人股骨头软骨生物力学性能实验研究

本文报道了对人股骨头软骨试样进行单向拉伸和蠕变力学性能实验结果。测定了关节软骨伸长比λ,拉格朗日应变γ,拉格朗日应力δ,以及基尔霍夫应力S。还测定了关节软骨应变和时间相关的不同效应。     

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。     

Ⅱ型胶原-丝素蛋白-透明质酸复合支架的制备及力学性能检测北大核心

背景:Ⅱ型胶原、丝素蛋白和透明质酸3种天然生物可降解材料能够为细胞提供理想的微环境,已成为理想的软骨修复支架材料。目的:将Ⅱ型胶原、丝素蛋白和透明质酸3种材料制备成软骨组织工程支架,评价其理化性质及生物力学性能。方法:采用低温3D打印技术制备Ⅱ型胶原-丝素蛋白-透明质酸复合支架,检测其微观结构、孔隙率与吸水膨胀率。采用不同的应变率对该复合支架进行压缩实验,考察支架的率相关性能;在该复合支架表面施加恒定的应力水平或恒定的应变,保持3600 s,观察其蠕变应变变化及应力松弛行为。结果与结论:①Ⅱ型胶原-丝素蛋白-透明质酸复合支架呈三维多孔结构,孔径大小一致,相通性好,孔隙率为(85.1±1.6)%,吸水膨胀率为(1071.7±131.6)%;②在不同的应变率作用下,软骨支架的压缩应力-应变曲线不重合,说明软骨支架的压缩力学性能具有率相关性;随着应变率的增加,复合支架的杨氏模量增加;③当应力水平恒定时,复合支架的蠕变应变呈现先快速增加后缓慢增加的趋势,当应力水平增加时蠕变应变也增加;④当压缩应变恒定时,支架的应力随着松弛时间先快速降低后缓慢降低,随着压缩应变的增大,不同时刻的应力都增大;⑤力学性能实验表明,制备的Ⅱ型胶原-丝素蛋白-透明质酸软骨支架力学性能特征与宿主软骨组织相似,都是非线性黏弹性材料。     

单轴压缩下松质骨的应力率和蠕变性能北大核心

背景:松质骨是一种多孔、非均质、各向异性和具有黏弹性的结构,是骨的重要组成部分。它在负载传输和能量吸收方面起着十分重要的作用。所以对松质骨的力学行为进行研究具有重要意义。目的:探讨单轴压缩实验中应力率对松质骨性能的影响以及不同应力值下松质骨的蠕变行为。方法:以新鲜的猪股骨松质骨为实验材料,施加不同的应力率,至试样的压缩应变达到5%卸载;在松质骨表面施加恒定的应力水平,并保持7 200 s,以便观察其蠕变应变变化。结果与结论:(1)单轴压缩实验中,在同一应变条件下,随着应力率的增加,应力值、杨氏模量也增加;(2)在不同的加载率作用下,松质骨的压缩应力-应变曲线不重合,说明松质骨的压缩力学性能具有率相关性;(3)在蠕变实验中,蠕变应变随着压缩的应力的增加而增加,蠕变柔量随着应力的增加反而减少;(4)轴压缩和蠕变实验结果说明,应力率和恒定应力水平对松质骨的力学性能影响很大,以上结果可以为如何避免松质骨损伤提供参考依据。     

