（机械设计及理论专业论文）损伤软骨力学性质的数值模拟和实验研究.pdf

摘要 在整个关节中关节软骨所起的作用是极其重要，是使关节有减震性能和较小的摩擦 力等独特性能突出的决定性因素之一。然而，因为关节软骨在生物中所处的特殊位置以 及关节软骨的功能作用，其发生损伤很常见。而且关节软骨的再生能力有限，如果软骨 一旦发生损伤，其再生将是十分困难的。因此，深入认识软骨损伤的发生机理，判断软 骨损伤的演变机制，可以为软骨修复提供行之有效的参考。本课题主要从数值模拟和实 验研究两个方面研究软骨的力学性能，仿真部分主要应用大型分析软件a n s y s l 0 0 建 立软骨模型，利用单元的生死技术选项杀死部分单元，模拟软骨的缺失损伤，分析损伤 软骨在受到1 0 压缩量的下的受力及应变情况。实验部分对猪股骨头软骨在缺失损伤的 情况下进行单向压缩试验，考察损伤软骨在不同层区的受力及应变情况，并对不同损伤 深度进行比较。 目的从数值模拟和实验研究两个方面研究损伤软骨的力学性质，为软骨修复及应 用于临床的软骨替代物必须达到合适的结构和功能才能很好的修复软骨缺损提供行之 有效的参考。 方法应用大型分析软件a n s y s l 0 0 建立软骨切面模型，采用自底向上建模方式， 由点生成线，由线生成面，模型中考虑了纤维的存在，对软骨切面施加位移载荷。通过 杀死部分单元模拟软骨的损伤，约束活动节点，删除死单元位移载荷，约束深层软骨的 全部自由度，进行求解计算。仿真结果与实验结果进行比对，从而得出结论。 结果和讨论仿真结果显示了损伤软骨所受的应力，应变值较大，而且损伤区域越 大，软骨应力和应变的最大值越大，最大值主要集中在损伤区域附近。而从实验结果的 散点折线图中也显示了一致的结果。可以说明，软骨损伤会造成周围软骨的退变，使损 伤加剧，所以软骨损伤需要得到及时修复。 关键词：关节软骨损伤a n s y s 数值模拟实验研究 a b s t r a c t a r t i c u l a rc a r t i l a g ep l a y sav e r yi m p o r tr o l ei nt h ew h o l ej o i n t i ti so n eo ft h ed e c i s i v e f a c t o r sw h i c hm a k e st h ej o i n tp o s s e s sas m a l l e rf r i c t i o n a n do t h e ru n i q u ed a m p i n g p e r f o r m a n c eo u t s t a n d i n g h o w e v e r , d u et ot h ep a r t i c u l a rl o c a t i o na n df u n c t i o no fa r t i c u l a r c a r t i l a g ei nb i o l o g y , t h eo c c u r r e l ：i c eo fi n j u r i e si sc o m m o n a n dt h er e g e n e r a t i o nc a p a c i t yo f c a r t i l a g e i s l i m i t e d ，o n c ei n j u r i e d ，r e g e n e r a t i o ni s v e r yd i f f i c u l t t h e r e f o r e ，i n d e p t h u n d e r s t a n d i n go ft h em e c h a n i s mo fc a r t i l a g ed a m a g e , d e t e r m i n et h ee v o l u t i o no fm e c h a n i s m s c o u l dp r o v i d ee f f e c t i v er e f e r e n c ef o rc a r t i l a g er e p a i r t h em a i ns u b j e c tf r o mt w oa s p e c t st o s t u d yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc a r t i l a g e ，o n ep a r ti sn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h eo t h e ri s e x p e r i m e n t a ls t u d y t h es i m u l a t i o np a r tm a i n l yu s el a r g e s c a l ea n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s10 0 t oe s t a b l i s hc a r t i l a g em o d e l ，k i l ls o m ee l e m e n t st h r o u g ht