滚压载荷下软骨传质行为的研究

发布时间：2017-06-02 07:03

  本文关键词：滚压载荷下软骨传质行为的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：关节软骨是一种白色致密的结缔组织,在关节内部覆盖骨关节末端,内部无神经、无血管、无淋巴,其营养成分的取得以及代谢废物的排出大都需要外部力学环境,通过改变传输过程来改变软骨细胞的生物活性,特别是对于因伤或者疾病造成软骨的缺损,采用外部载荷可以改变组织的生物代谢过程,加速软骨修复。本文根据膝关节的运动特点,提出一种滚压加载方式,从实验和有限元数值模拟两个方面研究关节软骨内溶质的传递行为。实验使用异硫氰酸荧光素 右旋糖酐(4k Da)和四甲基异硫氰酸罗丹明 右旋糖酐(0.43k Da)的示踪剂溶液对新鲜成年猪关节软骨进行标记,采用荧光显微镜成像方法,分别测量滚压载荷作用和静置状态下软骨内溶质荧光强度随时间和软骨层位置的变化,计算得到相应的相对浓度分布和溶质扩散系数的变化规律。结果表明:与静置放置的样本相比,滚压载荷作用下,关节软骨内溶质相对浓度和扩散系数明显增加,尤其是中间层和深层的相对浓度和扩散系数明显增加,而浅表层的扩散系数没有显著变化;滚压初期,浅表层的相对浓度及深层的扩散系数增加明显,随着滚压次数的增加,中层和深层相对浓度增加明显,中层扩散系数增加明显;小分子量溶质较大分子量溶质更容易扩散。因此,滚压载荷可以促进关节软骨的溶质传递,提高溶质的扩散系数。数值模拟使用ANSYS软件建立二维有限元模型,讨论了滚压载荷下软骨应力场和浓度场分布情况,并得到了浓度随时间、软骨深度的变化曲线;分别探究不同滚压速率、摩擦系数和压缩量下溶质浓度与时间及软骨深度的关系。结果表明,压缩量对传质的影响明显,特别是软骨的中层和深层尤为显著,而滚压速率和摩擦系数对传质影响不明显。滚压载荷可为临床修复受损软骨和组织工程提供一种重要而崭新的方法。
【关键词】：关节软骨 滚压载荷 浓度 扩散系数 有限元 数值模拟
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R68;R318.01
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 引言10
• 1.2 关节软骨研究现状10-13
• 1.3 目前研究存在的问题13-14
• 第二章 关节软骨基础及性质14-19
• 2.1 软骨的组成、结构和功能14-17
• 2.2 关节软骨的扩散17-19
• 第三章 滚压载荷下关节软骨溶质传递的实验研究19-31
• 3.1 材料与实验方法19-22
• 3.1.1 材料19-20
• 3.1.2 实验装置20-21
• 3.1.3 实验原理21
• 3.1.4 实验描述21-22
• 3.2 结果22-29
• 3.2.1 异硫氰酸荧光素 右旋糖酐做为示踪剂实验22-26
• 3.2.2 四甲基异硫氰酸罗丹明 右旋糖酐做为示踪剂实验26-29
• 3.3 实验结论29-30
• 3.4 本章小结30-31
• 第四章 溶质传递行为的理论依据31-38
• 4.1 传热和传质的基本原理及其关系31-34
• 4.1.1 传热微分方程31-32
• 4.1.2 传质微分方程32-33
• 4.1.3 传热微分方程与传质微分方程的关系33-34
• 4.2 热传导问题的有限元的一般形式34-36
• 4.2.1 稳态热传导问题的变分原理及其有限元离散34-35
• 4.2.2 瞬态热传导有限元的一般格式及其有限元离散35-36
• 4.3 ANSYS概述36-38
• 第五章 滚压载荷下关节软骨溶质传递行为的有限元仿真38-48
• 5.1 膝关节的力学环境38
• 5.2 有限元模型的建立及其边界条件38-39
• 5.3 软骨传质过程的有限元仿真39-43
• 5.4 参数对传质的影响43-47
• 5.4.1 滚压速率对溶质传递的影响43-44
• 5.4.2 摩擦系数对溶质传递的影响44
• 5.4.3 压缩量对溶质传递的影响44-47
• 5.5 实验结果与仿真结果的比较47
• 5.6 本章小结47-48
• 第六章 总结与展望48-50
• 6.1 论文取得的主要成果48-49
• 6.2 进一步研究展望49-50
• 参考文献50-54
• 发表论文和科研情况说明54-55
• 致谢55-56

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