髌骨软骨拉伸应力松弛蠕变实验研究

目的　研究正常国人 8具新鲜尸体髌骨软骨的力学性质 ,为临床提供生物力学参数。方法　对正常国人新鲜尸体髌骨软骨一维拉伸力学性能和拉伸应力松弛、蠕变粘弹性力学性质进行实验研究。结果　获得了髌骨软骨一维拉伸的破坏载荷、伸长比、张应力、张应变等测试结果 ,以多项式用最小二乘法对拉伸实验数据进行拟合 ,得出了半月板的应力 -应变关系表达式和应力 -应变曲线。还得出了应力松弛、蠕变数据、曲线和归一化应力松弛函数、归一化蠕变函数数据、曲线。对实验数据以最小二乘法进行处理 ,得出了G(t)表达式 ,根据准线性理论得出了半月板的松弛函数K(λ、t)=G(t)T(e) (λ)的表达式。结论　髌骨软骨单向拉伸最大载荷为 3 8.5 4± 4.1 8N ,伸长比为 1 .3 1 2± 0 .0 1 8,张应力为 6.65± 0 .83MPa ,应变为 3 4.0± 3 .6%。应力松弛曲线是以对数关系变化的 ,蠕变曲线是以指数关系变化的     

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。     

老年人髋关节软骨负重区和非负重区的拉伸力学性能研究

目的研究髋关节负重对髋关节软骨拉伸力学特性的影响。方法取11例股骨颈骨折（头颈型）病人（男性4例．女性7例,年龄70～85岁）的正常新鲜髋关节软骨负重区和非负重区．做哑铃型试件共22个。用Bose Endura TEC3270动态生物力学测试机进行一维拉伸试验,测定髋关节的破坏载荷、伸长比、Lagrange拉应力、Cauchy拉应变,做应力-应变曲线,比较两区的力学特性。结果软骨的应力-应变曲线呈现非线性指数曲线关系。负重区的拉伸性能破坏载荷38．183N．伸长比1．166,应力5．968MPa,应变17．888％;非负重区拉伸性能破坏载荷25．565N,伸长比1．148,应力4．379MPa,应变15．970％。两区比较．差异有统计学意义。结论髋关节关节软骨负重区优于非负重区拉伸力学性能。     

两种人造心血管生物力学性能的比较

目的对法国产InterGard针织人造心血管和苏州产机织人造心血管这两种人造心血管试样的力学性能进行测试,为人造血管的研制及临床应用提供参考。方法对两种人造心血管试样分别进行拉伸强度、应力应变、应力松弛以及蠕变的力学性能测试,并对结果进行统计分析处理。结果法国产InterGard针织人造心血管的力学性能优于苏州产机织人造心血管的力学性能结论人造心血管的力学性能主要取决于它所用的材料、结构等因素。     

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。     

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,     

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。     

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。     

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     

Effects of Creep and Cyclic Loading on the Mechanical Properties and Failure of Human Achilles Tendons

The Achilles tendon is one of the most frequently injured tendons in humans, and yet the mechanisms underlying its injury are not well understood. This study examines the ex vivo mechanical behavior of excised human Achilles tendons to elucidate the relationships between mechanical loading and Achilles tendon injury. Eighteen tendons underwent creep testing at constant stresses from 35 to 75 MPa. Another 25 tendons underwent sinusoidal cyclic loading at 1 Hz between a minimum stress of 10 MPa and maximum stresses of 30–80 MPa. For the creep specimens, there was no significant relationship between applied stress and time to failure, but time to failure decreased exponentially with increasing initial strain (strain when target stress is first reached) and decreasing failure strain. For the cyclically loaded specimens, secant modulus decreased and cyclic energy dissipation increased over time. Time and cycles to failure decreased exponentially with increasing applied stress, increasing initial strain (peak strain from first loading cycle), and decreasing failure strain. For both creep and cyclic loading, initial strain was the best predictor of time or cycles to failure, supporting the hypothesis that strain is the primary mechanical parameter governing tendon damage accumulation and injury. The cyclically loaded specimens failed faster than would be expected if only time-dependent damage occurred, suggesting that repetitive loading also contributes to Achilles tendon injuries. © 2003 Biomedical Engineering Society. PAC2003: 8719Rr     

Fluid flow increases type II collagen deposition and tensile mechanical properties in bioreactor-grown tissue-engineered cartilage