h eo p t i o n so fe l e m e n tb i r t h d e a t h t o s i m u l a t et h ea b s e n c ei n j u r yo fc a r t i l a g e ，a n a l y s i st h ef o r c ea n ds t r a i no f c a r t i l a g ed a m a g eb v l0 o fc o m p r e s s i o nc o n d i t i o n s e x p e r i m e n t a lp a r tw ec h o o s ep i gf e m o r a lh e a dc a r t i l a g et od o o n e - d i m e n s i o n a lc o m p r e s s i o nt e s ti no r d e rt os t u d yt h ef o r c ea n ds t r a i ni nd i f f e r e n tl a y e r so f c a r t i l a g ed a m a g e ，a n dt oc o m p a r et h ed i f f e r e n td a m a g ed e p t h o b j e c t i v ef r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yt ou n d e r s t a n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc a r t i l a g ed a m a g e ，w h i c hw i l lp r o v i d ear e f e r e n c ef o r c a r t i l a g er e p a i r a n dt h er e p l a c e m e n to fc a r t i l a g ei nc l i n i c a la p p l i c a t i o nm u s tr e a c ht h ea p p r o p r i a t es t r u c t u r e a n df u n c t i o nc a nr e p a i rc a r t i l a g ed e f e c t se f f e c t i v el y m e t h o d se s t a b l i s h c a r t i l a g e s e c t i o nm o d e l u s i n gl a r g e s c a l ea n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s10 0 ，b o t t o m - u pm o d e l i n ga p p r o a c h ，t h el i n ei s g e n e r a t e db yt h ep o i n t s ，a n dt h e s u r f a c ei sg e n e r a t e db ym el i n e s ，t h em o d e lt a k e si n t oa c c o u n to ft h ep r e s e n c eo ff i b e r s d i s p l a c e m e n tl o a di si m p o s e do nt h ec a r t i l a g es e c t i o n s i m u l a t ec a r t i l a g ed a m a g eb yk i l l i n g s o m ee l e m e n t ，b i n d i n gt h ea c t i v en o d e ，r e m o v ed e a de l e m e n td i s p l a c e m e n tl o a d s c o n s t r a i n t a n l ef r e e d o mo f d e e pc a r t i l a g e ，t os o l v et h ec a l c u l a t i o n s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s w e r ec o m p a r e da n dc o m et oac o n c l u s i o n r e s u l t sa n dd i s c u s s i o ns i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec a r t i l a g ed a m a g es u f f e r e ds t r e s s a n ds t r a i ni sl a r g e , a n dt h eg r e a t e rt h ed a m a g ez o n ei s ，t h eb i g g e rt h em a x i