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。     

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     

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,     

猪背部皮肤生物力学特性的循环实验研究

目的 对猪背部皮肤进行生物力学实验研究,评价其生物力学特性,为临床和皮类制品提供必要的理论基础。方法 通过对猪背部皮肤不同加载速率的单调拉伸实验和不同应力水平下的拉拉循环实验研究,讨论了猪皮变形行为与加载速率和加载方向间的关系以及猪皮的蠕变变形特征,重点突出了猪皮在拉拉循环时产生的轴向应变循环累积现象（即棘轮效应）及其与加载水平之间的依赖性。结论：猪皮在皮纹线方向上抵抗拉伸、蠕变和循环变形的能力强于垂直皮纹线方向;猪皮的蠕变曲线由减速阶段、稳定阶段和破坏阶段三阶段组成,并依赖于加载水平的大小;猪皮在非对称应力循环下体现出明显的棘轮效应,棘轮变形体现出显著的平均应力、应力幅值和加载速率效应。     

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。     

软骨组织无约束压缩的有限元分析

目的采用有限元仿真和实验对比分析关节软骨的承载机理和应力松弛效应。方法考虑关节软骨基质固相、孔隙液相和胶原纤维增强相,并综合考虑软骨分层结构以及关节软骨渗透率随固体基质膨胀率变化特性,建立关节软骨纤维增强多孔弹性有限元模型。基于该模型,应用ABAQUS软件和FORTRAN语言编程嵌套,对关节软骨无约束阶梯压缩进行有限元仿真。应用自行研制的生物力学性能测试系统,通过阶梯加载实验对生猪软骨有限元分析结果进行了实测对比。结果试件以0.45%/s应变速率阶梯加载时,在试件中心,液相可维持承载80 s左右,最大可承担近90%的总应力。结论基于纤维增强多孔弹性有限元模型的无约束阶梯压缩有限元分析可定量评价关节软骨的固、液两相承载能力随应变和时间的变化特性。结合软骨无约束压缩实验的仿真分析有助于更准确地评价软骨的力学性能。     

不同降解周期下Ⅱ型胶原-丝素蛋白复合软骨支架的应力松弛行为

目的 利用有限元分析与理论模型相结合的方法,研究软骨支架在不同降解周期下的应力松弛行为。方法 基于已建立的降解本构模型计算不同降解周期下支架弹性模量;建立软骨支架有限元模型,并进行应力松弛仿真,分析支架松弛应力随时间的变化。建立应力松弛本构模型,对支架力学性能进行预测。结果 软骨支架降解14、28、42、56 d时,弹性模量分别为32.35、31.12、29.91、28.74 kPa。软骨支架各层的应力分布表现为上层受力最大;支架整体松弛应力随着时间增加先快速下降,然后趋于平稳;降解56 d时,支架能承受的应力仍在软骨的生理载荷范围内。应力松弛本构模型预测结果与有限元模拟结果吻合较好。结论 随降解时间的增加,支架弹性模量逐渐减小。降解时间越长,支架能承受的应力越小。相同降解时间下,施加的压缩应变越大,支架受力越大。有限元仿真和应力松弛本构模型可以有效预测支架降解时的应力变化。     

腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型的建立与验证

目的建立腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型,通过生物力学实验进行有效性验证。方法利用临床1例腰椎椎弓峡部裂病例影像学资料,采用Simpleware建模软件分别模拟下腰椎骨性结构、椎间盘组织,并在Ansys软件附加腰椎相关韧带和关节囊,建立L5双侧椎弓峡部裂三维有限元模型,并通过体外力学实验结果验证模型有效性。结果重建模型构建了椎体皮质骨、松质骨、腰椎关节突关节、椎弓根、椎板、横突、棘突等骨性结构,还构建了纤维环、髓核、上下终板组织,并成功附加了前纵、后纵韧带、黄韧带、棘上、棘间韧带以及关节突的关节囊。模型共计有281261个节点和661150个单元。腰椎椎弓峡部裂重建成功。通过与体外生物力学在不同工况下L4下关节突、L5上、下关节突、S1上关节突应力/应变趋势以及L4下关节突内外侧力学应力/应变趋势比较,验证了模型的有效性。结论建立了下腰椎椎弓峡部裂的三维有限元模型,此模型可以用来进一步实施有关峡部裂治疗的力学研究。     