A novel parallel-plate bioreactor has been designed to apply a consistent level of fluid flow-induced shear stress to tissue-engineered articular cartilage in order to improve the matrix composition and mechanical properties and more nearly approximate to that of native tissue. Primary bovine articular chondrocytes were seeded into the bioreactor at high densities (1.7 x 10(6) cell/cm2) without a scaffold and cultured for two weeks under static, no-flow conditions. A mean fluid flow-induced shear stress of 1 dyne/cm2 was then applied continuously for 3 days. The application of flow produced constructs with significantly (p < 0.05) higher amounts of total collagen (via hydroxyproline) and specifically type II collagen (via ELISA) (25.3 +/- 2.5% and 22.1 +/- 4.7% of native tissue, respectively) compared to static controls (22.4 +/- 1.7% and 9.5 +/- 2.3%, respectively). Concurrently, the tensile Young's modulus and ultimate strength were significantly increased in flow samples (2.28 +/- 0.19 MPa and 0.81 +/- 0.07 MPa, respectively) compared to static controls (1.55 +/- 0.10 MPa and 0.62 +/- 0.05 MPa, respectively). This study suggests that flow-induced shear stresses and/or enhanced mass transport associated with the hydrodynamic environment of our novel bioreactor may be an effective functional tissue-engineering strategy for improving matrix composition and mechanical properties in vitro.     

运动性关节软骨损伤修复材料的选择及其生物力学特征

背景：关节软骨是无血管、淋巴管和神经的组织,通常情况下软骨细胞不能进行有丝分裂,这导致自身修复能力有限。生理负荷下,关节软骨经常处在应力环境中。根据软骨自身的结构和特点,作为人工软骨的替代材料应具有良好的生物力学性能。 目的：总结运动性关节软骨损伤修复材料的应用进展及其生物替代材料的生物力学特征。 方法：以“关节软骨,生物材料,生物力学”为中文关键词,以“ tissue enginneering, articular cartilage, scaffold material, biomechanics” 为英文关键词,采用计算机检索中国期刊全文数据库、PubMed数据库1993-01/2010-10相关文章。纳入与运动有关的关节软骨损伤修复、目前常用于修复关节软骨损伤的生物材料以及生物替代材料的生物力学特征研究文章;排除重复研究或Meta分析类文章。以20篇文献为主重点对运动性关节软骨缺损修复材料的生物力学特征进行讨论。 结果与结论：关节软骨是一种各向异性、非均质、具有黏弹性并充满液体的可渗透物质,具有独特的力学性能。损伤的关节软骨在生物力学方面均与原来的软骨不同,且极易退变。骨软骨柱移植力学性能近期效果最佳;脱细胞软骨基质、小肠黏膜下基质具有一定的力学强度;普通聚乙烯醇水凝胶的最大缺陷是力学性能的不足;聚乙烯醇材料其良好的柔韧性和高弹性能,具有与人关节软骨相似的力学性能;n-HA浆料与聚酰胺66在溶剂中复合,无论在力学性能还是化学组成上都与自然骨相似。提示在众多关节软骨替代材料中,无论是人工合成材料、天然材料、复合材料其生物力学性能各有不同,且目前还无法再造与天然生成的软骨具有相同力学性能的软骨组织。      

The stress-structure relationship in articular cartilage

The results of a theoretical analysis of the stress distribution in load-bearing articular cartilage are presented in a graphical form. They are used to examine the theory which presumes collagenous fibres to be arranged in the most suitable position for supporting the tensile stresses set up in articular cartilage. This examination seems to indicate that the orientations of the superficial fibres follow the lines of the tensile stress trajectories very closely, whereas the suggested arrangement of the deeper fibres is generally inconsistent with mechanical conditions.     

