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。     

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。     

关节软骨的微摩擦接触力学特性

目的使用修饰后的原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)探针研究关节软骨的微摩擦接触力学性能。方法使用微操作器对AFM氮化硅探针进行修饰处理,具体操作为在探针上粘贴玻璃微球作为针尖,然后使用修饰后的探针研究人体和牛关节软骨的微摩擦接触力学性能。结果人体和牛软骨的粗糙度分别为(68.63±6.22)、(50.16±6.47)nm,随着载荷的增大,人体和牛软骨的摩擦力逐渐增大。当探针滑动速度从0增加到100μm/s时,试样与探针之间的摩擦力增速很快;当速度从100μm/s增加到300μm/s时,摩擦力上升缓慢。结论软骨表面具有明显的纤维状结构,软骨的粗糙度与测量范围直接相关。随着速度或载荷的增大,人体和牛软骨的摩擦力增大,变化范围相同。探讨关节软骨在微摩擦试验中的力学和摩擦学性能表现,对于认识软骨损伤机制和医用人工关节抗磨材料的开发具有重要意义。     

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。     

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。     

滚压载荷下成年和幼年软骨的棘轮行为

文题释义： 非接触数字相关技术：非接触式测量方法以前主要有光学式和气动式两种,实验采用光学式图像采集系统。图像测量技术作为一种新兴的非接触测量方法有着独特的优越性,它通过把被测对象的图像作为检测和传递信息的手段,从图像中提取有用信息进而获得待测参数,研究通过图像采集点的坐标变化从而计算出受载前后软骨的应变。 棘轮效应：材料受到拉伸或压缩时,如果力大于材料的屈服强度,那么材料就会发生塑性变形。在非对称应力控制循环加载下,材料反向变形大小就会小于初始变形,进而产生了残余应变,如此反复而产生的沿应力方向上塑性变形累积的现象,这种现象即称为棘轮效应。 背景：国内外学者对关节软骨在不同力学环境及循环压缩载荷下的受力情况做了不少研究,但均集中在循环压缩载荷对软骨的作用,有关软骨年龄因素对软骨力学特性影响的研究和软骨在复杂受力环境下的特性研究不深入。                                                      目的：研究不同滚压载荷条件对成年和幼年关节软骨棘轮行为的影响。 方法：以成年猪股骨软骨和幼年猪股骨软骨为实验对象,在不同实验条件下(压缩量：10%,20%,30%;滚压速率：1.66,3.44,6.68 mm/s;缺损宽度：1,2,4 mm)采用滚压加载装置施加载荷,同时使用非接触数字相关技术对加载过程中的试样进行图像采集,通过分析处理图像,研究循环滚压载荷作用下成年及幼年关节软骨的棘轮行为。 结果与结论：①在滚压载荷下,随着滚压循环载荷的进行,成年软骨和幼年软骨的棘轮应变都呈现先快速增加后缓慢增加的趋势;②随着压缩量的增加,成年软骨和幼年软骨的棘轮应变都增加;在相同压缩量下,幼年软骨的棘轮应变大于成年软骨,并且他们的棘轮应变沿着软骨深度从表层到深层逐渐降低;③随着滚压速率的增加,成年软骨和幼年软骨的棘轮应变减小;④1 mm微型缺损关节软骨的棘轮应变数值和趋势与完整无缺损软骨大致相同。在2,4 mm缺损状态下,缺损软骨的棘轮应变值均比同样条件下完整软骨的棘轮应变值要高。 ORCID: 0000-0003-3586-1073(李凯);0000-0002-7288-6686(高丽兰) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

MicroRNA-20b-5p对早期膝骨关节炎模型大鼠软骨和软骨下骨血管新生的影响

背景:血管新生是早期膝骨关节炎膝关节微环境的重要病理特征,通过膝关节腔注射microRNA的方式抑制血管新生可能为早期膝关节的治疗提供新的作用靶点.目的:观察miR-20b-5p激动剂对早期膝骨关节炎大鼠关节软骨、软骨下骨血管生成的影响,探讨miR-20b-5p对早期膝骨关节炎大鼠软骨及软骨下骨可能的保护机制.方法:从...     

