循环加载下关节软骨的棘轮应变及理论预测

目的获得不同加载条件下关节软骨的棘轮应变,建立预测棘轮应变的理论模型,并对软骨的棘轮应变进行预测。方法将猪股骨远端滑车部的新鲜关节软骨作为研究对象,采用非接触式数字图像技术,测试循环压缩载荷下关节软骨的棘轮应变;建立预测棘轮应变的理论模型,对不同应力幅值和加载率下软骨的棘轮应变进行预测,并比较预测结果与实验结果。结果随循环圈数的增加,软骨的棘轮应变先快速增长然后趋于稳定;定加载率下,软骨的棘轮应变随应力幅值的增大而增大;定应力幅值下,棘轮应变随加载率的增大而减小。实验结果与建立的理论模型预测结果吻合良好。结论关节软骨的棘轮应变与应力幅值成正比,与加载率成反比。建立的理论模型可以预测软骨的棘轮行为,同时为组织工程软骨的构造提供指导。     

缺损关节软骨在循环压缩载荷下棘轮行为的实验研究

目的研究缺损软骨在循环压缩载荷下的棘轮应变行为,探索缺损关节软骨的损伤演化规律。方法取新鲜的成年猪股骨远端关节软骨,对不同缺损深度软骨试样进行不同参数的三角波循环加载。结合非接触式数字图像技术,获得软骨不同层区的棘轮应变。结果随循环加载圈数的增加,软骨各层棘轮应变均表现为先急剧增大,然后缓慢增加并趋于平稳,由浅层到深层棘轮应变逐渐减小。各层区对循环圈数响应不同,浅层在50圈内应变增加较快,中层在100圈内应变增加较快,深层在75圈内应变增加较快。除了中层区域响应有滞后性,浅层、深层的棘轮应变与应力幅值、缺损深度呈正相关,与加载速率呈负相关。结论软骨的棘轮行为受软骨的特殊结构的影响,缺损使软骨各层区的应变增大,易造成损伤加剧。实验结果为组织工程软骨的构建提供参考依据。     

关节软骨不同层区的率相关性能研究

目的 采用不同加载速率对关节软骨进行非围限压缩试验,探究其不同层区的率相关性能。方法 采用新鲜猪关节软骨作为研究对象,结合非接触式数字图像相关技术,测试不同加载率下软骨不同层区的力学性能。结果 在恒定加载率作用下,取相同压缩应力时,软骨浅表层的压缩应变最大,深层区压缩应变最小,中间层压缩应变鉴于表层与深层之间;沿软骨厚度方向,从浅表层到深层,软骨的泊松比逐渐增大;不同加载率作用下,软骨的压缩应力 应变曲线不重合,说明关节软骨的压缩力学性能具有率相关性;随着加载速率的增大,软骨的弹性模量呈增大的趋势;取相同压缩应力时,加载率越大,不同层区的压缩应变都减小。结论 关节软骨沿厚度方向,从浅表层到深层的压缩应变逐渐减小,泊松比逐渐增大,软骨不同层区的力学性能具有率相关性。实验研究可为临床软骨疾病预防、治疗提供理论依据,同时对人工软骨力学评价具有重要意义。     

股骨内侧髁软骨不同缺损面积影响周围软骨应力的三维有限元分析

文题释义： Von Mises应力：是一种等效应力,用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况,可以清晰描述出一种结果在整个模型中的变化,来确定模型中的最危险区域。在一定的变形条件下,当材料的单位体积形状改变的弹性位能(又称弹性形变能)达到某一常数时,材料就屈服。 箱式图：是指—种描述数据分布的统计图,是表述最小值、第一四分位数、中位数、第三四分位数与最大值的一种图形方法,可以粗略地看出数据是否具有对称性,分布的分散程度等信息。 背景：研究发现三维有限元分析可用于膝关节生物学研究,但关于股骨内侧髁不同缺损后周围软骨应力变化的研究不多。 目的：探讨膝关节股骨内侧髁软骨发生不同缺损前后周围关节软骨应力的变化趋势,为膝关节股骨内侧髁软骨缺损患者提供生物力学数据。 方法：选取正常成人1例建立三维数字有限元模型,在Abaques软件中将己划分好网格的模型录入材料力学特性,约束边界条件及在模型上加载载荷,进行有限元结构非线性计算,首先观察正常膝关节软骨半月板在载荷条件下的应力空间分布,然后观察股骨内侧髁软骨发生不同缺损(0,6,8,10,12,14,16,18,20 mm)后周边软骨在载荷条件下的应力空间分布,分析股骨内侧髁软骨缺损时发生在软骨上的应力改变情况。研究方案获得昆明医科大学第一附属医院伦理委员会批准,试验志愿者对试验过程完全知情同意。 结果与结论：①成功定义了模型的材料属性、边界条件及载荷的引入,并得出了膝关节内侧髁软骨发生不同直径缺损时关节软骨的应力云图及其应力数据,经统计分析得到,当股骨内侧髁软骨出现10 mm(面积0.78 cm²)和12 mm(面积1.13 cm²)缺损分别为股骨髁和胫骨平台软骨上的应力较无缺损时有显著性变化;②应用三维有限元法计算得出了在膝关节内侧髁的软骨发生不同直径缺损的情况下膝关节软骨的应力变化趋势;③结果表明股骨内髁直径10 mm(面积0.78 cm²)缺损可能是进行软骨修复手术干预的最小直径。 ORCID: 0000-0003-4694-9716(张叶明) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