m u ms t r e s sa n d s t r a i ni s t h em a x i m u mv a l u eo fs t r e s sa n ds t r a i nm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h ev i c i n i t yd a m a g e a r e a f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h es c a r e rl i n ec h a r ta l s os h o w sc o n s i s t e n tr e s u l t s 1 1 1 a t ： c a ne x p l a i n ，c a r t i l a g e d a m a g ew i l lc a u s et h es u r r o u n d i n gc a r t i l a g et i s s u ed e g e n e r a t i o n , m a k i n gt h ed a m a g ei n c r e a s e , s oc a r t i l a g ed a m a g en e e dt ob er e p a i r e d k e yw o r d s ：a r t i c u l a rc a r t i l a g e i n j u r yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n ts t u d y 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 软骨对机体内起到支持和保护的作用，属于结缔组织。人体中的软骨可以分为 三类：透明软骨、弹力软骨和纤维软骨。软骨中胶原纤维的结构和含量可以影响软 骨的力学性质，胶原纤维赋予软骨一定的硬度和形状，胶原含量大，软骨的刚度和强 度就好【”】，软骨的正常结构被破坏，可能是因为在软骨中的不同基质成分的改变，有 研究表明软骨中每一种基质成分的变化会导致软骨的生物力学性能下【3 4 j 。有研究 表明软骨中的p r o t e o g l y c a n 含量与年龄的增长有一定的相关性，即年龄越大，其含量 越低，并且组织的机械性能也随之减弱【5 1 ，另外胶原纤维方的向【6 1 、组织破坏【7 】和降 格【8 】等对软骨的力学性能也会产生影响。 1 1 1 软骨的微观结构 从软骨表层到软骨下骨，根据软骨基质和细胞的形态构成的不相同，可以把软骨分 为4 个层区：切线层( 也叫浅表层) ，中间层( 也叫移行层) ，深层( 也叫辐射层) ，钙 化软骨层。最薄的是软骨的切线层，厚度大约占软骨厚度的5 至1 0 ，在切线层的 胶原纤维平行与关节面，软骨细胞长轴平行与关节面，近似成水平排列，水分几乎无法 透过。第二层为中间层，大约占软骨厚度的4 0 ，在软骨中间层的胶原纤维斜行交错排 列，软骨细胞散在分布，近似圆形。第三层是深层，也是软骨最厚的部分。在软骨深层 的胶原纤维大多垂直于关节面，细胞柱状排列。钙化软骨层是最深层，胶原纤维编织成 a e 墨曩p l l 难 第一章绪论 图( 1 1 ) 为软骨的微观结构放大图，人的软骨厚度大约为1 毫米，h 为软骨厚度，图中显示了软 骨中的细胞，纤维，潮线。从图中可以明显的看出，在不同的深度，细胞的大小，形态，纤维的排 布是明显不同的。显示了软骨是各向异性，非均匀材料。 网状。软骨和软骨下骨质被胶原纤维网分开，钙化软骨层的细胞很少，包埋于周围钙化 的组织中，不包含蛋白多糖。存在于基质中的胶原纤维以纤维束的形式垂直走向表面， 并且与骨膜纤维相连到达软骨的中间层后向四周扩散呈喷射状，斜行进入软骨切线层， 即的“纤维拱形结构”【9 。此结构使得软骨的不同层区承受不同的载荷：即表层软骨 主要承受剪切应力，而移行层和辐射层主要承受的是压力载荷。来自于骨的纵向压力通 过软骨可以达到缓冲的作用，于此同时也可以避免软骨和骨端的分离【9 ，1 0 】，主要是因为 软骨的辐射层与软骨下骨间的连接面很不规则。 1 1 2 软骨损伤的类型 根据关节软骨损伤和损伤后修复反应的不同，国际软骨修复协会( i n t e r n a t i o n a l c a r t i l a g er e p a i rs o c i e t y , i c r s ) 将软骨损伤分为五个等级。0 级为j 下常；1 级为基本i f 常， 浅表层的损伤是一级损伤的主要表现；软骨二级损伤为异常，主要表现是裂缝向下延长 但小于软骨厚度的5 0 ( 见图a ) ；软骨三级损伤为严重异常，主要表现为裂缝向下延长 超过软骨厚度的5 0 ，没有穿透软骨下骨，但可深及钙化层( 见图b ) ；软骨四级损伤 为严重的异常( 见图c ) 。也有学者将软骨损伤分为三类：骨软骨损伤，可见的关节软 骨和骨结构性破裂；软骨裂隙，软骨损伤或软骨片撕裂；软骨基质和细胞损伤，。 