人体关节软骨不同层区力学行为的研究

研究人体关节软骨不同层区的微观结构和力学行为，总结软骨的力学性能规律，对于关节疾病防治、软骨缺损修复以及人工软骨材料和人工关节的研制等方面都具有重要的科学意义。首先，对健康人体关节软骨和关节病软骨在生理载荷（滚压、压缩和滑动载荷）作用下的微观结构变化和不同层区的力学行为进行了实验研究，获得软骨不同区域加载过程中的位移场、应变场的变化，推理其不同区层微观力学性能，并且对不同载荷作用下的微观结构与应变场的关系进行分析；其次，考虑软骨的粘弹性、非线性以及受载后不同层区的微观结构变化，建立了描述关节软骨力学行为的非线性粘弹性多层理论模型，并将其嵌入现行有限元商用软件中，对软骨的力学行为进行了预测，而且利用实验结果对其进行了验证；最后，通过比较关节软骨的宏观与微观力学行为，总结了软骨的力学性能规律。

压缩、滚压和滑动载荷是关节软骨生长、发育和维持正常生理功能合适的生理载荷，研究此载荷下软骨不同层区的力学行为，总结软骨的力学性能规律，对于关节疾病防治、软骨缺损修复以及人工软骨材料的研制等方面都具有重要的科学意义。采用非接触数字图像相关技术，对关节软骨进行了非围限压缩实验、连续滚压和滑动实验，获得了软骨不同层区的蠕变柔量、松弛模量、杨氏模量和泊松比等力学性能参数，发现关节软骨的压缩力学性能具有率相关性，随着应变率（或应力率）的增大，软骨不同层区的杨氏模量都增大；调查分析了压缩量、滚动（或滑动）速率及滚动（或滑动）次数对软骨不同层区位移场、应变场的影响，发现同一压缩量或恒定滚动（或滑动）速率下，软骨的法向应变沿其厚度方向不断减小，随着压缩量或滚动（或滑动）次数的增加，软骨的法向应变不断增大，而随着滚动（或滑动）速率的增加，不同标准化深度的法向应变值略微减小。基于两相理论，考虑软骨的非线性、粘弹性及各向异性特征，建立了描述软骨微观力学行为的松弛型本构模型和蠕变型本构模型；采用所建模型对不同层区的松弛模量、蠕变柔量、杨氏模量及应力应变曲线等进行了预测，并将预测结果与实验结果进行了比较，发现二者吻合良好。采用ABAQUS有限元软件，建立了非围限压缩载荷、滑动载荷和滚压载荷作用下软骨的几何模型，调查分析了加载速率和压缩量对软骨不同层区的应变、应力、孔隙压力及液相流动速度的影响，进一步描述了不同力学刺激下软骨在正常生理过程中的力学性能。研究结果可以为临床软骨类疾病的治疗提供一定的依据。