滑动载荷作用下关节软骨不同层区的法向位移

目的 获得滑动载荷作用下关节软骨不同层区的法向位移分布,探讨压缩应变、滑动速率和滑动次数对不同软骨深度法向位移的影响。方法 以新鲜猪关节软骨为研究对象,采用非接触式数字图像相关技术,对滑动载荷作用下软骨不同层区的法向位移分布进行研究。 结果 滑动载荷作用下,关节软骨表层的法向位移最大,深层的法向位移最小,中间层的位移介于二者之间;随着压缩应变的增大,沿软骨厚度方向的法向位移都增大,并且表层的法向位移增加幅度最大。滑动速率越大,软骨沿厚度方向的法向位移越小。在不同的滑动次数下,法向位移随滑动时间的进行都呈上升趋势;随着滑动次数的增加,不同滑动时间时的法向位移都增大,并且发现从第1次到第2次滑动时法向位移增大最明显。结论 滑动载荷作用下,软骨不同层区的法向变形有差异,不同层区的法向位移随着压缩应变、滑动速率和滑动次数的变化而变化。本研究可以为临床软骨疾病治疗和软骨缺损修复等方面提供依据,同时对人工软骨结构组成、人工构建、力学功能评价有重要意义。     

软骨Ⅱ号方对兔骨关节炎软骨承受压缩载荷的影响

目的：设计关节软骨的单向压缩实验,观察以中医学柔肝为治法的中药软骨Ⅱ号方对实验性家兔骨关节炎关节软骨生物力学性能的影响并探讨本方的作用机制。方法：按Hulth法建立家兔骨关节炎动物模型,并随机分为正常组、模型组、西药组（维骨力）、中药组（软骨Ⅱ号方）。用环氧树脂塑造与关节软骨表面紧密贴切的顶盖与底座,顶盖用以提供机器加载时的施力作用面并消除因关节软骨表面平坦度的差异所带来的随机误差,底座用以限制标本的滑动。测试前揩干软骨表面水份,用电子游标卡尺测算标本平均厚度为1.0mm,设定机器的恒定加载形变为0.5mm,恒定加载时间为2min,在AG－100KNA岛津万能试验机下进行单向压缩实验,同时自动描记形变－载荷曲线。结果:民空白组相比,模型组0.5mm形变对应的载荷值及硬度值明显降低（P＜0.05）,与模型组及西药组相比,中药组0.5mm形变对应的载荷值及硬度值明显升高（P＜0.05）。结论：实验设计体现了关节软骨的生物力学性能,软骨Ⅱ号方明显提高了软骨抗压缩载荷的能力,改善了关节软骨的生物力学性能,其机制可能与改善胶原－蛋白多糖的结构有关。     

组织工程修复关节软骨缺损的力学状态研究

背景：力学状态对软骨的正常生理有重要影响,若应力集中过大将造成人工软骨退变和原宿主软骨退化,影响治疗效果。目前的各种力学手段很难实现活体软骨力学状态测量,而有限元动态分析能有效地模拟修补后软骨的受力情况。 目的：通过有限元仿真研究组织工程修复膝关节软骨缺损后人工软骨和宿主软骨的力学状态。 方法：以人体膝关节软骨受滚压部分为研究对象,建立滚动运动下关节软骨的有限元模型。根据行走过程中股骨与胫骨间的滚压边界条件,对软骨在取不同弹性模量、不同压缩量、不同载荷速度及不同缺损大小的情况进行了滚压受力分析。 结果与结论：在滚压载荷下,植入人工软骨弹性模量和软骨压缩量的不同都使人工软骨和宿主软骨受到的Mises应力值变化,二者对修复缺损处软骨Mises应力分布的影响比较明显,是临床治疗软骨缺损和术后康复阶段值得注意的因素。模拟中使用的载荷速度和缺损大小对软骨应力值的影响不明显。当人工软骨弹性模量取某个值时,人工软骨和宿主软骨的Mises应力差别可以达到很小值,二者趋于吻合。应力差别还和个体宿主软骨的力学性能有关,据此,应针对不同病例选择最佳弹性模量的人工软骨植入。     

