【摘要】：關(guān)節(jié)軟骨是人體重要的承受力學(xué)載荷的組織,其周圍的生理環(huán)境復(fù)雜。先天的畸形、突發(fā)的外傷或其他退行性病變,常造成軟骨缺損,逐漸成為現(xiàn)代社會(huì)中影響人類健康的重大問(wèn)題,關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)需求也日益增加。目前,對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的研究集中在組織工程構(gòu)建領(lǐng)域:一方面,運(yùn)用生物反應(yīng)器模擬天然軟骨在體生長(zhǎng)條件,包括生理環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài),為種子細(xì)胞和支架復(fù)合體提供適當(dāng)?shù)牧W(xué)刺激,促進(jìn)細(xì)胞增殖、分化,形成有結(jié)構(gòu)、有功能的組織;另一方面,采用數(shù)值模擬方法,通過(guò)有限元分析等手段,評(píng)估關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性能,預(yù)測(cè)其生長(zhǎng)、發(fā)育、受載、損傷及修復(fù)的過(guò)程。本文詳細(xì)調(diào)研了關(guān)節(jié)軟骨組織工程體外功能化構(gòu)建的力學(xué)生物學(xué)背景,綜述了國(guó)內(nèi)外組織工程生物反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀,完成了力學(xué)刺激在軟骨組織工程中的應(yīng)用、骨與軟骨組織工程生物反應(yīng)器相關(guān)的文獻(xiàn)調(diào)研。在此基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)、制造了雙軸復(fù)合仿生加載生物反應(yīng)器,從雙軸復(fù)合加載的力學(xué)生物學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)背景出發(fā),歸納、分析、總結(jié)設(shè)計(jì)要求,制造的生物反應(yīng)器可為組織工程體外培養(yǎng)提供靜態(tài)、動(dòng)態(tài)壓縮,動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剪切等多種載荷;進(jìn)一步設(shè)計(jì)了單向滾動(dòng)、單向滑動(dòng)同步對(duì)照仿生加載生物反應(yīng)器,可為組織工程體外培養(yǎng)提供單向滾動(dòng)、滑動(dòng),往復(fù)滾動(dòng)、滑動(dòng),靜態(tài)壓縮等多種載荷。同時(shí),本文綜合考慮關(guān)節(jié)軟骨多相性、滲透性、各向異性、膨脹性和粘彈性在內(nèi)的各種力學(xué)特性,以人的步行和站立狀態(tài)為背景,建立了關(guān)節(jié)軟骨二維和三維有限元模型。運(yùn)用ABAQUS軟件,通過(guò)編寫子程序,賦予關(guān)節(jié)軟骨參數(shù)化的材料屬性;建模過(guò)程中考慮鈣化軟骨和軟骨下骨在關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)承載過(guò)程的作用,建立復(fù)合模型;結(jié)合人體正常步態(tài)周期中膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模式設(shè)定邊界條件,對(duì)站立和步態(tài)載荷條件下關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)行為進(jìn)行有限元模擬,包括Mises應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)變、孔隙壓力、孔隙率和液體流動(dòng)情況,總結(jié)不同力學(xué)條件和參數(shù)對(duì)關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)行為的影響。研究發(fā)現(xiàn),在站立狀態(tài)下,隨著站立時(shí)間增加,關(guān)節(jié)軟骨Mises應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)變、孔隙壓力、孔隙率和液體流動(dòng)情況均發(fā)生明顯變化;在行走過(guò)程中,滾動(dòng)、滑動(dòng)等載荷加載速度的變化也會(huì)影響上述參數(shù),相對(duì)于滑動(dòng)速度,滾動(dòng)速度較明顯地引起Mises應(yīng)力變化;當(dāng)不超過(guò)生理壓縮載荷時(shí),同時(shí)施加旋轉(zhuǎn)載荷對(duì)上述參數(shù)無(wú)明顯影響,超過(guò)生理壓縮載荷后,旋轉(zhuǎn)載荷將增加關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)部Mises應(yīng)力、孔隙壓力和最大拉伸應(yīng)變。因此,關(guān)節(jié)軟骨對(duì)于正常生理載荷可以保持足夠適應(yīng)性,在行走過(guò)程中,應(yīng)減少負(fù)重,避免關(guān)節(jié)軟骨過(guò)載;在長(zhǎng)時(shí)間站立情況下,關(guān)節(jié)軟骨最大應(yīng)力區(qū)域被逐漸轉(zhuǎn)移到承載能力強(qiáng)的軟骨下部,可能有利于透明軟骨不受傷害;關(guān)節(jié)軟骨之間相互擠壓,該過(guò)程產(chǎn)生的力學(xué)刺激形成了關(guān)節(jié)軟骨獨(dú)特的流動(dòng)模式,有利于新陳代謝;關(guān)節(jié)軟骨新陳代謝的過(guò)程不僅和關(guān)節(jié)滑液產(chǎn)生物質(zhì)交換,也通過(guò)鈣化軟骨、軟骨下骨和血液產(chǎn)生物質(zhì)交換。本文的研究為關(guān)節(jié)軟骨功能化自組織生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)研究提供了理論參考和實(shí)驗(yàn)裝置,為后續(xù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究打下了良好基礎(chǔ)。
【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】：2018
【分類號(hào)】：R318.01;Q811
【圖文】：

