膝關(guān)節(jié)軟骨是覆蓋于關(guān)節(jié)表面的重要組織,由于其承受載荷大且頻繁,故很容易造成損傷。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,難以在損傷后進行自我修復(fù),對其進行有效的治療已成為臨床上亟待解決的難題,其中一項重要原因是軟骨力學性能會在損傷后發(fā)生巨變。本文從循環(huán)加載和沖擊加載兩方面對缺損軟骨的力學行為進行了研究,得到了其在多種載荷下的力學響應(yīng)情況。從力學角度為軟骨損傷機理的研究和缺損修復(fù)提供了一定的參考依據(jù)。本文對缺損軟骨的棘輪行為進行了實驗研究。該實驗采用成年豬股骨遠端關(guān)節(jié)軟骨樣本,對不同缺損深度軟骨試樣進行不同參數(shù)的三角波循環(huán)加載。結(jié)合非接觸式數(shù)字圖像技術(shù),獲得軟骨不同層區(qū)的棘輪應(yīng)變。實驗發(fā)現(xiàn):隨循環(huán)加載圈數(shù)的增加,軟骨各層棘輪應(yīng)變均表現(xiàn)為先急劇增大,然后緩慢增加并趨于平穩(wěn),由淺層到深層棘輪應(yīng)變值逐漸減小。各層區(qū)對循環(huán)圈數(shù)響應(yīng)不同,淺層在50圈內(nèi)應(yīng)變增加較快,中層在100圈內(nèi)應(yīng)變增加較快,深層在75圈內(nèi)應(yīng)變增加較快。除了中層區(qū)域響應(yīng)有滯后性,淺層和深層的棘輪應(yīng)變與應(yīng)力幅值、缺損深度呈正相關(guān),與加載速率呈負相關(guān)。本文運用ABAQUS軟件建立不同缺損類型的二維骨—軟骨模型,模型中考慮了材料參數(shù)、纖維分布狀態(tài)隨軟骨深度的變化關(guān)系,缺口截面形狀分別設(shè)置為矩形、100°梯形、80°梯形和半圓形。通過數(shù)值模擬與實驗結(jié)果的對比,證明了該模型的有效性。在該模型的基礎(chǔ)上采用動力學正弦曲線加載,研究了沖擊載荷下初始缺損形狀、缺口深度對軟骨應(yīng)力應(yīng)變狀況及損傷演化規(guī)律的影響。研究發(fā)現(xiàn):在沖擊加載下,軟骨各層剪切應(yīng)變隨初始缺損深度的增加而急劇上升。但缺損深度對各層的主應(yīng)變幾乎無明顯影響,這與循環(huán)載荷下的響應(yīng)存在很大差異。缺損軟骨不論其初始缺損形狀如何,沖擊時都會在缺口附近存在較大的應(yīng)力集中,缺口下方靠近缺損邊緣處應(yīng)力集中最明顯,而缺口正下方中央位置應(yīng)力則很小,呈現(xiàn)兩端高中間低的“U”型分布。在沖擊作用下,基質(zhì)與纖維損傷的基本表現(xiàn)類似,但纖維損傷比基質(zhì)表現(xiàn)的稍有超前,其損傷演化與初始缺口形狀有較大相關(guān)性。其中缺損截面為矩形和半圓形的表現(xiàn)為從缺口底角處先向下,到中層的中部時,缺口開始向左右兩側(cè)蔓延。而缺口截面為梯形的則主要向下延伸,直至軟骨的深層區(qū)。經(jīng)本文研究,不論在循環(huán)載荷還是沖擊加載下,缺損軟骨均與正常軟骨在力學性能上存在較大差異。提醒人們更多關(guān)注軟骨健康,并為損傷軟骨的臨床修復(fù)提供一定的參考依據(jù)。
【學位單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：R684;R318.01
【部分圖文】：

第一章 緒論與研究目的及意義位于長骨兩端表面的重要受載組織，其外表面光滑、降低摩擦、幫助關(guān)節(jié)靈活運動[1,2]。它是人體“骨高頻率的日常使用中容易受外傷、疲勞、環(huán)境因素素的影響而引起不同程度的損傷，軟骨的損傷會極 1.1 所示，由于軟骨自身結(jié)構(gòu)特殊，周圍組織環(huán)境傷的軟骨輸送營養(yǎng)物質(zhì)，其一旦受損很難進行自我作為一個重要課題，但并未引起足夠的關(guān)注，傳統(tǒng)想。現(xiàn)階段來看，一種比較理想的方案是采用與天將其移植到人體軟骨缺損部位。采用該療法需要關(guān)注屬性等因素，這些都與軟骨損傷區(qū)的力學狀態(tài)緊密后力學性能是治療軟骨損傷疾病的必要基礎(chǔ)。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于軟骨獨特的生物學和力學特性，其損傷破壞涉及到非常廣泛的研究層面。軟骨損傷問題多年來不僅受到了國內(nèi)外學者的諸多關(guān)注，而且吸引了研究者們運用各種方法和先進技術(shù)對軟骨的力學行為進行了較為深入的探索，并得到了大量的研究成果。以下將從實驗研究和數(shù)值模擬兩方面來進行介紹。1.2.1 實驗研究對關(guān)節(jié)軟骨力學性能的研究，早期主要采用拉伸和壓縮兩種實驗方式來進行。拉伸實驗是先將軟骨切成便于夾持的形狀，再結(jié)合夾具裝置用力學試驗機進行不同形式的拉伸加載;壓縮實驗主要包括三種類型：非圍限壓縮、圍限壓縮和壓痕實驗。具體看來，非圍限壓縮是指軟骨軸向承載而徑向不受約束;圍限壓縮是指軟骨徑向受約束固定，只在軸向施加載荷;壓痕是指采用截面大小不同的壓頭對軟骨局部進行壓縮加載。圖 1.2 所示為不同形式的壓縮示意圖[12，13]。

第一章 緒論隨著科研技術(shù)與實驗設(shè)備的迅猛發(fā)展，人們在軟骨損傷領(lǐng)域的研究不斷有新的突破。人們意識到軟骨損傷實際上是初始時產(chǎn)生微裂紋，在軟骨持續(xù)受載的情況下裂紋逐漸向周圍和深層擴展直到引起肉眼可見的軟骨裂隙或剝離。眾多學者開始嘗試結(jié)合微觀圖像采集裝置對軟骨樣本進行試驗，以探索細觀層面上微小缺損對軟骨宏觀力學性能的影響。Kenneth 等[14]通過對帶有下骨的牛軟骨進行單軸壓縮及松弛實驗，結(jié)合數(shù)字圖像技術(shù)觀察到閉合型（底角 80°梯形缺口）與開放型（底角 100°梯形缺口）全層缺損的軟骨樣本的應(yīng)變情況有較大差異，如圖 1.3 所示。通過分析缺損周圍附近處標記點的應(yīng)變狀態(tài)，證實了軟骨的部分缺損會導致軟骨更大范圍、深層次的損傷，且閉合型缺口在載荷下?lián)p傷擴展的速率更快一些。
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本文編號：2839214