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。     

利用有限元分析技术探讨后踝骨折的治疗方案

目的通过踝关节三维有限元模型,研究静止站立位后踝骨折后胫距关节面的应力变化及位移趋势,为后踝骨折的治疗提供理论依据。方法以一套正常人体站立位踝关节CT图像为原始数据,应用有限元建模技术,建立带有关节软骨的踝关节三维有限元模型,对模型的有效性进行验证。通过对后踝关节面进行分区、切割,模拟计算后踝不同骨折范围条件下施加正常应力时的关节软骨接触面积、最大接触应力、平均接触应力、最大位移等参数。结果随着骨折范围的增加,胫骨软骨接触面积呈逐渐减小趋势,胫骨软骨的平均接触应力值逐渐增大,胫骨相对位移增加。胫距关节的应力区主要集中在踝穴的外侧及前外侧,当后踝骨折面积超过1／3时,关节负重区面积明显缩小,关节位移趋势增加。结论后踝骨折面积超过1／3时,关节接触面积明显减小,应力变化明显增加,关节位移趋势增加,预后不佳,具有手术复位固定的指征。     

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。     

Parametric analysis of the stress distribution on the articular cartilage and subchondral bone

Few studies have stressed on the sensitivity of stress distribution in different mechanical properties of the articular cartilage and subchondral bone. The purpose of this study was to establish parametric variations of mechanical factors individually and examine how these biomechanical effects influenced the cartilage and subchondral bone plate stress fields in the hip joint. A finite element model including acetabulum and proximal femur was established to study the stress change associated with the thinning of cartilage, the increasing of subchondral bone modulus and the thickening of subchondral bone plate individually. The stress distributions in bone/cartilage interface were evaluated. Sensitivity of the stress magnitudes to the parametric changes was also analyzed. The results indicated that cartilage thinning has more significant effect than subchondral bone modulus increasing or thickening on the shear stress levels in subchondral bone/cartilage interface. Subchondral bone plate modulus increasing has mild effect on the shear stress in subchondral bone/cartilage interface. Cartilage thinning acts as a major influence on the development of the articular cartilage damage.     

胫骨远端关节面缺损有限元模型的生物力学分析

背景：采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学研究得到了广泛应用,但是关于胫骨远端关节面缺损有限元分析,国内外少见关于此类的报道。 目的：建立踝关节的三维有限元模型,制作胫骨远端关节面不同面积的缺损,并模拟在不同位相下胫骨远端关节面发生形变、位移情况,预测胫骨远端关节面缺损的最大允许程度和探讨踝关节创伤性关节炎的力学发病机制。 方法：通过对1名正常成年男性踝关节的多排螺旋 CT扫描,获得连续断层图片,导入Mimics 医学建模软件生成实体模型后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS13.0进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型。约束边界条件,模拟踝关节远端轴向受力,得出在不同位相下胫骨远端关节面有限元模型上的应力分布与位移结果。 结果与结论：建立人体踝关节有限元模型总单元数为157 990,总节点数为193 801。3个位相,都是随着胫骨远端缺损面积的增大,接触面积逐渐减小,尤其是跖屈位在缺损直径13 mm的面积时,变化最为明显;3个位相的接触面积,在中立位接触面积最大;在中立位和背屈位都是随着胫骨远端关节面缺损面积的增大,应力峰值逐渐增大,都是在11-13 mm以后应力峰值明显增大;在中立位和背屈10°位,主要集中在后内和后外象限;在跖屈10°位,变化比较复杂,在11-13 mm,随着缺损面积的增大应力峰值变化明显增大,到13 mm应力峰值达到最大值。所以,胫骨远端关节面的最大缺损直径可认为是11-13 mm。胫骨远端关节软骨及骨床缺损直径超过11-13 mm的圆面积,关节功能将受到影响。     

膝关节股骨远端软骨硬化前后力学性能分析

目的建立膝关节有限元模型,研究正常及软骨硬化情况下膝关节的应力、应变变化,为临床治疗膝关节骨性关节炎提供参考。方法通过Mimics、ANSYS等软件结合正常膝关节CT扫描图像数据,建立膝关节三维有限元模型,并施加350 N压力载荷,设定软骨硬化前后相关的材料参数,分析膝关节主要组织的应力、应变改变情况。结果膝关节股骨远端软骨硬化后,关节软骨的减震和传递负荷等作用基本消失;股骨应力、应变变化量最大,受力分布极不均匀,股骨前端应力、应变较内、外侧髁明显,整体受力也有明显增加;半月板的应力、应变值最大。结论长期的软骨破坏会影响关节软骨营养代谢,导致骨性关节炎疾病进一步恶化。研究结果可以较好阐释骨性关节炎发病过程和机理,同时为建立参数化研究系统提供相关数据。