一种用于测量生理载荷作用下关节软骨力学性能的模型

摘要

一种用于测量生理载荷作用下关节软骨力学性能的模型，包括滑动压缩模型和滚动压缩模型，该模型将软骨分为不同层区进行滑动压缩和滚动压缩仿真，考虑了软骨的各向异性特征及实际的生理载荷条件。同时结合有限元软件ABAQUS中的弹簧单元模拟胶原纤维的拉伸性能，考虑了组成成分的作用；该模型用于测量生理载荷下关节软骨的力学性能，包括滑动压缩测量和滚动压缩测量。本发明的优点是：该有限元仿真方法的运用更加接近关节软骨真实受力环境，更加接近软骨组成成分的功能，因此能准确模拟生理载荷下软骨的微观力学性能。

说明书

技术领域

 本发明主要涉及生物医学工程领域，特别是一种用于测量生理载荷作用下关节软骨力学性能的模型。

背景技术

关节软骨是人体膝关节活动的重要组成部分，起着缓冲震荡、传递载荷等不可替代的作用。目前由于实验条件的限制，对生理载荷作用下软骨的微观结构和组分变化及真实受力状态的测试很难实现，因此许多学者采用有限元仿真的方法来探究软骨的力学性能。Mow 等人最早在混合物理论的两相多孔介质理论基础上建立了关节软骨的两相多孔模型。该模型由两种内在不可压缩、不可混容的固体基质和液体组成，其中固体基质视为线弹性固体，液体视为理想流体。该模型在一定程度上比较准确的描述了软骨的力学性能。Wilson等人建立了纤维增强、多孔粘弹性关节软骨力学模型，包括各向异性粘弹性胶原蛋白结构和依据蛋白多糖密度变化的膨胀性能，并对软骨进行了应力松弛分析。翟文杰等人考虑关节软骨基质的固相和孔隙液相及胶原纤维增强相，对软骨进行了应力松弛模拟分析。这些研究者基本上是将软骨看作杨氏模量相同的均匀质体，进行一些单纯的压缩模拟或者压痕仿真，没有考虑软骨的各向异性特征及实际的生理载荷条件。正如我们所知，关节软骨精细的结构按照胶原纤维分布排列方式可以分为三层：浅表层、中间层和深层，关节软骨的非线性和各向异性特性不仅体现在它的结构和组成，而且体现于它的生物力学性质中。在人类的日常生活活动中，软骨所承受的主要生理载荷是滚压和滑动载荷，即滚压和滑动载荷是关节软骨生长、发育和维持正常生理功能合适的生理载荷。因此，研究此载荷下软骨不同层区的力学行为是非常重要的，基于此，我们提出一种将滚压（包括滑动）载荷作用于功能化关节软骨构建的有限元方法，并对该载荷下软骨的微观力学性能进行了模拟仿真。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种用于功能化关节软骨的滚压和滑动载荷模型及其测量方法，该测量方法建立的软骨模型更加接近关节软骨真实受力环境，进而能准确模拟和测量生理载荷下软骨的微观力学性能。

本发明的技术方案：

一种用于测量生理载荷作用下关节软骨力学性能的模型，包括滑动压缩模型和滚动压缩模型，其中滑动压缩模型包括滑动压头、软骨模型、分层结构，滑动压头为半圆形，可对软骨施加一定的压缩量并在软骨表面连续滑动，软骨模型由不同层分层结构组成；滚动压缩模型包括滚动压头、软骨模型、分层结构，滚动压头为圆形，可对软骨施加一定的压缩量并在软骨表面连续滚动，软骨模型由不同层分层结构组成；软骨为二维的软骨模型，通过使用ABAQUS中的Shell建立并分割为3-9层，同时根据浅表层、中间层及深层各占15%、55%、30%的比例自上而下定义三组不同层区，每层赋予不同的材料属性，每层的杨氏模量和泊松比取不同的值，其中泊松比为0-0.499，杨氏模量自浅表层到深层递增；采用八节点孔压单元模拟固体基质，节点之间连接有弹簧单元用于模拟胶原纤维的拉伸性能；滑动压头采用ABAQUS中Part下的二维线（Wire）选项建立，类型为解析刚体（Analytical rigid）；滚动压缩模型的建立与滑动压缩模型相同，不同之处是滚动压头采用ABAQUS中Part下的二维壳（Shell）选项建立，类型为可变形（Deformable），定义其刚度为210GPa或定义为一种圆形离散刚体线（discrete rigid wire）。

一种所述用于测量生理载荷作用下关节软骨力学性能的模型的应用，用于测量生理载荷下关节软骨的力学性能，包括滑动压缩测量和滚动压缩测量，方法如下： 

1）滑动压缩测量

在ABAQUS软件中建立滑动压头和软骨模型，设定滑动压头的下移距离即压缩软骨的量为0-30%的任意值，设定其向右滑动的速度为0-35cm/s的任意值；定义软骨中各层的杨氏模量、泊松比，定义软骨的边界条件，软骨模型左侧界面和右侧界面的液体可自由渗透，底部垂直方向的位移为零；运用子程序定义软骨渗透率，划分网格，径向网格划分比例为0.5:0.25:0.25，也可根据实际需要自定义；单元为八节点孔压单元；在CAE界面上的节点之间建立弹簧单元，所用弹簧单元类型为SpringA，在INP文件中找到Spring, elset=SpringA-spring字段，将其修改为*Spring, nonlinear, elset=SpringA-spring，并在下一行输入力与位移的一一对应数值来确定其非线性，数值范围为（0.04712,0.0005）到（9.651,0.008），最后在ABAQUS/Command中提交分析；

