發(fā)布時(shí)間：2018-05-25 03:38

  本文選題：軟骨 + 傳質(zhì)　； 參考：《天津理工大學(xué)》2012年碩士論文

【摘要】：膝關(guān)節(jié)軟骨有承受載荷、緩沖震蕩和潤(rùn)滑關(guān)節(jié)等重要作用，是慢性疾病的多發(fā)部位之一。大多數(shù)早期軟骨組織的病變和重建失敗都是因?yàn)閭髻|(zhì)過(guò)程無(wú)法正常進(jìn)行的結(jié)果。軟骨中沒(méi)有血管、神經(jīng)，傳質(zhì)過(guò)程不僅能維持營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、供給廢物的代謝，而且提供其對(duì)新陳代謝有調(diào)節(jié)作用的酶類(lèi)、抑制因子、細(xì)胞活性素和生長(zhǎng)因子等具有生物活性的大小分子，正常軟骨的傳質(zhì)過(guò)程的順利進(jìn)行需要在一定的外界載荷的。此方面研究不僅利于揭示軟骨組織新陳代謝進(jìn)行的機(jī)制，對(duì)于臨床病變治療、修復(fù)有重大的意義，而且也是軟骨組織工程的基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容之一。先前研究表明對(duì)于離體軟骨樣本施加單向壓力能夠調(diào)節(jié)軟骨的新陳代謝，本課題中根據(jù)人體膝關(guān)節(jié)軟骨的受力環(huán)境，摒棄對(duì)單一方向壓縮載荷的模擬，首先使用多角度的宏觀的力學(xué)環(huán)境來(lái)研究滾動(dòng)加載的方式對(duì)于軟骨傳質(zhì)過(guò)程的影響。該方法，以一個(gè)新的角度闡述了這種力學(xué)環(huán)境下基質(zhì)、流體流動(dòng)、電勢(shì)電流以及軟骨成分的變化。 借鑒于其他生命組織的傳質(zhì)機(jī)制和科研方法，本文通過(guò)軟骨的生理結(jié)構(gòu)、受力環(huán)境，實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟骨傳質(zhì)生理過(guò)程，，理論上研究生物以及軟骨的傳質(zhì)過(guò)程的各控制方程，借助現(xiàn)有的商業(yè)有限元軟件完成滾動(dòng)條件下軟骨傳質(zhì)的濃度場(chǎng)的計(jì)算，下面介紹主要研究工作以及成果： 1、實(shí)驗(yàn)部分。實(shí)驗(yàn)分別選用了羅丹明B和標(biāo)記硫氰酸羅丹明、四甲基羅丹明標(biāo)記軟骨必需蛋白質(zhì)葡聚糖，實(shí)驗(yàn)組分別在我們自行研制的滾動(dòng)裝置下加載，壓縮量為20%，滾速為10cm/s,對(duì)照組靜態(tài)培養(yǎng)。取一定的時(shí)間點(diǎn)，把軟骨冰凍切片，熒光顯微鏡下觀測(cè)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組軟骨中示蹤劑熒光強(qiáng)度來(lái)比較各組傳質(zhì)的程度。實(shí)驗(yàn)表明，滾動(dòng)加載力學(xué)環(huán)境能夠促進(jìn)大分子、小分子在軟骨組織中的傳質(zhì)過(guò)程。 2、傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型。基于多孔介質(zhì)三相理論的力學(xué)模型，結(jié)合熱和質(zhì)量擴(kuò)散間的數(shù)學(xué)特性，建立三相的擴(kuò)散系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)之間的等效數(shù)值算法，應(yīng)用應(yīng)變是熱傳導(dǎo)系數(shù)（即等效后的擴(kuò)散系數(shù)）變化的激勵(lì)，把三相理論應(yīng)用于商業(yè)有限元軟件來(lái)解決軟骨中的一些問(wèn)題。 3、計(jì)算機(jī)仿真。膝關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)采用多層建模，從受力的最小單元出發(fā)，建立軟骨傳質(zhì)的滾壓加載有限元模型，利用有限元軟件ANSYS對(duì)軟骨的應(yīng)變激勵(lì)等效擴(kuò)散系數(shù)變化進(jìn)行仿真，探索軟骨在不同的壓縮量、載荷速度因素下，傳質(zhì)過(guò)程的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在各種滾動(dòng)條件下各層軟骨中的等效濃度場(chǎng)相對(duì)于穩(wěn)態(tài)濃度場(chǎng)都有不同程度的提高。在控制其他變量時(shí)，隨著壓縮量增加，軟骨組織各個(gè)單元的等效濃度場(chǎng)相對(duì)于穩(wěn)態(tài)濃度都有增加，且最大增幅發(fā)生在當(dāng)輥?zhàn)訚L動(dòng)到大約中間位置處；隨著滾速的增加，軟骨組織各個(gè)單元的溫度相對(duì)于穩(wěn)態(tài)溫度都有增加；對(duì)于每一層軟骨而言，應(yīng)力、應(yīng)變較大部位發(fā)生在第二層附近。
[Abstract]:Knee articular cartilage is one of the most common sites of chronic diseases because of its important functions such as bearing load, cushioning concussion and lubricating joint. Most early cartilage lesions and reconstruction failures are due to the failure of mass transfer. There are no blood vessels, nerves, and mass transfer processes in the cartilage that not only maintain the metabolism of nutrients and wastes, but also provide enzymes and inhibitors that regulate metabolism. For bioactive molecules such as cytokines and growth factors, the smooth mass transfer of normal cartilage requires a certain amount of external loading. This study is not only helpful to reveal the mechanism of cartilage metabolism, but also has great significance for the treatment and repair of clinical lesions. It is also one of the basic research contents of cartilage tissue engineering. Previous studies have shown that