內(nèi)一種重要的承受力學(xué)載荷的組織，其周圍或其他退行性病變，往往造成軟骨缺損，產(chǎn)為現(xiàn)代社會(huì)中影響人類健康的重大問(wèn)題。的過(guò)程中，需要有健康的宿主組織作為基礎(chǔ)位并重建其功能，逐漸成為臨床治療領(lǐng)域一和代謝過(guò)程的特殊性，關(guān)節(jié)軟骨很難自我會(huì)損傷供體區(qū)域，影響其功能，不能修復(fù)嚴(yán)方法供體有限，且容易傳播疾病，或造成求[3]。因此，對(duì)于關(guān)節(jié)軟骨缺損等疾病的治本，同時(shí)提高治療的效果和效率的一種理想建逐漸成為一種合適的選擇[4]。將體外培養(yǎng)，修復(fù)缺損的部位，成為軟骨疾病的新興療適應(yīng)的工程軟骨的可靠方法[5]。工程軟骨的效果，這減緩了工程軟骨進(jìn)入臨床的腳步。

包括生理環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)；另一方面，采用數(shù)分析、分子動(dòng)力學(xué)分析等手段，評(píng)估關(guān)節(jié)軟骨損傷及修復(fù)的過(guò)程。在探索和研究的過(guò)程中，漸地揭開(kāi)關(guān)節(jié)軟骨功能化構(gòu)建的面紗，貼近本骨組織工程態(tài)與結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)中長(zhǎng)骨兩端表面包裹著的透明組織，如解沖擊。關(guān)節(jié)軟骨作為一種粘彈性組織，固細(xì)胞組成，是纖維增強(qiáng)型復(fù)合顯微結(jié)構(gòu)；液體網(wǎng)狀，帶有大量負(fù)電荷的蛋白多糖鑲嵌其中，的過(guò)程中，網(wǎng)狀的膠原纖維結(jié)構(gòu)被拉伸，對(duì)軟約束達(dá)到平衡，形成了軟骨內(nèi)部基本環(huán)境。

持正常的生理平衡，否則將出現(xiàn)病態(tài)，甚至退化、消尺度分別影響器官、組織和細(xì)胞的生物活性。周圍力始終[9]。力學(xué)刺激保持正常，細(xì)胞適應(yīng)性良好；力學(xué)強(qiáng)度或加載的頻率，將有利于增強(qiáng)細(xì)胞活性；過(guò)分或相比，軟骨作為一種智能材料，其結(jié)構(gòu)和形態(tài)隨負(fù)載物質(zhì)分布，以適應(yīng)復(fù)雜且多變的力學(xué)環(huán)境。在動(dòng)物成原纖維結(jié)構(gòu)的形成具有重要影響[11-13]。軟骨細(xì)胞所受態(tài)的改變不斷變化，其對(duì)力學(xué)刺激具有高度的敏感性節(jié)軟骨逐漸形成了多相耦合及分層結(jié)構(gòu)，適應(yīng)于剪切作用[16]。工程簡(jiǎn)介新興的科學(xué)。作為一門交叉學(xué)科，它以力學(xué)、醫(yī)學(xué)、旨在通過(guò)離體培養(yǎng)具有生物活性和功能的、可植入的物，對(duì)出現(xiàn)缺失或存在缺陷的組織進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)其

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2800102