但多数学者将穿透软骨下骨的损伤称为软骨全层损伤( f u l lt h i c k n e s si n j u r i e s ) ，而将软 骨损伤但没有穿透软骨下骨的称为软骨部分损伤( p a r t i a lt h i c k n e s si n j u r i e s ) ，软骨损伤较 为常见的是关节的钝性损伤，体外低于2 0 的应变对关节软骨没有任何明显破坏。 图a图b 图c 第一章绪论 1 1 3 软骨损伤的部位 在负重区和非负重区关节软骨( 图i - 2 ) 损伤对于软骨修复所产生的影响是不同的。 应力刺激对于关节软骨的生物力学性质和组织形态具有非常重要的意义。软骨组织中蛋 白多糖的含量和胶原的种类会受到不同的力学刺激的影响，不同区域的软骨组织与不同 区域的力学要求相适应。如果没有适宜的应力，就不会有正常的关节软骨。在关节软骨 的不同区域其受到的力学刺激信号是不一样的，主要体现在负重区域和非负重区域，对 关节软骨的修复所产生的影响也是不同的。王刚等将日本大耳白兔制成髌股外侧脱位动 物模型，分成移植物正常应力组、移植物脱位组以及单纯载体脱位组织，通过组织工程 移植物来修复关节软骨缺损，用m s c s 作为种子细胞构建自体组织。实验结束后得出结 论：在负重关节，将正常应力刺激信号传递给修复组织细胞需要经过媒介的传导，这种 媒介物是细胞外基质。适宜的应力有利于修复组织细胞向软骨细胞分化。对于关节软骨 负重区域的适宜应力刺激需要维持，因为这关系到关节软骨的结构和形态，也关系到修 复组织的成以及维持情况。 毵藏涎 1 1 4 软骨损伤的原因 嚣氮纛聪 图1 - 2 关节软骨的负重区与非负重区 1 缺乏运动：关节的活动具有非常重要的作用对于关节软骨的形成。邱宜兴等将家兔分 为两个组做实验，第一组膝关节作9 0 。屈曲功能和第二组伸直位固定，实验结束后结果 发现，第一个小组在实验十二周后软骨的变比较小，而第二个小组在实验进行到第四个 星期时已经可以观察到动物软骨发生退行性的改变。上面的实验说明，关节软骨的退变 可以由关节缺乏活动引起，关节活动具有重要的作用对于维持关节软骨的生理状态。 2 关节过度活动会引起软骨退变( 劳损) ：关节软骨的软化可由下列原因引起，关节强 负荷、长期大运动量或者运动训练安排不当。这类损伤是经过长期磨损、劳损和细微损 伤逐渐累积而形成的。以下是曲绵城等对家兔分成两个组做的实验： 第一章绪论 实验组一p实验组二p 膝关节抗阻反复伸屈p用电流刺激其股四头肌收缩一 结呆：两组髌骨关节软骨都出现变性软化现泵， 3 关节急性损伤引起损伤：如果关节发生一次性地挫伤或者发生一次性扭伤等也会引起 关节软骨的损伤。 4 软骨损伤由制动引起：经临床实践观察以及大量的实验研究表明，如果膝关节制动超 过3 0 天，就可能导致软骨所具有的压力泵性能消失，从而引起关节附近的组织产生痉 挛，滑膜与软骨粘连或者浸润到软骨中，增大了关节面之间的压力，滑液不能够在细胞 间质自由扩散。即软骨就会产生退变，而且这种退变是不可避免的。 1 2 功能性组织工程学概述 目前削磨性关节成形术，软骨下钻孔术，微骨折术等是关于软骨损伤修复的主要方 法。关节软骨内在的修复能力是极有限的，尽管其代谢较为活跃，关节软骨发生渐进性 的损害或发生关节退行性变可能由是较小的损伤引发的。纤维软骨性修复将是关节软骨 损伤修复的结果，尽管可以缓解患者疼痛但软骨的功能并不尽人意。软骨损伤修复的其 他方法包括自体或异体软骨移植术，近来有证据表明其供体部位会出现明显的病态【1 1 1 ， 而且其远期疗效并不确切。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 实验研究 软骨这种特殊的活性材料充满了空隙，具有的粘弹性，大量的液体充满软骨的组织 间隙，并且在应力的影响下，液体可以在组织中自由流动。软骨这种组织没有血管，软骨 中的液体在应力的刺激下自由流进流出是其获取营养物质的重要方式。软骨的力学性能 和软骨中的液体含量有一定的联系。我们研究软骨的应力与应变的关系可以更好地了解 解软骨传递载荷的特点，同时也有助于深入了解组织的健康情况1 1 2 1 。 国内有很多研究者从软骨的拉伸或压缩实验来研究软骨，得出软骨的机械力学性 质。白求恩医大物理教研室的吴几恺、张均一等在实验研究中主要研究了对关节软骨的 粘弹性，他们对软骨做了一维压缩试验，在载荷不变的情况下测定了软骨的蠕变曲线， 并且分别对五分钟和一秒末的蠕变模量和瞬时弹性模量进行了测定，把测定结果与在 椎间盘纤维环纤维软骨的力学性能进行了比较。下图( 卜3 ) 为实验装置框图。 第一章绪论 图1 - 3 实验装置框图 吉林大学第二医院的程杰平和吉林大学南岭校区工程力学系的孟广伟等对髌骨软 骨拉伸应力松弛蠕变实验进行了研究，获得了髌骨软骨一维拉伸的张应力、张应变、伸 长比、破坏载荷等测试数据结果，并且对实验据进行了拟合，并用最小二乘法对实验数据 进行处理，根据准线性理论得出了半月板的松弛函数k ( 入、t ) 。 1 3 2 数值模拟 关节软骨的力学模型可以追溯到1 9 世纪，在二十世纪末期m o w 等研究者建立的软 骨模型是两相多孔介质模型，这个模型的理论基础是物理学中的混合理论。该模型是目 前广泛应用的软骨模型。这个模型的固相基质是软骨中的蛋白多糖、胶原纤维等，视为 线弹性体；而将软骨中的电解液和水视为线弹性体，同时把软骨中的电解液和水理想化， 视为低速理想流体，应用达西定律来进行描述。