非周期大强度运动训练对兔关节软骨压凹特性的影响

引言竞技体育运动员在大强度训练后出现关节的疼痛、僵硬、酸软等临床症候。一般认为长期大强度训练将增加骨关节炎的危险[1] 。已有的研究表明长期小至中等强度的周期性运动对关节软骨的结构和生物力学特性无明显影响[2～ 4 ] ,但长期大强度周期性运动则会引起关节软骨剪切模量下降[5] 。但是对于非周期性运动项目 ,特别是篮、排、足球等跑跳项目 ,由于其非周期运动的特点 ,关节软骨将承受冲击、扭转和剪切等载荷 ,长期从事这些运动项目将增加关节软骨损害的发生。因此 ,本研究将采用大强度动物跑跳训练模型 ,观察短期大强度训练对关节软骨…     

正常关节软骨和骨关节炎关节软骨细胞中血管活性肠肽表达的比较

背景：神经肽的发现给骨关节炎的治疗带来了新的希望,但神经肽的表达与骨关节炎发病以及软骨退变程度的关系尚不清楚。 目的：观察血管活性肠肽在正常关节软骨和不同退变程度骨关节炎软骨中的表达,以及血管活性肠肽表达与骨关节炎发病及软骨退变程度的关系。 方法：选取2007-03/11中南大学湘雅医院骨科进行关节置换的骨关节炎患者的关节软骨标本26个,选取因外伤行截肢的膝关节软骨或股骨颈暴力骨折的股骨头正常关节软骨标本10个为对照,根据大体观察凿取正常和骨关节炎不同退变程度软骨块50个,再根据关节软骨改良Mankin病理评分法进行分组,采用免疫组织化学染色检测软骨组织中血管活性肠肽的表达和分布。 结果与结论：各关节软骨中均可见到血管活性肠肽阳性神经纤维,正常关节软骨中血管活性肠肽的表达明显高于骨关节炎关节软骨(P < 0.05)。且血管活性肠肽表达与软骨改良Mankin病理评分呈负相关(r=-0.896,P < 0.05)。说明血管活性肠肽低表达与关节软骨退变程度、骨关节炎病程进展有关,可能是关节软骨退变、骨关节炎发病的机制之一。     

关节软骨力学特征研究进展

骨关节炎(osteoarthritis OA)是一种以关节疼痛和僵硬为特征的慢性退行性关节疾患,好发于老年人群。OA发病缓慢,病程较长,早期临床表现和组织学改变均不明显,限制了疾病的早期诊断与治疗。关节软骨微观结构决定了软骨宏观力学特性。软骨微观结构具有区域差异性,导致软骨的力学性能也具有区域依赖性,从软骨浅表区到深区软骨抗负荷、抗形变能力逐渐增加。然而,在OA病程发展过程中,软骨微观构成改变导致OA软骨抗负荷、抗形变能力降低。通过检测关节软骨的微观构成可以推测软骨的力学特性,反之检测软骨的力学指标可以了解软骨早期的微观改变,从而有助于了解OA的病程发展,便于疾病的早期诊断。综述近年来关节软骨在正常和急慢性损伤状态下力学性能的相关研究文献,阐述软骨结构与力学性能之间的关系,为OA的病程发展、早期诊断与治疗提供进一步理论依据。     

lncRNA HOTAIR在白细胞介素1β介导骨关节炎中的作用机制

背景:目前已有研究将骨关节炎患者关节软骨及正常人关节软骨进行研究后发现,lncRNA HOTAIR较对照组明显上调,可能与骨关节炎的发生有一定关系.目的:探索lncRNA HOTAIR在白细胞介素1β介导的骨关节炎中的作用机制.方法:①临床样本分组:选取20例关节炎行全膝关节表面置换患者的内侧髁软骨作为骨关节炎组,选取...     