Effects of the material properties of a focal knee articular prosthetic on the human knee joint using computational simulation

BackgroundLocalized cartilage defects are related to joint pain and reduced function to the development of osteoarthritis. The mechanical properties of the implant for treatment do influence its longevity. Therefore, we aimed to evaluate the effect of material properties' variations of anatomically shaped focal knee implants in the knee joint using numerical finite element analysis.MethodsComputational simulations were performed for different cases including an intact knee, a knee with a focal cartilage defect, and a knee fitted with a focal articular prosthetic having three distinct mechanical properties: cobalt–chromium, pyrolytic carbon, and polyethylene. Femoral cartilage, tibial cartilage, and menisci contact pressures were evaluated under the load. In addition, bone stress was evaluated to investigate the stress shielding effect.ResultsCompared with the intact model, the contact stress of the focal implant model was increased; on the femoral lateral cartilage by 14%, on medial and lateral tibial cartilages by nine percent and 10%, on medial and lateral menisci by 23% and 20%. In contrast, the focal implant model had no effect on the menisci but contact stress on the tibial cartilage increased compared with the intact model. The BioPoly model showed the lowest contact stress on femoral and tibial cartilages. Additionally, the cobalt–chromium model showed the lowest bone stress that improved the load-sharing effect.ConclusionsThe results suggested that implant material properties are an important parameter in the design of a focal implant. The polyethylene model potentially restored the intact knee contact mechanics and it reduced the risk of physiological damage to the articular cartilage.     

步态周期下半月板损伤对膝关节生物力学性能的影响

文题释义：半月板撕裂：膝关节内半月型纤维软骨破裂,撕裂原因主要是由于膝半屈或全屈位下的扭转力所造成。半月板分为内侧半月板和外侧半月板,内侧半月板较大且固定,外侧半月板较小,实验主要研究外侧半月板撕裂对力学机制的影响。 动态有限元分析：将人体正常完整步态周期作为边界条件施加在膝关节半月板模型中,观察在完整步态周期下半月板以及胫骨软骨的应力变化趋势及所受应力值大小。 背景：目前国内外对膝关节半月板的生物力学分析十分广泛,但大多集中于对膝关节屈曲运动状态下的研究,针对完整步态周期下膝关节半月板生物力学的有限元分析还不完善。 目的：通过对比外侧半月板撕裂模型与健康半月板模型,了解完整步态周期下半月板损伤后的生物力学变化机制。 方法：以健康成年人膝关节CT扫描数据为基础,建立包括胫-股骨、半月板、关节软骨在内的健康膝关节有限元模型,并在健康模型基础上进一步构建膝关节外侧半月板撕裂模型,探究在完整步态周期下膝关节外侧半月板撕裂的生物力学机制,并与健康膝模型进行对比。 结果与结论：①两种模型完整步态周期内的胫骨软骨瞬时应力变化趋势一致,但半月板撕裂模型中胫骨软骨在每一个瞬时受到的应力值均大于健康半月板模型,半月板撕裂模型与健康模型中胫骨软骨所受最大应力值分别为30,20.5 MPa;②两种模型完整步态周期内的半月板瞬时应力变化趋势是一致的,但撕裂模型中完整步态周期内半月板受到的应力均大于健康模型,半月板撕裂模型与健康模型中半月板所受最大应力值分别为69.8,41.3 MPa;③在步态周期的前60%,半月板撕裂模型中的胫骨软骨最大应力分布远大于健康模型,且随着步态周期的增长,接触范围逐渐向软骨外部边缘蔓延;在步态周期的60%以后,作用在胫骨软骨上的应力较小,最大应力的分布范围也比较小;④两种模型中健康内侧半月板应力分布基本一致,而撕裂的外侧半月板最大应力分布范围较健康内侧半月板广,在裂纹周围出现了较严重应力集中现象,且随着步态周期的进行,应力集中区域逐渐向裂纹靠近半月板前角处偏移;⑤结果表明半月板是人体膝关节中重要的承重部件,从生物力学角度可以较为直观地观察到半月板损伤对人体膝关节的危害。 ORCID: 0000-0002-2155-0058(吴铮) 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