软骨缺损修复的有限元模拟及滚压装置的设计

摘要

关节炎或运动损伤通常引起关节软骨的退化和缺损，导致患者行动不便甚至关节致残。骨头断了可以再生愈合，软骨损伤了却不能自己修复。研究者尝试各种办法修复损伤或再生软骨，目前组织工程成为一种理想的生物学修复方法，正走向临床。理论和实验研究表明软骨对力学刺激非常敏感，适当的力学刺激能够促进软骨的生长发育，维护软骨的结构和功能。但组织工程修复关节软骨缺损时的力学状态无法通过实验或现有的测量手段获得，这给最终修复结果带来了更大的不确定性。此外，现有生物反应器培养出的人工软骨力学功能不足，限制了临床软骨缺损修复的进展。
　　 本文依据膝关节软骨生理结构和受力形式，借助有限元仿真技术和计算机三维设计工具，综合生物学理论、组织器官体外培养的工程学理论、材料力学、理论力学、机械原理和机械设计，对组织工程修复软骨缺损后缺损处软骨应力分布的影响因素进行了较全面的研究，并首次提出用于构建功能化软骨的滚动-滑动速度可调的滚压加载生物反应器，工作的主要内容及结果包括：
　　 1.从膝关节软骨受力的最小单元出发，建立软骨缺损修复的滚压加载有限元模型，利用有限元软件ABAQUS对缺损处人工软骨和宿主软骨的应力分布进行仿真分析，探索人工软骨弹性模量、压缩量、载荷速度和缺损大小四个因素对缺损处应力分布的影响规律。结果表明，植入人工软骨弹性模量对缺损处应力分布影响明显，通常载荷下，其自身最大应力变化达到2.47倍，宿主软骨最大应力变化达到4.31倍；以人工软骨弹性模量0.6MPa为例，不同载荷下(压缩量5％-30％)人工软骨和宿主软骨应力相差3.26倍。本模拟中使用的载荷速度和缺损大小对软骨应力值的影响较不明显，但仍对软骨受力分布产生一定影响。
　　 2.针对现有生物反应器培养人工软骨的不足，设计了用于体外功能化软骨构建的滚压加载生物反应器。该装置动力源由电机输送给变速箱，变速箱的两根输出轴分别连接丝杠机构，两套丝杠机构分别带动滚动加载机构和滑动加载机构，实现了滚动-滑动同时加载的过程，其滚动载荷与滑动载荷速度比例可调，当然也可实现单纯滚动或滑动加载的过程。该反应器对培养物的加载方式接近膝关节软骨生理受力形式，为今后软骨构建提供了新的力学条件，将对功能化关节软骨的构建进行新的探索。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 软骨组织工程

1.3 力学环境对关节软骨的影响

1.4 国内外研究现状

1.4.1 理论研究

1.4.2 实验研究

1.4.3 计算机仿真研究

1.5 创新之处

1.6 本论文的研究内容

第二章 软骨缺损修复的生物基础及力学基础

2.1 生物基础

2.1.1 软骨生理结构

2.1.2 软骨生理性能

2.1.3 软骨损伤类型

2.1.4 软骨损伤治疗方法

2.2 力学基础

2.2.1 软骨的力学性质

2.2.2 力学因素对软骨细胞的生理影响

2.2.3 力学因素在软骨组织工程中的作用

2.2.4 软骨生物力学的仿真

第三章 关节软骨缺损修复的有限元分析

3.1 研究背景

3.2 有限元模型的建立

3.2.1 膝关节受载的滚压过程

3.2.2 有限元模型

3.2.3 材料参数

3.3 边界条件与求解

3.3.1 约束与接触

3.3.2 具体求解过程

3.4 有限元计算结果及结果分析

3.4.1 计算结果

3.4.2 单因素结果分析

3.4.3 综合因素结果分析

3.5 本章小结

第四章 滚压加载的生物反应器设计

4.1 引言

4.2 生物反应器进展

4.3 滚压加载生物反应器设计

4.3.1 理论基础

4.3.2 滚动加载机构

4.3.3 滑动加载机构

4.3.4 滚动-滑动加载实施过程

4.4 本章小结

第五章 展望

致谢

参考文献

发表论文和科研情况说明