关节软骨生物力学与力学生物学 2022 年研究进展

关节软骨是动关节内骨表面具有弹性的负重结缔组织,能提供低磨损润滑、缓冲震荡、传递载荷等支撑作用,具有层级纤维复合结构和优异的力学性能。软骨内没有血管、神经和淋巴,代谢缓慢,损伤后难以实现自我修复。目前,高发的关节炎疾病仍是基础与临床研究的一大热点。关节软骨是力学敏感组织,力学环境影响着组织不同方向的发展。2022年,学者们继续对关节软骨的生物力学与力学生物学开展大量研究;对软骨形态、功能与力学状态,以及不同条件下软骨力学状态的研究报道较多;研究设计了一些软骨相关的动物、组织及细胞水平的加载装置,也开展了体外及在体力学载荷下软骨退变、损伤的修复研究,获得了重要的修复方法及手段。关节软骨的生物力学与力学生物学研究是关节炎、软骨缺损及修复的基础,关节软骨损伤修复定量力学条件的影响还需体内和体外深入研究。     

以关节不稳建立的大鼠骨关节炎模型

背景：骨性关节炎是一种复杂的多病因退变性关节疾病。早期进行骨性关节炎的防治尤其重要。但获取足量的适合研究的早期骨性关节炎的人类骨标本十分困难。 目的：观察关节不稳方法建立骨关节炎模型大鼠的关节软骨组织学变化。 方法：10周龄雄性SD大鼠随机分为2组：实验组切除右膝内侧半月板及内侧副韧带,对照组仅切开关节囊。于术后1,2,4,6,8周取右膝关节标本,行病理组织学检查分析大鼠骨关节炎病程的变化情况。 结果与结论：①术后2,4,6,8周,实验组关节软骨退变程度呈现轻度糜烂、溃疡磨损、严重磨损、骨赘形成等病理变化。②术后1,2,4,6,8周,实验组关节软骨评分均明显高于对照组(P < 0.05)。结果显示该实验采用内侧副韧带切断+内侧半月板切除方法成功建立了大鼠膝关节骨关节炎模型,且造模后4周内的病理、形态学改变类似于人类早期膝关节骨关节炎表现,是研究早期骨关节炎的理想模型。     

医用臭氧对骨关节炎关节软骨作用的病理-磁共振成像实验研究

目的 通过病理-磁共振成像(MRI)对照研究,评价医用臭氧对骨关节炎动物模型的关节软骨的修复作用.方法 新西兰大白兔36只,分为正常对照组、模型对照组、10mg/L臭氧关节腔内注射组、30mg/L臭氧关节腔内注射组、10mg/L臭氧自血回输组、30mg/L臭氧自血回输组,每组6只兔.采用Ⅱ型胶原蛋白酶关节腔内注射法诱导骨关节炎模型,造模4周后进行臭氧干预.比较各组关节软骨的MRI表现,测量其关节软骨的平均厚度及信号强度,与病理学改变对照分析,并对MRI表现与Mankin评分进行直线相关及回归分析.结果 模型对照组、各臭氧干预组的膝关节软骨平均厚度及信号强度较正常对照组变薄和降低(均P<0.05).病理结果显示关节软骨表面粗糙,裂隙形成并基质失染,模型对照及臭氧干预各组的Mankin评分均高于正常对照组(均P<0.05),而模型组与各臭氧干预组间的关节软骨平均厚度、信号强度及Mankin评分差异均无统计学意义(均P>0.05).关节软骨平均厚度与信号强度呈正的直线相关(r=0.561,P=0.000);关节软骨平均厚度及信号强度与Mankin评分呈负的直线相关(r=-0.727、-0.590,均P=0.000);关节软骨平均厚度与Mankin评分存在线性回归关系(Y=18.582-0.035X,R~2=0.528).结论 关节软骨损伤的MRI表现与病理有较好的相关性,中低浓度的医用臭氧经关节腔内注射及自血回输对骨关节炎动物模型的关节软骨可能均无修复作用.     

间充质干细胞治疗骨关节炎的临床研究进展

骨关节炎(OA)是一种进展性疾病,表现为软骨缺损、滑膜炎症、软骨下骨硬化及骨赘形成,关节表面软骨再生能力弱,无法实现自我修复.骨关节炎患者的主要临床表现为疼痛和关节活动受限,肢体功能和生活质量受影响.理想的治疗方案应缓解疼痛、促进软骨修复,以延缓或阻止病程进展.间充质干细胞(MSCs)在治疗骨关节炎方面具备以上优势且无...     

