缺损关节软骨力学性能的仿真与实验研究

发布时间：2020-03-27 00:07

【摘要】：膝关节软骨是人体重要的组织,在日常活动中使用频繁,承载大,损伤概率高。而由于关节软骨结构复杂,自我修复能力差,其修复治疗一直是一大难题,其中重要的原因便是软骨损伤后其力学性能发生了很大的改变。因此,深入研究缺损关节软骨的力学性能对于其修复治疗具有重要意义。本文从实验研究和数值模拟两个方面对缺损关节软骨的力学行为进行了分析研究,获得了缺损软骨力学性能的变化规律,为关节软骨类疾病的病理研究和修复提供了一定的参考依据。本文对压缩载荷下缺损关节软骨的蠕变行为进行实验研究。实验采用数字图像相关技术,对采集的图片进行应变场分析,获得恒定载荷下缺损关节软骨损伤周围各层区的蠕变变化规律。研究发现:损伤的存在影响软骨缺损周围的蠕变性能。在恒定应力下,各层区的蠕变应变值随着时间的增加而逐渐增大,应变变化率随着时间的增加逐渐减小,直到趋于平缓;随着软骨缺损深度的增加,软骨缺损周围各层区的蠕变应变值增大;缺损底角处的蠕变应变值大于缺损底部中间的蠕变应变值。本文运用ABAQUS软件建立带微缺损的纤维增强多孔粘弹性二维数值模型,模型考虑了纤维分布、孔隙率和渗透率随软骨深度的变化关系,将数值计算结果与实验获得蠕变曲线对比,发现两者趋势一致,从而证明了数值计算模型的有效性。在模型的基础上分析了滚压载荷下初始缺损形状对软骨损伤演化规律的影响,初始形状分别设置为矩形截面,100°梯形截面,80°梯形截面和半圆形截面。研究发现:无论哪种初始缺口形状,软骨的损伤演化轨迹路径是相似的,从缺口底角开始,优先沿纤维切向方向向深层扩展,扩展到一定深度,沿相邻纤维切向方向向上扩展,最后在载荷的作用下产生软骨碎块;缺口形状只影响软骨损伤演化的初期阶段,在损伤演化的中后期阶段影响很小;从最大剪切应变值、间质流速和间质液压方面分析,其数值随软骨损伤的加剧而波动下降,带矩形截面缺口的软骨的间质液压大于带其他截面形状的软骨,应力、应变值和间质流速小于带其他截面形状的软骨,所以建议修复时采用圆柱形缺口形状。模拟中还发现,软骨碎块随着初始缺损深度的增加而增大,表层和中层缺损时,软骨的力学性能分布趋于一致,深层缺损时有很大不同。其次以带矩形截面缺损的软骨为例,分析了缺损软骨在压缩载荷下流体场的变化规律。研究发现:在线性加载阶段,关节软骨的间质液压和间质流速整体随着载荷的增加而逐渐增大,在恒定加载阶段,关节软骨的间质液压和间质流速整体随着时间的增加逐渐减小;软骨缺损周围的间质流速始终大于未损伤的部分,并且软骨缺损部位的间质液以两侧底角处的应力集中区为中心向四周流动,其中向软骨表面和损伤中心区域的间质流动最为明显。经本文研究,当关节软骨发生损伤时,能够通过调节固相和液相力学性能的方式,以达到自我保护和延缓损伤加剧的作用。
【图文】：

压缩量,软骨,应变场,试件

等人结合视频显微镜、优化的数字图像相关技术以及广义交叉验证技术开发了一种用于测量二维应变场的自动化方法，，并通过此方法研究了非围限压缩条件下未成年牛腕掌处关节软骨的二维应变场分布规律，如图1-1所示。通过分析该二维应变场发现：关节软骨的弹性模量和泊松比从软骨表面向下逐渐增大；当软骨内部承受的压缩应变增加时，关节软骨的泊松比反而逐渐减小，当压缩应变增加到25%时，关节软骨表面的泊松比甚至降低到了0.01。图 1-1 不同压缩量下软骨试件的应变场分布（5%、10%和 15%压缩量）Meder[12]等人利用磁共振显微成像仪观察并记录了正常软骨和损伤软骨（使用酶降解形成）间质液扩散方向和幅度的差别，观察发现：两者间质液扩散的最大值和平均值均沿着深度降低，分别从1.95×10-9减小到1.80×10-9m2s-1，1.08×10-9减小到0.79×10-9m2s-1；两者间质液最大扩散速率对应的扩散方向也有很大的变化，扩散方向沿着宏观纤维的方向变化；软骨在使用胰蛋白酶去除蛋白聚糖后间质液的扩散幅度增加10-15％，而扩散方向不会发生变化。

压缩载荷,软骨,关节软骨

损伤软骨在压缩载荷下，裂纹会进一步向深层延伸，并且由于拱形胶原纤维的导向作用，裂纹的延伸方向会发生偏离；持续不断的加载会使软骨的损伤演化进程加速，使裂纹进一步向深处延伸，如图1-3所示。图 1-3 压缩载荷下裂纹扩展图刘志动[15]等人采用新鲜猪股骨远端的关节软骨作为实验对象，在数字图像相关技术的基础上对压缩载荷下关节软骨的蠕变力学行为进行了相关的实验研究，如图 1-4 所示.研究发现：恒定载荷作用下，关节软骨的蠕变幅度随着软骨深度的增加却在逐渐减小；相同载荷作用下，软骨整体的蠕变幅度随着加载速率的加快却在逐渐减小；压缩载荷下
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.9;R684.3

【参考文献】