过载条件下软骨及软骨下骨退变的生物力学机制研究

The occurrence and development of osteoarthritis are characterized by deterioration of cartilage and subchondral bone. Biomechanical mechanism of degeneration on cartilage and subchondral bone during overloading should be studied in depth, which may provide great significance on prevention and treatment of osteoarthritis. In this project animal experiment and computational simulation will be combined to quantify the condition of overloading. Degenerative pattern of cartilage and subchondral bone will be studied by animal experiment under limb dynamic overloading, and macro-micro-nano level mechanical properties, material properties and morphological characteristics of cartilage and subchondral bone during overloading will be determined. Remodeling and damage processes of subchondral bone during overloading will be simulated. The parameters at different levels will be analyzed in details for understanding the relationship between degenerations of cartilage and subchondral bone. Then, degenerative patterns of cartilage and subchondral bone, as well as the mechanical response of subchondral bone will be evaluated to clarify the biomechanical mechanism of cartilage and subchondral bone degenerations during overloading. This project provides theoretical basis for clinical treatment of osteoarthritis, which has great application prospects and social significance.

软骨和软骨下骨退变是骨关节炎发生、发展的显著特征。深入研究过载条件下软骨和软骨下骨退变的生物力学机制，对推进临床骨关节炎的预防和治疗具有重要意义。本研究拟将动物实验和计算机仿真相结合，定量描述过载条件；通过局部动态过载动物实验，对过载条件下软骨和软骨下骨的退变过程展开研究，从宏观-细观-微纳观多尺度描述过载对软骨和软骨下骨力学性能、材料分布、形态特征等的影响；利用计算机仿真，模拟过载条件下软骨下骨的重建和损伤过程；构建不同尺度参数之间的相关性，获得过载条件下软骨与软骨下骨退变的关系；最后，通过对过载诱发软骨和软骨下骨退变模式以及软骨下骨的力学激励响应过程的评价，明确过载条件下软骨及软骨下骨退变的生物力学机制。本项目可为骨关节炎的临床治疗提供理论基础，具备重要的应用前景和社会意义。

研究过载条件下软骨和软骨下骨退变的生物力学机制，对推进临床骨关节炎的预防和治疗具有重要意义。本项目自行搭建了用于大鼠单肢体局部动态加载设备，该设备加载波形、频率可调，能够为实验动物提供稳定加载。在胫骨表面同时粘贴单向应变片和三向应变花，利用电测技术，系统地获得了不同峰值载荷动态加载下大鼠胫骨的载荷-应变关系；利用基于Micro-CT扫描显微有限元方法，量化了动态加载条件下大鼠胫骨整体力学环境，其结果发现胫骨的Von Mises应力最大值、最小值都出现在胫骨中段附近位置，胫骨最大（最小）主应变大小沿长轴符合“降-升-降”（“升-降-升”）型变化规律，最小主应变的最小值出现在距近端40%处，最大Von Mises应力发生在胫腓骨交界处下方外侧。通过大鼠单肢体动态加载实验，对大鼠软骨和软骨下骨在不同峰值载荷下的力学性能、形态等进行了宏观-细观-微纳观的多尺度检测，获得了动态加载条件下骨和软骨损伤的过程，其结果可见：中低强度的力学加载能够显著改善软骨下骨力学性能和微观结构形态且不会对软骨造成损伤；然而长时间、较高强度的力学刺激会对软骨表面微观形态造成明显损伤，最终诱发软骨退变；对于软骨下骨，过载显著提高了骨小梁的结构模型指数，导致其杆状结构比例明显增高，同时显著影响了骨小梁厚度、骨小梁数量和骨小梁分离度；形态计量学分析显示，过载对软骨下骨破骨细胞的影响显著大于成骨细胞。可见，过载对骨关节的显著影响同时反映在软骨和软骨下骨两个方面，过载能够直接造成软骨损伤并诱发软骨下骨的骨吸收增强。过载诱发软骨退变的机制与自发性关节炎软骨退变机制尚有一定差异，因此在进一步探讨关节炎的治疗上，尚需对关节炎进行分型分析，以便获得更好的治疗方案。