑组合3种力学状态，而翻转、旋转对软骨的影响几乎可以忽略不计，滚压载荷与总的复合载荷最为接近。

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第一章 绪论

1.1研究背景及研究目的与意义

1.2膝关节运动及其运动所受复合载荷

1.2.1 膝关节运动学及所受复合载荷

1.2.2目前国内外研究所存在的问题

1.3 关节软骨概述及其模型研究

1.3.1 关节软骨概述

1.3.2 关节软骨模型及力学刺激对其的影响研究

1.4 概述膝关节步态运动及关节软骨模型的研究现状

1.5 本文研究的主要内容、章节安排和创新点

1.5.1 主要内容

1.5.2 章节安排

1.5.3 创新点

第二章仿膝关节运动的滚压加载生物反应器的设计

2.1 生物反应器设计的理论基础

2.2 仿膝关节运动的滚压加载生物反应器的方案设计

2.3 仿膝关节运动的滚压加载生物反应器的结构设计

2.3.1压缩调节机构

2.3.2摆动调节机构

2.3.3其他相关配件

2.4 滚动加载对胶原纤维走向形成的重要作用与探索研究

2.5 本章小结

第三章 仿膝关节运动的有限元仿真

3.1 ABAQUS有限元分析软件简介

3.2膝关节结构及运动分析

3.3 有限元模型的验证

3.4本章小结

第四章 复合载荷下运动膝关节软骨的数值分析

4.1 建立膝关节软骨三维有限元模型

4.1.1 几何建模与网格

4.1.2 材料参数与加载方案

4.1.3 关节软骨力学行为分析

4.2 不同压缩量下运动膝关节软骨的有限元仿真结果

4.2.1 Mises应力与应变

4.2.2液体流动情况

4.3 不同载荷下运动膝关节软骨的数值模拟结果

4.4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