高脂饮食兔膝关节软骨的变化CSCD

背景:血清胆固醇水平增高与人群中骨关节病发病率增高呈正相关,而对于高脂饮食是否参与关节软骨退变过程从而诱发骨关节炎,目前尚不清楚。目的:观察经高脂喂养后新西兰兔膝关节软骨形态学改变,探索饮食在关节软骨退变过程中的作用。方法:将新西兰兔40只随机分为2组:对照组饲以基础饲料,高脂组饲以高脂饲料(20%猪油混合80%的基础饲料)。每4周末抽取空腹血样,测三酰甘油、总胆固醇水平。饲养28周后,取兔膝关节行大体观察后,取股骨髁部软骨行扫描电镜观察。结果与结论:与对照组相比,高脂组血清三酰甘油、总胆固醇水平均显著升高(P<0.05)。扫描电镜观察发现,高脂组髁软骨表面粗糙,陷凹变浅,排列杂乱,形态不规则,大小不均,软骨表面呈局灶性剥脱改变,排列变得不规整,孔隙不均匀,软骨表面出现断裂空洞。进一步放大倍数观察可见软骨表面小山峰样结构变浅、变平,孔隙基本消失。结果证实,长期高脂饮食可诱发和加重软骨损伤,提示其可能参与了骨关节炎的发生发展。     

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。     

木瓜蛋白酶诱导大鼠膝早期骨关节炎软骨表面的电镜扫描

背景：木瓜蛋白酶注射建立骨性关节炎动物模型是用于骨关节炎防治研究的常用方法之一。 目的：观察木瓜蛋白酶和L-半胱氨酸混合注射诱导大鼠膝早期骨关节炎进程中扫描电镜下软骨表面形态学变化。 方法：2%木瓜蛋白酶和0.03 mol/L左旋半胱氨酸按2∶1比例混匀,取0.15 mL注射至SD大鼠右膝关节腔诱导骨关节炎模型,左膝注射等量生理盐水为对照组,另取2只4膝不做处理为正常对照组,于注射后第2,4,6周后分别使用扫描电镜观察股骨内侧髁关节软骨表面形态学变化。 结果与结论：正常和对照组可见表面分布较均匀的浅坑。木瓜蛋白酶和L-半胱氨酸混合注射2周后大鼠软骨表面出现凹凸不平,皱缩扭曲变形;4周表面变薄,局部出现小裂纹;6周出现深大裂纹,软骨缺损。提示2%木瓜蛋白酶和0.03 mol/L左旋半胱氨酸混合注射诱导的早期骨关节炎模型的时间节点可以定在4-6周。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程全文链接：     

CT增强软骨成像技术的研究进展

骨性关节炎(osteoarthritis,OA)发病率高,致残率高,造成社会经济负担重.骨性关节炎晚期的病变不可逆转,其早期主要表现为关节软骨糖胺聚糖(glycosaminoglycan,GAG)含量的丢失,而这个阶段的病理过程是可逆的.因此,无创监测关节软骨GAG含量的变化成为早期诊断及治疗骨关节炎的重要手段.CT增强软骨成像技术(contrastenhanced computed tomography,CECT)是一种新兴的检测关节软骨GAG含量变化的影像诊断技术.本文就CECT软骨成像技术定量检测关节软骨GAG含量的研究进展做一综述.     

瘦素对骨关节炎大鼠关节软骨IGF-Ⅰ表达的影响

目的探讨瘦素(Leptin)对骨关节炎模型大鼠膝关节软骨的外周作用。方法在膝关节骨关节炎模型大鼠的关节腔内注射100 gLeptin后,取胫骨平台,分别用RT-PCR法及免疫组织化学法检测胫骨平台软骨中Leptin及胰岛素样生长因子Ⅰ(IGF-Ⅰ)的变化。结果骨关节炎关节软骨Leptin、IGF-Ⅰ的表达明显高于正常关节软骨;Leptin并不能增加或减少骨关节炎晚期关节软骨IGF-Ⅰ的表达。结论 Leptin是软骨细胞代谢过程中重要的外周调控因子,但对骨关节炎晚期关节软骨保护作用不明显。