滚压载荷下软骨传质行为的研究

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1、中图分类号TH122Q66论文编号1006015-Q078学科分类号460.2010密级.TIANJINUNIVERSITYOFTECHNOLOGY工程硕士学位论文.DISSERTATION滚压载荷下软骨传质行为的研究StudyofTransportBehaviorforCartilageunderRolling-CompressingLoad二o—五年月天津理工大学研究生部牡创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宂工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发农或撰写过的研究成见，也不

2、包含为获得天津理工大学或其他教育DL构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者答名：多答孛《期：年3月丨/«学位论丈版权使用後权书本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：仏卷拾导师答名：答孛《期：o

3、^r年？月丨（0答孛q期：匆年彡月丨/ei分类号：TH122Q66密级：天津理工大学研究生学位论文滚压载荷下软骨传质行为的研究（申请硕士学位）学科专业：机械工程研究方向：机械设计及理论作者姓名：王龙韬指导教师：杨秀萍教授2015年1月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreeStudyofTransportBehaviorforCartilageunderRolling-CompressingLoadByLongtaoWangSupervisorXiu

4、pingYangJanuary,2015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（4kDa）和四甲基异硫氰酸罗丹明–右旋糖酐（0.43kDa）的示踪剂溶液对新鲜成年

5、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

6、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。关节软骨滚压载荷浓度扩散系数有限元数值模拟Articularcartilageiswhite,compactconnectivetissuethatcover

7、sthebonyarticulatingendsinsidethejoint,wherethereisnonerves,vessels,orlymph.Itreliesonexternalmechanicalenvironmenttoacquirenutritionalingredientanddischargemetabolicwaste,andchangeschondrocytebiologicalactivitiesthroughexternalloads,especiallytocartilagedefectcausedbyinju

8、riesordiseases,applyingexternalloadscanchangebiologicalmetabolicprocessintissue,andaccele