关节软骨压缩特性的实验研究

目的 探讨正常关节软骨的压缩特性。方法 将人的股骨头软骨制成圆柱形标本,分A、B、C、D四组。应用两种不同力学实验装置分别对A、B组标本加载,测定标本在受压后1秒末的应力和应变值,作出应力-应变曲线图。C组标本在恒定压力下受载,测量标本在受压后不同时间应变值的变化。D组标本受压后并保持一定的应变值,观察关节软骨受压后不同时间压力的变化。结果(1)正常关节软骨的瞬时应力-应变曲线呈非线性关系,应力越大,弹性模量值越高;两种装置的实验结果具有明显差异性。(2)关节软骨在恒定应力作用下,应变随时间的延长而增大,     

含裂纹缺损关节软骨的单轴准静态拉伸性能

背景:关节软骨一旦出现裂纹缺损其力学性能会发生改变,而先前研究中针对受损关节软骨的探究多集中在压缩,对于拉伸性能的研究较少。目的:预先在软骨层试样上制造裂纹缺损,测试其单轴准静态拉伸性能。方法:选取新鲜成年猪膝关节的关节软骨,制备含裂纹缺损的软骨试样,在不同应力率下(0.001,0.01,和0.1 MPa/s)测试其拉伸性能,在不同恒定应力下(1,2,3 MPa)测试其蠕变性能。结果与结论:①不同应力速率下的拉伸实验中,随着应力速率的增加,达到相同应变所需的应力逐渐增大,且试件的杨氏模量随应力率的增加而增加;②不同应力速率下含裂纹缺损关节软骨的拉伸应力-应变曲线不重合,说明含裂纹缺损关节软骨的拉伸性能具有率相关性;③不同恒定拉应力水平下的蠕变实验中,蠕变应变随着拉应力水平的提高而增大,蠕变柔量随拉应力水平的提高而降低,并且随着蠕变时间的推移蠕变应变先快速增加后缓慢增加;④结果表明,不同应力率和不同恒定应力对含裂纹缺损关节软骨的拉伸力学性能影响较大,该实验结果可为缺损关节软骨的修复提供力学参考。     

关节软骨体外构建力学环境的研究进展

很多物理因素都影响软骨组织的生长和发育,其中力学因素起主要作用。软骨的生长、发育是力学调控的适应过程。当前采用多种力学条件应用于软骨生物反应器,如流体剪应力、液体压力、直接压缩等,或其中部分组合,但这些条件还没有构建出与活体软骨结构-功能相匹配的人工软骨。如果一种载荷能适合构建软骨,那么这种载荷首先能保证培养物内部信号分子、营养和废物的有效运输;其次,能对支架内种子细胞特定的力学刺激;第三,能促进培养物结构-功能的发展。本文回顾、分析当前多种力学条件的作用效果,其中流体剪应力、液体压力、拉伸、直接压缩或变形剪应力都是软骨受力状态的部分体现。作者认为滚压载荷是软骨培养的合适力学环境,它是当前多种力学条件的一个综合指标,对软骨培养物可以形成纵向的动态压缩和横向的动态变形剪应力,并且有利于细胞新陈代谢物质的运输,因此,滚压环境可能是人工软骨结构-功能构建的发展方向。     