关节软骨的多孔弹性本构关系就是由这 两者构成： 6 = c e - p l公式( 1 一1 ) 式中：6 一软骨总应力 c 一固相基质的弹性矩阵 c o - 固相应力 p - 一孔隙压力 i 单位矩阵 p l 一液相应力 软骨力学中的固液耦合问题得到解决是因为这个理论模型的出现。然而，最初该模型的 计算结果与理论计算和实验结果存在差异，主要原因是该模型应用线性、均匀的力学参 数，这与软骨实际的结构、力学特性是不同的，所以需要修正这些力学参数。m o w 和 m a n s o u r 引入了与应变有关的非线性渗透率这一概念，解决了软骨在受力状态下产生孔 隙变形导致渗透率降低的问题。而软骨这种非线性两项多孔介质理论的成型也源于此。 又有研究人员以此为基础，通过做大量的实验得出结论，研究获得了软骨的力学参数是 随软骨的层区变化的，如p r e x 、e x 和孔隙度等，使该模型计算结果的精确度进一步 提高了。 文献中有很多关节软骨横观面上各向同性模型( e g ，c o h e ne ta 1 ，1 9 9 8 ；b u r s a e 7 e ta 1 ， 第一章绪论 1 9 9 9 ) ，显示了传统的各向同性均匀模型不适合描述大多数实验观察结果。例如关节软骨 的弹性模量从浅表层到深层是增长的。这些模型没有考虑组织的不均匀性，没有把组织 微观结构的不均一性与整体弹性性质联系在一起。 f a r q u h a rc ta 1 ( 1 9 9 0 ) 集中研究了关节软骨中间层胶原纤维的网状结构，并且用余弦 法则建立了纤维的定向分布模型。在他们的工作中，评估了软骨横观面上各向同性的弹 性性质，考虑了纤维方向的有限数量。 s o u l h a tc ta 1 ( 2 0 0 0 ) 用纤维加固模型来考虑纤维的存在。在他的模型中，纤维仅有抗 拉刚度，然而蛋白多糖基质提供了组织的抗压刚度。l ic ta 1 ( 2 0 0 0 ) 用有限元代码实施了 s o u l h a t 等人的模型，通过描述纤维的杨氏模量和基质的渗透性依赖深度，包含了组织的 不均匀性。在这个模型中，纤维被模拟成拉伸弹簧单元，叠加在实体有限元网格上代表 蛋白多糖基质。这个纤维加强模型没有考虑细胞。 h c r z o g c ta 1 ( 2 0 0 2 ) 在q i ua n dw c n g ( 19 9 0 ) 对软骨研究工作的基础上，对同一平面上 的包含物使用均一化模型，获得了软骨的浅表层，中间层，深层不同的子模型“三切片 模型”，揭示了胶原纤维和细胞的存在。然而他们仅仅说明了纤维的方向平行和垂直于 关节平面。 s a l v a t o r cf c d c r i c oc ta 1 集中分析了关节软骨不同深度的微观结构，获得了t i t h 模 型，这个模型考虑了纤维的各个方向，包含了软骨的弹性模量依赖深度连续的变化。 t i t h 模型正确预测了实验观察的轴向弹性模量从深层到浅表层逐渐减小。在t i t h 模型 中通过有限元模拟压缩试验来研究流体相的运行状态。组织的各项异性不均匀极大的影 响了软骨样本的力响应，流体流动和位移场。 1 4 论文研究内容、目的与章节安排 关节在骨骼系统中起到连接邻骨间功能的作用，在滑液关节中，有一层一至五毫米 厚的关节软骨在骨端覆盖着，由关节关联的机体的两个部分做相对运动，这种运动没有 损伤，也不会使人产生疼痛感，正是由于关节软骨的存在。研究关节软骨的力学性质具 有重要的意义，可以帮助我们了解关节软骨的功能、疾病的诊断以及人工关节材料的 研制。不可逆性的软骨损伤可以由各种炎症、损伤和蜕变引起。软骨一旦损伤，很难自 愈，这是软骨损伤的特点。研究损伤关节软骨的力学性质，进而得出损伤软骨的演化机 制，对于应用于临床的软骨替代物必须达到合适的结构和功能才能很好的修复软骨缺损 提供理论参考。本研究内容主要从数值模拟和实验研究两个方面来研究损伤软骨的力学 性质，进而得出软骨损伤的演化机制，从力学方面为软骨修复提供一些参考。 ( 1 ) 建立软骨切面模型，考虑软骨中纤维的存在，选择两种单元类型，p l a n e 4 2 和l i n k 单元。用l i n k 单元模拟软骨中纤维的存在。将软骨各个层区赋予不同材质，模拟软骨 各向异性行为。应用单元生死选项杀死部分单元，模拟软骨的损伤，分析损伤软骨受到 1 0 压缩量下的应力及应变情况。 第一章绪论 ( 2 ) 对损伤的猪股骨头软骨进行单向压缩实验研究。保存力和时间的变化关系曲线， 电脑自动保存数据信息，将数据信息倒到e x c e l l 数据表中对数据进行分析，利用e x c e l l 中的图标导向功能画出散点折线图，进行分析得出结论。 ( 3 ) 将仿真结果与实验结果作比较，仿真只是从理论上和数值方法上进行模拟，只有 经过试验的验证，才能够更好地说明仿真结果的合理性及有效性。本课题从实验研究中 得出的数据进行分析，实验数据与仿真结果表现出了一致的结果。 1 4 1 章节安排 本论文的章节内容做了如下安排： 第一章是论文的绪论部分，共分为五个小节，第一节介绍了软骨的微观结构，软骨 的损伤类型，软骨的损伤部位及关节软骨损伤的原因。第二节简单介绍了软骨在组织功 能学概述。第三节介绍了国内外的研究现状，包括数值模拟和实验研究两个方面。第四 节阐述了本论文的研究内容、研究目的与研究意义。 