2）滚动压缩测量

在ABAQUS软件中建立滚动压头和软骨模型，定义滚动压头为圆形实体面或圆形离散刚体线，设定其压缩软骨的量为0-30%的任意值，及向右滚动的速度为0-20cm/s的任意值，并根据公式                                               计算获得绕圆心的角速度；定义软骨中各层的杨氏模量、泊松比，定义软骨的边界条件，软骨模型左侧界面和右侧界面的液体可自由渗透，底部垂直方向的位移为零；运用子程序定义软骨渗透率，划分网格，单元为八节点孔压单元；在CAE界面上的节点之间建立弹簧单元，所用弹簧单元类型为SpringA，在INP文件中找到Spring, elset=SpringA-spring字段，将其修改为*Spring, nonlinear, elset=SpringA-spring，并在下一行输入力与位移的一一对应数值来确定其非线性，数值范围为（0.04712,0.0005）到（9.651,0.008），最后在ABAQUS/Command中提交分析。

本发明的优点是：该方法依据软骨的各向异性结构和液固两相特征，建立软骨模型，并模拟关节软骨在真实生理状态下所受的滑动压缩载荷和滚动压缩载荷，获得其生理载荷作用下的微观力学性能，采用该方法得到的仿真结果更加接近软骨的真实力学性能。

【附图说明】

图1为关节软骨滑动压缩模型示意图。

图2为关节软骨滚动压缩模型示意图。

图中：1a.滑动压头   1b.滚动压头   2.软骨模型   3.分层结构   

【具体实施方式】

实施例：

一种用于测量生理载荷作用下关节软骨力学性能的模型，包括滑动压缩模型和滚动压缩模型，其中滑动压缩模型，如图1所示，包括滑动压头1a、软骨模型2、分层结构3，滑动压头1a为半圆形，可施加一定的压缩量压缩软骨2，软骨模型2由不同层分层结构3组成；滚动压缩模型，如图2所示，包括滚动压头1b、软骨模型2、分层结构3，滚动压头1b为圆形，可施加一定的压缩量压缩软骨2，软骨模型2由不同层分层结构3组成；软骨模型为二维的软骨模型，通过使用ABAQUS中的shell建立并分割为3-9层，同时根据浅表层、中间层及深层各占15%、55%、30%的比例自上而下定义三组不同层区，每层赋予不同的材料属性，每层的杨氏模量和泊松比取不同的值，其中泊松比为0-0.499，杨氏模量自浅表层到深层递增；采用八节点孔压单元模拟固体基质，节点之间连接有弹簧单元用于模拟胶原纤维的拉伸性能；滑动压头采用ABAQUS中Part下的二维线（Wire）选项建立，类型为解析刚体（Analytical rigid）；滚动压缩模型的建立与滑动压缩模型相同，不同之处是滚动压头采用ABAQUS中Part下的二维壳（Shell）选项建立，类型为可变形（Deformable），定义其刚度为210GPa或定义为一种圆形离散刚体线（discrete rigid wire）。

所述关节软骨生理载荷模型用于测量生理载荷下关节软骨的力学性能，包括滑动压缩测量和滚动压缩测量，方法如下：

1）滑动压缩仿真：在ABAQUS软件中建立滑动压头和软骨模型。设定滑动压头的下移距离，即定义压缩软骨的量10%，并设定其向右滑动的速度2cm/s；建立7层模型，其中第一层为浅表层，第二层到第五层为中间层，第六到第七层为深层，杨氏模量自上而下分别取0.079MPa、0.17MPa、0.27 MPa、0.55 MPa、0.58 MPa、0.73 MPa、1.14 MPa。定义泊松比均为0.499；定义软骨的边界条件：模型左侧边界液体可自由渗透，底部垂直方向位移为零，右侧边界液体可自由渗透；运用子程序定义软骨渗透率；划分网格，单元为八节点孔压单元；在CAE界面上的节点之间建立弹簧单元，所用弹簧单元类型为SpringA，在INP文件中找到Spring, elset=SpringA-spring字段，将其修改为*Spring, nonlinear, elset=SpringA-spring，并在下一行输入力与位移的一一对应数值来确定其非线性，数值范围为（0.04712,0.0005）到（9.651,0.008）；最后在ABAQUS/Command中提交分析。

2）滚动压缩仿真：在ABAQUS软件中建立滚动压头和软骨模型，定义滚动压头为圆形实体面，半径为1.5cm，设定压缩软骨的量10%，设定其向右滚动的速度10cm/s，角速度为6.67rad/s；建立7层模型，其中第一层为浅表层，第二层到第五层为中间层，第六到第七层为深层，杨氏模量自上而下分别取0.079MPa、0.17MPa、0.27 MPa、0.55 MPa、0.58 MPa、0.73MPa、1.14 MPa。定义泊松比均为0.499；定义软骨的边界条件：模型左侧边界液体可自由渗透，底部垂直方向位移为零，右侧边界液体可自由渗透；运用子程序定义软骨渗透率；划分网格，单元为八节点孔压单元；在CAE界面上的节点之间建立弹簧单元，所用弹簧单元类型为SpringA，在INP文件中找到Spring, elset=SpringA-spring字段，将其修改为*Spring, nonlinear, elset=SpringA-spring，并在下一行输入力与位移的一一对应数值来确定其非线性，数值范围为（0.04712,0.0005）到（9.651,0.008），最后在ABAQUS/Command中提交分析。

实践表明：该仿真方法效果良好，能真实的反映软骨在滑动和滚压载荷作用下的力学性能。