力学载荷促进软骨传质的仿真研究

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1、力学载荷促进软骨传质的仿真研究第一章绪论1.1研究软骨溶质扩散的目的和意义关节软骨是被覆在骨骼端部的一层特殊光亮结缔组织,如图1-1所示,具有多种多样无可替代的独特功能和作用[1]。关节软骨富有弹性,能通过自身的形变缓冲静态接触冲击,吸收动态载荷中的最大压力,传递载荷;耐磨光滑,并能在活动过程中润滑关节,使关节获得较高的效率并起到保护它的作用，延长其寿命。但是关节软骨是临床疾病多发部位，当某些原因比如关节损伤或疾病原因导致关节软骨发生缺损后,如图1-2所示，由于关节软骨自己恢复能力差,经常造成关节功

2、能障碍等疾病，从而影响人体的正常活动和生活[2]。故对软骨的研究成为了国内外的热门学科。由于关节软骨被视为一种三相材料模型，需要通过机-电-化耦合行为来描述各相相对运动的结果[3]，故对软骨生长发育的研究是由以上各方面因素综合影响的一个复杂问题。关节软骨由细胞外基质和软骨细胞组成。软骨细胞能够降解、分泌和调节基质;基质是关节软骨的重要物质基础,包括蛋白多糖、水、大分子胶原等。胶原是软骨组织的三维构架基础,关节软骨中胶原主要为Ⅱ型胶原,是软骨组织抵抗张力的基础[4]。蛋白多糖存在于关节软骨的胶原纤维框

3、架内,作为动力泵吸引阳离子,产生渗透压。蛋白多糖利用软骨表层聚集胶原纤维超滤膜吸收间隙中的水分并与水发生化学作用,使得关节软骨富有弹性,为软骨组织承受压力提供了基础。水是关节软骨中最富有的成分,它的分布在软骨中各向异性，软骨表面至深层含水量依次减少。在关节软骨浅表层中的水水平流动,受到硫酸软骨素的摩擦阻力,为组织提供了主要的承重作用。关节受到载荷作用时,水由细胞外基质渗透到软骨表面的关节腔,润滑关节表面[5]。关节软骨没有神经、淋巴和血管。1.2国内外研究现状近几年，越来越多的国内外学者从仿真和实验

4、两个方面来研究关节软骨传质。在仿真方面，大量学者着手理论知识研究，有的学者也运用已有的有限元软件来模拟软骨传质的过程。理论上假定软骨为各向同性均匀混合物，是不可压缩弹性固体，是包括离子（钠和氯），水以及中性溶质（葡萄糖和不带电的生长因子）的。在实验方面，早期的研究表明对离体软骨样本施加机械加载能够调节软骨的新陈代谢，也调节组织的生物合成反应。造成软骨细胞外基质传质特性的变化。为了进一步研究软骨组织传质规律和提取出传质过程中某些物质浓度的定量变化规律，先前的学者在不同的力载荷，不同压缩量等条件下对软骨

5、的传质规律进行了研究。常常采用的加载方式是压缩，其中包括静态压缩和动态压缩，先前学者也采用了其他的加载方式，例如离心、晃动、冲击等力学环境。Gu等[9]人提出的包含引起软骨化学膨胀的离子的三相理论，是最早使用于研究软骨膨胀机械行为的三维仿真模型并提出了软骨组织三相理论模型以及相应本构关系，他们使用三相理论来分析在压缩试验中，流体和离子传质，流动电势和软骨的变形间的耦合。HaiYao等人[10]建立包含不带电的溶质（比如葡萄糖和不带电的生长因子）的带电软组织的模型，使用有限元的方法来分析在动态的载荷（

6、5%的压缩量）作用下软骨样本内部的力学、化学、电子信号的传质。结果表明，当频率为0.1Hz，采用可渗透的滚筒加载时，滚筒与软骨接触区域附近的流体、离子和中性物质的流动速度加快，但软骨中间层的流体压力和电势能没有增加；固定电荷密度的增加使得软骨内流体、离子和中性物质的流动速度下降，但流体压力和电势能增加。YuanChen等人[11]应用三相有限元法去模拟关节软骨的膨胀和弯曲，结果表明，随着溶液浓度的增加，软骨的膨胀系数和截面面积变化率减小；与高浓度溶液下的结果相比较，低浓度时软骨弯曲程度更大。.第二章

7、关节软骨的结构组成和传质理论2.1关节软骨的结构和组成在活体内，根据不同类型的细胞外基质将软骨分为三种不同的软骨组织：弹性软骨,透明软骨和纤维软骨。同时，不同类型细胞外基质的分子结构和生化成分决定了不同种类的软骨具有迥然不同的生物力学特性。在这三种不同的软骨组织中，透明软骨最为常见。而研究最多并且也是最常见的透明软骨是关节软骨[21]。关节软骨呈乳白淡蓝色，表面光滑且半透明，有光泽。其结构特征如图2-1所示。关节软骨普遍被视为多相性的材料，包括：液相，固相和离子相[22]。其中液相和固相占主要部分，

8、离子相由溶解于间质溶液中的电解质（Na+,Ca2+，Cl-等）构成，这些电解质对理解和研究关节软骨的膨胀变形十分重要，须单独的将其视为一相。水和电解质组成了软骨的液相，关节软骨中最丰富的成分是水[23]，占68%-85%的比例，通常的，健康的软骨中大约30%的水位于胶原中的组织间隙[24]，并且对于正常的软骨，胶原中的组织间隙中的水含量不会随年龄而发生改变。位于组织间隙的水的流动是由周围蛋白多糖的固定电荷密度所产生的膨胀压调节的[25]。水分的含量的变化对软骨的机械、