第二章主要介绍了关节软骨的生物力学性质，主要包括软骨组织的生物力学特性， 力学刺激的作用，包括剪切力，压力，静水流压力，动态压力等对软骨的影响。 第三章应用大型分析软件a n s y s 对损伤软骨进行分析，详细介绍了软件的应用过 程，包括建模的建立，边界条件的施加，求解及结果后处理过程。通过对云图的分析， 得出了软骨的损伤机理。 第四章从实验研究的角度分析损伤软骨在受到单向压缩时的受力及应变情况。本章 详细介绍了实验的过程，包括实验材料，实验装置，实验过程，图像处理及数据处理。 将计算机保存的数据倒到c x c e l l 数据表中，选择具有代表性的数据画成散点折线图，直 观的比较损伤软骨从浅表层到深层的变化情况。 第五章结论与展望，对全文的研究工作及相关成果做了总结，并为下一步的工作提 出了展望。 论文的最后是参考文献，发表论文和科研情况说明以及致谢部分。 第二章关节软骨的生物力学性质 第二章关节软骨的生物力学性质 2 1 软骨组织的生物力学特性 关节软骨是一种各向异性、粘弹性、非均匀、充满液体的可渗透性物质，表现出一 些独特的力学性质，它能抵抗一定的p r e s s u r e 、s h e a rf o r c e 、t e n s i l ef o r c e 及耐受w e a r ， 原因是多方面的，比如，材料的性质差异，主要表现在组成材料的成分差异以及各种成 分的分布位置，及其之间的相互作用等等。关节软骨是一种双向材料，充满了空隙，主 要由固体相和液体相组成，液体相能够自由地流进流出，固体相主要是胶原纤维，其具 有加强作用。关节软骨的主要成分包含蛋白多糖( p r o t c o g l y c a n ，p g ) 、小分子蛋白 ( g l y c o p r o t e i n ，g p ) 、胶原纤维( i i 型胶原纤维占9 0 一9 5 ) 等软骨细胞外基质 ( e x t r a c e l l u a rm a t r i x ，e c m ) 固体相和主要是水组成的液体相。 2 2 力学刺激的作用 组织工程化软骨的培养受到多种因素的影响，比如软骨细胞在体内的生存环境，主 要是力学刺激因素对于软骨细胞的影响，为了使培养物的性能更好，具有更接近真实的 软骨的活性，我们必须考虑在培养过程中各种因素的作用。首先应考虑到软骨细胞中力 学刺激作用。为了研究力学刺激对构建软骨的结构、代谢等的影响，学者们相继建立了 许多细胞培养模型，但得到的研究的结论不尽相同。主要考虑到培养软骨组织的方式、 如果软骨组织的取材部位以及施加在软骨上的载荷形式、载荷的大小、频率不同，则其 产生的结果也不尽相同。在培养软骨组织的过程中经常选用的载荷形式主要包括s h e a r f o r c e 、s t a t i cp r e s s u r e 、d y n a m i cp r e s s u r e 、h y d r o s t a t i cp r e s s u r e 。 2 2 1 剪切力 关节软骨受到的复杂的载荷形式是p r e s s u r ea n ds h e a rf o l - v 3 2 】，关节软骨的主要作用 是减少关节面之问的摩擦力，而且关节软骨具有u n d e rp r e s s u r e 、t r a n s m i tp r e s s u e r 的作 用。我们知道，剪切力的作用是使体积发生变化，但对于关节软骨这一多孔的弹性组织 而言，其体积在剪切力作用下产生的变化将是很小的，所以其体积内的p r e s s u r eg r a d i e n t 、 f l u i df l o w 可以忽略，因为它们产生的作用也很小【3 3 】。w a l d m a n 等【3 2 】选用l 3 应变 的小幅度剪切力，首先在他们将软骨细胞植入支架中，支架选用的是生物陶瓷材料， 第二章关节软骨的生物力学性质 然后让软骨细胞在生物陶瓷支架中自由生长四个星期后，将剪切力作用于支架中的软骨 细胞，剪切力的作用时间是四个星期，要间断性的施加。八个星期以后查看结果，比较 的主要参数包括：d e h y d r a t i o nw e i g h t ，m o d u l u so f c o m p r e s s i o n ，e q u i l i b r i u mm o d u l u s ， t h i c k n e s s ，c o l l a g e n ，p g 。结果显示，和没有加力的一组实验作对比，加力组的这些参数 都明显增加。实验结果说明，剪切力的作用是明显的，而结果产生的原因可能是e c m 超微结构在剪切力作用下改变，但还有待深入研究；另外，他应用类似的实验研究方法 对该复合物进行了研究，得出的结论是，对于软骨体外培养，在长时间周期性负荷的作 用下，更能提高培养的品质，但要考虑施加力的模式，因为施加的负荷模式会影响到其 成分和力学性能，而剪切力相对动态压力效果更佳瞰】。 2 2 2 压力 关节软骨最常承受的负载形式是p r e s s u r e ，它可以看成由两部分组成的。