unidirectional pressure on isolated cartilage samples can regulate the metabolism of cartilage. In this study, according to the stress environment of human knee cartilage, the simulation of compression load in a single direction is abandoned. The effect of rolling loading on mass transfer of cartilage was studied by using multi-angle macro-mechanical environment. In this method, the changes of matrix, fluid flow, potential current and cartilage composition in this kind of mechanical environment are described in a new angle. Based on the mass transfer mechanism and scientific research methods of other living tissues, this paper studies the control equations of the mass transfer process of organism and cartilage theoretically through the physiological structure of cartilage, the stress environment, the experimental simulation of the physiological process of mass transfer of cartilage, and the theoretical study on the control equations of the mass transfer process of organism and cartilage. The current commercial finite element software is used to calculate the concentration field of cartilage mass transfer under rolling condition. 1. Experimental part. Rhodamine B, rhodamine thiocyanate and tetramethyl rhodamine were used to label essential protein glucan in cartilage. The compression was 20 and the rolling speed was 10 cm / s, while the control group was cultured statically. At a certain time point, the chondrocytes were cut into frozen sections, and the fluorescence intensity of tracer in cartilage of experimental group and control group were observed under fluorescence microscope to compare the degree of mass transfer in each group. The experimental results show that the rolling loading environment can promote the mass transfer of macromolecules and small molecules in cartilage tissue. 2. Mathematical model of mass transfer. Based on the mechanical model of the three-phase theory of porous media and the mathematical characteristics between heat and mass diffusion, the equivalent numerical algorithm between the diffusion coefficient and the heat conduction coefficient of the three phase is established. The application of strain is the excitation of the change of heat conduction coefficient (i.e. diffusion coefficient after equivalent). The three-phase theory is applied to the commercial finite element software to solve some problems in cartilage. 3. Computer simulation. To explore the influence law of mass transfer process of cartilage under different compression amount and loading speed. The results show that under various rolling conditions, the equivalent concentration field in each layer of cartilage is increased to some extent compared with the steady concentration field. When the other variables are controlled, with the increase of compression, the equivalent concentration field of each unit of cartilage tissue increases relative to the steady concentration, and the maximum increase occurs when the roller rolls to about the middle position, and with the increase of rolling speed, For each layer of cartilage, the larger stress and strain occurred near the second layer.
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：R318.01

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本文編號(hào)：1931937