组织工程软骨植入缺损后修复区力学特性分析

目的利用组织工程技术建立体外软骨缺损实验模型,研究修复区人工软骨和宿主软骨的力学特性。方法采用一种琼脂糖凝胶作为人工软骨,制作猪软骨深层缺损,在缺损处仿临床植入人工软骨,用生物胶黏接,建立组织工程修复膝关节软骨缺损的体外模型;在压缩载荷作用下,通过数字图像相关技术研究组织工程软骨植入缺损后修复区即刻力学行为。结果压缩过程中界面处没有出现开裂现象,压缩分别为软骨层厚度的3.5%、5.6%、7.04%和9.0%时获得了修复区中间层应变分布图和应变变化曲线。压缩量从3.5%增加到9%时,在垂直软骨面方向上宿主软骨最大压应变增加75.9%,人工软骨最大拉应变增加226.99%;在平行软骨表面方向,交界面处最大拉应变增加116.9%,增加量远高于宿主软骨区和人工软骨区;对于修复区剪应变,随着压缩量增加交界处剪应变方向发生相反的改变。结论软骨组织工程修复缺损效果有很大的不确定性,这与修复区的力学环境有关。组织工程软骨植入缺损后,修复区受到复杂应变状态,随着压缩量增加,界面处、宿主软骨、人工软骨都发生较大的应变变化,界面处垂直软骨面方向的应变由压应变可转化为拉应变,平行软骨表面方向的拉应变有显著增加,交界处剪应变方向甚至发生了相反的改变,而且剪应力数值迅速增加。这种复杂应变状态造成修复区细胞力学环境的较大变化,还可能引起界面的开裂,影响缺损修复过程,这些力学环境变化应受到临床治疗的重视。     

Video microscopy to quantitate the inhomogeneous equilibrium strain within articular cartilage during confined compression

The objectives of this study were to develop a method to quantitate the displacement and strain fields within articular cartilage during equilibrium confined compression, and to use the method to determine the variation of the equilibrium confined compression modulus with depth from the articular surface in bovine cartilage. The method made use of fluorescently labeled chondrocyte nuclei as intrinsic fiducial markers. Articular cartilage was harvested from the patellofemoral groove of adult bovines and trimmed to rectangular blocks 5 mm long, 0.76 mm wide, and 500 μm deep with the articular surface intact. Test specimens were stained with the DNA binding dye Hoechst 33258, placed in a custom confined compression chamber, and viewed with an epifluorescence microscope equipped for video image acquisition. Image processing was used to localize fluorescing chondrocyte nuclei in uncompressed and compressed (∼ 17%) speciments, allowing determination of the intratissue displacement profile. Strain was determined as the slope of linear regression fits of the displacement data in four sequential 125-μm-thick layers. Equilibrium strains varied 6.1-fold from the articular surface through 500 μm of cartilage depth, with the greatest compressive strain in the superficial 125-μm layer and the least compressive strain in the two deepest 125-μm layers. Thus, the four successive 125-μm layers have moduli that are 0.44 (superficial), 1.07, 2.39, and 2.67 (deep), times the apparent modulus for a 500 μm thick cartilage sample assumed to be homogeneous.     

牛膝关节软骨的力学承载特性及其有限元仿真分析

目的分析软骨的压缩变形行为和液相力学承载特性的关系。方法利用压痕实验测定牛膝关节软骨在不同压头直径、不同载荷下的压缩变形位移,建立有限元模型模拟关节软骨内部液相流动及承载特性。结果模拟压缩位移与实验结果最大相对误差为1.73%,在相同载荷作用下,随着压头直径的增大,软骨的弹性模量与渗透系数随之增大;在相同压头直径作用下,随着载荷的增大,软骨的弹性模量与渗透系数随之减小。载荷作用在软骨上,软骨内部液相主要在软骨内流动,随着载荷的持续,液相逐渐向软骨外流动。软骨表面的孔隙压力、轴向应力、径向应力由于液相的流动呈非线性变化。结论软骨表面的液相流动、孔隙压力及应力分布等影响软骨表面的承载特性;在不同压头、不同载荷下,软骨的承载特性有较大差异。     

A method for quantifying time dependent changes in MR signal intensity of articular cartilage as a function of tissue deformation in intact joints

A method is proposed to determine accurately the signal intensity changes of the articular cartilage from sectional MR images and its related cartilage deformation under compression in an intact joint. Image processing methods are developed to delineate and register the cartilage boundaries in consecutive MR images in order to track corresponding tissue sectors during the loading experiment. Regions of interest can then be defined and traced during the compression, making a spatial and temporal analysis of signal intensity changes possible. In addition, the cartilage deformation is calculated in the respective tissue sectors and is related to the MR signal changes. Using a fat-suppressed FLASH 3D sequence, the preliminary results showed location-dependent slight changes of the signal intensity varying from individual to individual. The quantitative analysis of the signal intensity changes as a function of cartilage deformation with magnetic resonance imaging (MRI) aims to characterize microstructural properties of the articular cartilage that may lead to a better understanding of degenerative joint disease.