【摘要】：關節(jié)軟骨是人體重要的承受力學載荷的組織,其周圍的生理環(huán)境復雜。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)代社會中影響人類健康的重大問題,關節(jié)軟骨的修復需求也日益增加。目前,對關節(jié)軟骨的研究集中在組織工程構建領域:一方面,運用生物反應器模擬天然軟骨在體生長條件,包括生理環(huán)境和應力狀態(tài),為種子細胞和支架復合體提供適當?shù)牧W刺激,促進細胞增殖、分化,形成有結(jié)構、有功能的組織;另一方面,采用數(shù)值模擬方法,通過有限元分析等手段,評估關節(jié)軟骨的力學性能,預測其生長、發(fā)育、受載、損傷及修復的過程。本文詳細調(diào)研了關節(jié)軟骨組織工程體外功能化構建的力學生物學背景,綜述了國內(nèi)外組織工程生物反應器的研究現(xiàn)狀,完成了力學刺激在軟骨組織工程中的應用、骨與軟骨組織工程生物反應器相關的文獻調(diào)研。在此基礎上,本文設計、制造了雙軸復合仿生加載生物反應器,從雙軸復合加載的力學生物學和運動學背景出發(fā),歸納、分析、總結(jié)設計要求,制造的生物反應器可為組織工程體外培養(yǎng)提供靜態(tài)、動態(tài)壓縮,動態(tài)扭轉(zhuǎn)剪切等多種載荷;進一步設計了單向滾動、單向滑動同步對照仿生加載生物反應器,可為組織工程體外培養(yǎng)提供單向滾動、滑動,往復滾動、滑動,靜態(tài)壓縮等多種載荷。同時,本文綜合考慮關節(jié)軟骨多相性、滲透性、各向異性、膨脹性和粘彈性在內(nèi)的各種力學特性,以人的步行和站立狀態(tài)為背景,建立了關節(jié)軟骨二維和三維有限元模型。運用ABAQUS軟件,通過編寫子程序,賦予關節(jié)軟骨參數(shù)化的材料屬性;建模過程中考慮鈣化軟骨和軟骨下骨在關節(jié)軟骨力學承載過程的作用,建立復合模型;結(jié)合人體正常步態(tài)周期中膝關節(jié)的運動模式設定邊界條件,對站立和步態(tài)載荷條件下關節(jié)軟骨力學行為進行有限元模擬,包括Mises應力、真實應變、孔隙壓力、孔隙率和液體流動情況,總結(jié)不同力學條件和參數(shù)對關節(jié)軟骨力學行為的影響。研究發(fā)現(xiàn),在站立狀態(tài)下,隨著站立時間增加,關節(jié)軟骨Mises應力、真實應變、孔隙壓力、孔隙率和液體流動情況均發(fā)生明顯變化;在行走過程中,滾動、滑動等載荷加載速度的變化也會影響上述參數(shù),相對于滑動速度,滾動速度較明顯地引起Mises應力變化;當不超過生理壓縮載荷時,同時施加旋轉(zhuǎn)載荷對上述參數(shù)無明顯影響,超過生理壓縮載荷后,旋轉(zhuǎn)載荷將增加關節(jié)軟骨內(nèi)部Mises應力、孔隙壓力和最大拉伸應變。因此,關節(jié)軟骨對于正常生理載荷可以保持足夠適應性,在行走過程中,應減少負重,避免關節(jié)軟骨過載;在長時間站立情況下,關節(jié)軟骨最大應力區(qū)域被逐漸轉(zhuǎn)移到承載能力強的軟骨下部,可能有利于透明軟骨不受傷害;關節(jié)軟骨之間相互擠壓,該過程產(chǎn)生的力學刺激形成了關節(jié)軟骨獨特的流動模式,有利于新陳代謝;關節(jié)軟骨新陳代謝的過程不僅和關節(jié)滑液產(chǎn)生物質(zhì)交換,也通過鈣化軟骨、軟骨下骨和血液產(chǎn)生物質(zhì)交換。本文的研究為關節(jié)軟骨功能化自組織生長實驗研究提供了理論參考和實驗裝置,為后續(xù)開展實驗研究打下了良好基礎。
【學位授予單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：R318.01;Q811
【圖文】：

內(nèi)一種重要的承受力學載荷的組織，其周圍或其他退行性病變，往往造成軟骨缺損，產(chǎn)為現(xiàn)代社會中影響人類健康的重大問題。的過程中，需要有健康的宿主組織作為基礎位并重建其功能，逐漸成為臨床治療領域一和代謝過程的特殊性，關節(jié)軟骨很難自我會損傷供體區(qū)域，影響其功能，不能修復嚴方法供體有限，且容易傳播疾病，或造成求[3]。因此，對于關節(jié)軟骨缺損等疾病的治本，同時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)，修復缺損的部位，成為軟骨疾病的新興療適應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入臨床的腳步。

包括生理環(huán)境和應力狀態(tài)；另一方面，采用數(shù)分析、分子動力學分析等手段，評估關節(jié)軟骨損傷及修復的過程。在探索和研究的過程中，漸地揭開關節(jié)軟骨功能化構建的面紗，貼近本骨組織工程態(tài)與結(jié)構關節(jié)中長骨兩端表面包裹著的透明組織，如解沖擊。關節(jié)軟骨作為一種粘彈性組織，固細胞組成，是纖維增強型復合顯微結(jié)構；液體網(wǎng)狀，帶有大量負電荷的蛋白多糖鑲嵌其中，的過程中，網(wǎng)狀的膠原纖維結(jié)構被拉伸，對軟約束達到平衡，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、組織和細胞的生物活性。周圍力始終[9]。力學刺激保持正常，細胞適應性良好；力學強度或加載的頻率，將有利于增強細胞活性；過分或相比，軟骨作為一種智能材料，其結(jié)構和形態(tài)隨負載物質(zhì)分布，以適應復雜且多變的力學環(huán)境。在動物成原纖維結(jié)構的形成具有重要影響[11-13]。軟骨細胞所受態(tài)的改變不斷變化，其對力學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，適應于剪切作用[16]。工程簡介新興的科學。作為一門交叉學科，它以力學、醫(yī)學、旨在通過離體培養(yǎng)具有生物活性和功能的、可植入的物，對出現(xiàn)缺失或存在缺陷的組織進行修復，恢復其

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本文編號：2800102