压缩载荷下软骨缺损修复后力学状态的研究

摘要

关节软骨组织内无神经、血管、淋巴管，其修复能力有限，使之成为临床疾病的好发部位。目前，软骨组织工程作为修复人体软骨缺损的理想方法已经成为骨科研究的热点，虽然它能在一定程度上消除关节的临床病症，但由于植入的软骨组织与周围的宿主软骨不能很好的整合，会引起移植物退化、变性以及宿主软骨退变等现象，这与力学状态有关，所以研究植入软骨的形状和性能、载荷的特性对软骨修复区域力学状态的影响有重要的意义。
　　本文以人体的受压状态为研究对象，借助有限元仿真软件对不同影响因素下软骨修复区域的力学状态进行了对比分析。主要内容及结果如下：
　　运用ABAQUS有限元软件建立压缩条件下关节软骨的二维有限元模型，模型中考虑到软骨的两相结构、黏弹性特征、胶原纤维不同层区的作用和渗透率的变化等，其中包含完整软骨、不同缺损截面形状（矩形、梯形、圆弧形）和修复深度（浅表层、中间层、深层、全层）软骨模型。
　　对于不同缺损截面形状的软骨模型，宿主软骨处进行分层处理，每一层看成是横观各向同性的，而人工软骨看成是各向同性材料。并运用软件中的子程序调用和property模块，借助fortran语言程序实现渗透压和孔隙比的定义。在此基础上，研究缺损截面形状、修复深度、人工软骨弹性模量、泊松比、压缩量、压缩速率对软骨修复区的Mises应力、纵向应变、孔隙压力、液体流速和孔隙率的影响。运用该软骨有限元模型模拟其他学者软骨的力学实验，模拟显示与实验获得的软骨力学性能分布规律相符，即随着软骨深度的增加应变减小，这增强了模型的可靠性。
　　模拟结果显示，缺损截面形状和修复深度都会影响软骨的力学性能。矩形修复截面形状软骨的承载能力更高，营养传质更充分；当缺损在深层区以上时，修复深度越深越不利于软骨修复，而当缺损深度达到深层区时，全层修复深度反而更有利于软骨的修复。压缩量和压缩速率的增加都会使修复区域的应力应变增加，使软骨修复结合面处出现应力集中，甚至有开裂的危险。人工软骨弹性模量的增加则可提高软骨的承载能力，同时可减小修复区域的变形和流体速度，有利于软骨中营养物质的传送。人工软骨泊松比对软骨的力学性能影响不大，但是泊松比的增加却会明显增加修复区的应力和应变，对修复不利。
　　本文主要从仿真方面研究了软骨不同缺损形状和深度、压缩载荷的特性和人工软骨的材料属性对软骨修复的影响，研究比较全面，可为软骨缺损修复的临床治疗和术后康复训练提供一定的理论参考。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的研究内容

1.4 本论文的创新点

第二章 关节软骨概述

2.1 关节软骨的生理结构

2.2 关节软骨的力学性能

2.3 关节软骨损伤

2.4 关节软骨的修复

2.5 本章小结

第三章 关节软骨有限元模型的建立与验证

3.1 软骨力学模型

3.2 有限元模型的建立

3.3 有限元模型的验证

3.4 本章小结

第四章 关节软骨缺损修复模型的有限元分析

4.1 不同修复截面形状对修复区的力学影响

4.2 不同修复深度对修复区的力学影响

4.3 人工软骨不同弹性模量对修复区的力学影响

4.4 人工软骨不同泊松比对修复区的力学影响

4.5 不同压缩量对修复区的力学影响

4.6 不同压缩速率对修复区的力学影响

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 前景展望

参考文献

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致谢