缺损关节软骨棘轮实验及冲击响应的数值研究

发布时间：2020-10-13 13:12

　　 膝关节软骨是覆盖于关节表面的重要组织,由于其承受载荷大且频繁,故很容易造成损伤。由于其结构的特殊性,难以在损伤后进行自我修复,对其进行有效的治疗已成为临床上亟待解决的难题,其中一项重要原因是软骨力学性能会在损伤后发生巨变。本文从循环加载和冲击加载两方面对缺损软骨的力学行为进行了研究,得到了其在多种载荷下的力学响应情况。从力学角度为软骨损伤机理的研究和缺损修复提供了一定的参考依据。本文对缺损软骨的棘轮行为进行了实验研究。该实验采用成年猪股骨远端关节软骨样本,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。实验发现: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值逐渐减小。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,浅层和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。本文运用ABAQUS软件建立不同缺损类型的二维骨—软骨模型,模型中考虑了材料参数、纤维分布状态随软骨深度的变化关系,缺口截面形状分别设置为矩形、100°梯形、80°梯形和半圆形。通过数值模拟与实验结果的对比,证明了该模型的有效性。在该模型的基础上采用动力学正弦曲线加载,研究了冲击载荷下初始缺损形状、缺口深度对软骨应力应变状况及损伤演化规律的影响。研究发现:在冲击加载下,软骨各层剪切应变随初始缺损深度的增加而急剧上升。但缺损深度对各层的主应变几乎无明显影响,这与循环载荷下的响应存在很大差异。缺损软骨不论其初始缺损形状如何,冲击时都会在缺口附近存在较大的应力集中,缺口下方靠近缺损边缘处应力集中最明显,而缺口正下方中央位置应力则很小,呈现两端高中间低的“U”型分布。在冲击作用下,基质与纤维损伤的基本表现类似,但纤维损伤比基质表现的稍有超前,其损伤演化与初始缺口形状有较大相关性。其中缺损截面为矩形和半圆形的表现为从缺口底角处先向下,到中层的中部时,缺口开始向左右两侧蔓延。而缺口截面为梯形的则主要向下延伸,直至软骨的深层区。经本文研究,不论在循环载荷还是冲击加载下,缺损软骨均与正常软骨在力学性能上存在较大差异。提醒人们更多关注软骨健康,并为损伤软骨的临床修复提供一定的参考依据。
【学位单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R684;R318.01
【部分图文】：

第一章 绪论与研究目的及意义位于长骨两端表面的重要受载组织，其外表面光滑、降低摩擦、帮助关节灵活运动[1,2]。它是人体“骨高频率的日常使用中容易受外伤、疲劳、环境因素素的影响而引起不同程度的损伤，软骨的损伤会极 1.1 所示，由于软骨自身结构特殊，周围组织环境伤的软骨输送营养物质，其一旦受损很难进行自我作为一个重要课题，但并未引起足够的关注，传统想。现阶段来看，一种比较理想的方案是采用与天将其移植到人体软骨缺损部位。采用该疗法需要关注属性等因素，这些都与软骨损伤区的力学状态紧密后力学性能是治疗软骨损伤疾病的必要基础。

1.2 国内外研究现状由于软骨独特的生物学和力学特性，其损伤破坏涉及到非常广泛的研究层面。软骨损伤问题多年来不仅受到了国内外学者的诸多关注，而且吸引了研究者们运用各种方法和先进技术对软骨的力学行为进行了较为深入的探索，并得到了大量的研究成果。以下将从实验研究和数值模拟两方面来进行介绍。1.2.1 实验研究对关节软骨力学性能的研究，早期主要采用拉伸和压缩两种实验方式来进行。拉伸实验是先将软骨切成便于夹持的形状，再结合夹具装置用力学试验机进行不同形式的拉伸加载;压缩实验主要包括三种类型：非围限压缩、围限压缩和压痕实验。具体看来，非围限压缩是指软骨轴向承载而径向不受约束;围限压缩是指软骨径向受约束固定，只在轴向施加载荷;压痕是指采用截面大小不同的压头对软骨局部进行压缩加载。图 1.2 所示为不同形式的压缩示意图[12，13]。

第一章 绪论随着科研技术与实验设备的迅猛发展，人们在软骨损伤领域的研究不断有新的突破。人们意识到软骨损伤实际上是初始时产生微裂纹，在软骨持续受载的情况下裂纹逐渐向周围和深层扩展直到引起肉眼可见的软骨裂隙或剥离。众多学者开始尝试结合微观图像采集装置对软骨样本进行试验，以探索细观层面上微小缺损对软骨宏观力学性能的影响。Kenneth 等[14]通过对带有下骨的牛软骨进行单轴压缩及松弛实验，结合数字图像技术观察到闭合型（底角 80°梯形缺口）与开放型（底角 100°梯形缺口）全层缺损的软骨样本的应变情况有较大差异，如图 1.3 所示。通过分析缺损周围附近处标记点的应变状态，证实了软骨的部分缺损会导致软骨更大范围、深层次的损伤，且闭合型缺口在载荷下损伤扩展的速率更快一些。
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本文编号：2839214