一部分是 随着时间的发展而不变的s t a t i c 成分，另一部分是随着时间的发展而变化的d y n a m i c 成 分【3 5 1 ， s t a t i cc o m p r e s s i o n 和d y n a m i cc o m p r e s s i o n 这两种形式是体外研究实验大多采用 的压力方式。早期研究所关注的加载方式多为静压力，普遍认为基质的合成会因为静压 力而受到抑制【3 6 。3 引，静压力还会使组织保持恒定的压缩状态。但随着研究的深入，对 于静压力的作用效果也有了更深一步理解，如可溶物质在培养基内运输会因静压力而受 到限制，从而导致软骨细胞的代谢水平下降q u i n n 等【3 9 】这样认为，r a g a n 等j 认为 静压力不会引起细胞代谢途径发生变化，但他们发现4 0 h 持续静压力促使新合成的蛋白 聚糖分子流失到培养基中，但是蛋白多糖的成分以及其分子的大小不会随之发生改变。 综上所述，大多数学者认为c o n t i n u o u sh y d r o s t a t i cp r e s s u r e 对软骨细胞产生的影响主要负 面的。因为人在日常的生活中是运动的，所以d y n a m i cp r e s s u r e 是膝关节最主要受到的 力，软骨细胞的新陈代谢作用【4 l 】在一定程度上主要受到d y n a m i cp r e s s u r e 的影响。研究 结果发现，软骨细胞在软骨中所处的深度不同( 表层、中层、深层) m j 或同一层区但不 同区域( 在软骨的浅表层有高载荷区域、低载荷区域) ，软骨细胞【4 3 1 ，受压后其形态、功 能的改变是不同的，主要原因是c i r c u l a t ed y n a m i c p r e s s u r e 的作用因软骨细胞所处的位置 不同而不同。可见，动态压力对样本的压缩加载和应变不刚1 4 】与多种因素有关，比如样 本的生化，力学性能，另外，如果培养软骨的系统不同或者压力装置不同都会影响动态 压力的作用效果。可以说动态压力对工程化软骨产生的影响非常复杂，而且组织受到动 态压力后会导致毛细液流( f l u i df l o w ) 、h y d r o s t a t i cp r e s s u r e 、s t r e a m i n gp o t e n t i a l 、c u r r e n t 等多种物理现象发生变化，而且这些因素之间是相互联系的，所以要区分这些因素对 整块组织的影响十分困难。后来有研究者发现相对较主要、具体的力学刺激对工程化软 骨的影响可以通过力和流体在空间的自然分布去评价。由于压力、形变、毛细液流等 由于在组织中处于不同的位置，所以对其施加d y n a m i cf o r c e 时，研究者发现其分布规律 第二章关节软骨的生物力学性质 是不一致的。并且他们还进一步发现造成这种差异的原因和动态压力的频率具有一定的 相关性。k i m 等【3 5 】发现在实验过程中，将样本放在两个不渗透的圆盘中，然后分别对 两个圆盘中的样本施加u n i a x i a lu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o n 3 量4 5 4 6 时，在o 1 h z 时，样本 中心位置的c a p i l l a r yl i q u i df l o w 、f l u i de n e r g yg r a d i e n t 最低，但p r e s s u r e 最高，这种情 况与样本周围刚好出现相反的结果。说明在频率为o 1 h z 下的刺激，在样本半径附近的 软骨细胞合成反应优先得到了促进，也说明调控软骨细胞代谢反应对于此时刺激信号更 可能与e n e r g yf l o w 、f l u i df l o w 和细胞形变有关。在低频o 0 0 1 h z 至0 0 1 h z 刺激下，软 骨细胞的合成代谢对于位置的差别不大，可能与四种作用比较协同有关，样本全层各个 部位表现出一致的合成增强现象。d a v i s s o n 等m 】对样本进行实验研究，采用的方式也 是u n i a x i a lc o n f i n e dc o m p r e s s i o n 实验，实验装置应用的也是两个多孔的深水圆盘，将软 骨样本分别放在两个实验装置中，装置一中的软骨样本在半径方向上施加一致的作用 力，如t e n s i o n ，h y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，p r e s s u r e ，但在样本的轴向方向上受到的力不一致。 然后，采用同位素标记技术，标记物为3 h p r o l i n e 和3 5 s 0 4 ，采用定量研究的办法，主 要考察存在于无纺网上的软骨细胞硫酸软骨素( s g a g ) 和相关蛋白代谢因静态压力和 动态压力不同而产生的影响。发现在静压力作用下，应变量为5 0 时，软骨中的相关蛋 白和软骨细胞硫酸软骨素的沉积分别减少百分之五十和百分之六十，但是动态压力的作 用效果与多种因素有关，比如姻u c y 、p r e s s u r e 和实验设计等因素有关，在一般情况 下，当频率不高于0 0 0 1 h z 时的动态振动( d y n a m i co s c i l l a t i o n s ) 对e c m 的合成几乎没有 影响，而动态振动的频率高于0 0 1 h z 时，e c m 的合成相比静压力能增加1 0 0 0 - - 3 0 m 】。 2 2 3 静水流压力 很多研究者很关注的一种作用方式是h y d r o s t a t i cp r e s s u r e ( p h y s i o l o g i c a ll i q u i d p r e s s u r e ) 。研究者普遍认为不可压缩性是固态基质具有的性质，所以生理液态压力是生 理活动时对软骨细胞影响最大的力 5 0 l 。一般人关节表面都会不同程度的承受压力，其 值的范围是2 9 6 m p a 至9 8 6 m p a 5 1 1 ，而人在行走时膝关节受到压力大约为5 m p a 5 2 】。 在实验中经常应用的i n t e r m i t t e n th y d r o s t a t i c p r e s s u r e 负荷与生理水平相当( 1 1 0 m p a ) 或 稍低于生理水平，这主要是考虑到软骨细胞经常会产生一定的变形问题【5 3 埘】，而且存 在于软骨细胞中的蛋白聚糖和i i 胶原m r n a 的表达水平【5 3 - 5 6 】能够得到一定程度地得到 提高，而且对于基质的合成和积累具有非常重要的作用，当然加载负荷持续的时间和频 率的差异也要考虑，优化治疗关节炎的关键是选择适宜的组合安排【5 7 】；而超过生理水平 的c o n t i n u o u sh i g hh y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，会造成细胞骨架的结构改变，破坏高尔基体【5 s 】， 使正常的软骨细胞向关节炎样细胞转化【删。 第二章关：符软骨的生物力学性质 2 3 小结 构建工程化软骨需要模拟体内正常的力学环境。利用循环静水流压力、动态压力、 剪切力、离心力都可以提供不错的力学刺激，使工程化软骨的质量得到了提高。虽然目 前还不十分清楚力学因素的作用机制，在微重力组织工程研究中还有一些困难和难题， 但我们相信，随着科研水平的提高，研究的深入，以及国家制定的一些标准和法规不断 完善，利用组织工程修复软骨损伤，实现关节软骨的再生并应用与临床，将不再是梦想， 给更多的软骨损伤患者带来福音，这是科研工作者和医疗工作者共同的心愿! 第三章损伤软骨力学性质的数值模拟 第三章损伤软骨力学性质的数值模拟 正常的软骨如果承受不利的力学环境或者超载都会引起关节软骨损伤。人的关节面 可以承受大约2 5 m p a 的冲击力，超过临界值的单次冲击或小于临界值但多次大幅度的 钝性损伤均可能导致关节软骨不可逆的损害【2 3 】。 3 1 有限元常用术语 3 1 1 单元 单元是指有限元模型中的每一个小的块体。根据单元的形状不同，可以分为：线段 单元、三角形单元、四边形单元、六面体单元和四面体单元等几种类型。有限元模型构 成的基础是单元，所以单元的类型对有限元的分析过程起到很重要的作用。有限元程序 的功能与有限元程序提供的单元种类相关，单元种类越多，程序的功能就越强大。a n s y s 提供的单元类型有一百多种，可以模拟和分析绝大多数的工程问题。 3 1 2 节点 节点是用于确定单元的形状、表述单元的特征以及连接相邻单元的点。有限元模 型中的最小构成元素是节点。一个节点可以被多个单元公用，起到实现数据传递和连 接单元的作用。 3 1 3 载荷 载荷是工程结构中所受到的外在施加的力矩或力，包括力矩、集中力和分布力等。， 载荷含义因不同的学科而不同不同。在结构分析，载荷通常为力、位移等。在温度场分 析中，载荷指的是温度等，而在电磁场分析中，载荷指结构所受的电场和磁场作用。 3 1 4 边界条件 结构在边界上所受到的j l j n 约束称为边界条件。在有限元分析中，施加的边界条件 正确与否关系到分析结果的正确性以及分析结果精度性。所以说，正确施加边界条件是 有限元分析的关键所在。 第三章损伤软骨力学性质的数值模拟 3 1 5 初始条件 在结构响应以前所施加的预应力、初始速度以及初始温度等称为初始条件。 3 2 模型的建立 选用有限元分析软件a n s y s l 0 0 进行分析( 图形用户界面如图3 - 1 所示) 。a n s y s 分析的过程主要包括3 个步骤：前处理、加载并求解、后处理。前处理主要指创建实体 模型以及有限元模型。它包括，定义单元属性，划分网格，修正模型等。单元属性是指 划分网格之前必须指定的所分析对象的特征，这些特征主要包括：材料属性、单元类型、 实常数等。 厶h 甜h t0 s t 珏“n 。t 扣b 加m _ t q t a t t a r sl 岍l 哪砒j i l l ， q l 哆1 日 臼 a ；臼i ，| 冒r 1 ：重 日 i i g 巧l o o n 廿 = = ! z = ! ”“? “”。一 唑望瞧型蜊嬲 爝俘i “t i ( 目 一*一一”，： 日h t f 盯n c t j 田r r e p r o e e s s w 日5 e l t t i 由c a m e r a r e s t l h r o e 日t i m d i s tr t s t p r 田t o l d d o i c 10 t 田1 8