【摘要】：膝關(guān)節(jié)軟骨是人體重要的組織,在日�；顒�(dòng)中使用頻繁,承載大,損傷概率高。而由于關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)復(fù)雜,自我修復(fù)能力差,其修復(fù)治療一直是一大難題,其中重要的原因便是軟骨損傷后其力學(xué)性能發(fā)生了很大的改變。因此,深入研究缺損關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性能對(duì)于其修復(fù)治療具有重要意義。本文從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩個(gè)方面對(duì)缺損關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)行為進(jìn)行了分析研究,獲得了缺損軟骨力學(xué)性能的變化規(guī)律,為關(guān)節(jié)軟骨類疾病的病理研究和修復(fù)提供了一定的參考依據(jù)。本文對(duì)壓縮載荷下缺損關(guān)節(jié)軟骨的蠕變行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù),對(duì)采集的圖片進(jìn)行應(yīng)變場(chǎng)分析,獲得恒定載荷下缺損關(guān)節(jié)軟骨損傷周圍各層區(qū)的蠕變變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):損傷的存在影響軟骨缺損周圍的蠕變性能。在恒定應(yīng)力下,各層區(qū)的蠕變應(yīng)變值隨著時(shí)間的增加而逐漸增大,應(yīng)變變化率隨著時(shí)間的增加逐漸減小,直到趨于平緩;隨著軟骨缺損深度的增加,軟骨缺損周圍各層區(qū)的蠕變應(yīng)變值增大;缺損底角處的蠕變應(yīng)變值大于缺損底部中間的蠕變應(yīng)變值。本文運(yùn)用ABAQUS軟件建立帶微缺損的纖維增強(qiáng)多孔粘彈性二維數(shù)值模型,模型考慮了纖維分布、孔隙率和滲透率隨軟骨深度的變化關(guān)系,將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)獲得蠕變曲線對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者趨勢(shì)一致,從而證明了數(shù)值計(jì)算模型的有效性。在模型的基礎(chǔ)上分析了滾壓載荷下初始缺損形狀對(duì)軟骨損傷演化規(guī)律的影響,初始形狀分別設(shè)置為矩形截面,100°梯形截面,80°梯形截面和半圓形截面。研究發(fā)現(xiàn):無(wú)論哪種初始缺口形狀,軟骨的損傷演化軌跡路徑是相似的,從缺口底角開始,優(yōu)先沿纖維切向方向向深層擴(kuò)展,擴(kuò)展到一定深度,沿相鄰纖維切向方向向上擴(kuò)展,最后在載荷的作用下產(chǎn)生軟骨碎塊;缺口形狀只影響軟骨損傷演化的初期階段,在損傷演化的中后期階段影響很小;從最大剪切應(yīng)變值、間質(zhì)流速和間質(zhì)液壓方面分析,其數(shù)值隨軟骨損傷的加劇而波動(dòng)下降,帶矩形截面缺口的軟骨的間質(zhì)液壓大于帶其他截面形狀的軟骨,應(yīng)力、應(yīng)變值和間質(zhì)流速小于帶其他截面形狀的軟骨,所以建議修復(fù)時(shí)采用圓柱形缺口形狀。模擬中還發(fā)現(xiàn),軟骨碎塊隨著初始缺損深度的增加而增大,表層和中層缺損時(shí),軟骨的力學(xué)性能分布趨于一致,深層缺損時(shí)有很大不同。其次以帶矩形截面缺損的軟骨為例,分析了缺損軟骨在壓縮載荷下流體場(chǎng)的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):在線性加載階段,關(guān)節(jié)軟骨的間質(zhì)液壓和間質(zhì)流速整體隨著載荷的增加而逐漸增大,在恒定加載階段,關(guān)節(jié)軟骨的間質(zhì)液壓和間質(zhì)流速整體隨著時(shí)間的增加逐漸減小;軟骨缺損周圍的間質(zhì)流速始終大于未損傷的部分,并且軟骨缺損部位的間質(zhì)液以兩側(cè)底角處的應(yīng)力集中區(qū)為中心向四周流動(dòng),其中向軟骨表面和損傷中心區(qū)域的間質(zhì)流動(dòng)最為明顯。經(jīng)本文研究,當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生損傷時(shí),能夠通過(guò)調(diào)節(jié)固相和液相力學(xué)性能的方式,以達(dá)到自我保護(hù)和延緩損傷加劇的作用。
【圖文】：

等人結(jié)合視頻顯微鏡、優(yōu)化的數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)以及廣義交叉驗(yàn)證技術(shù)開發(fā)了一種用于測(cè)量二維應(yīng)變場(chǎng)的自動(dòng)化方法，，并通過(guò)此方法研究了非圍限壓縮條件下未成年牛腕掌處關(guān)節(jié)軟骨的二維應(yīng)變場(chǎng)分布規(guī)律，如圖1-1所示。通過(guò)分析該二維應(yīng)變場(chǎng)發(fā)現(xiàn)：關(guān)節(jié)軟骨的彈性模量和泊松比從軟骨表面向下逐漸增大；當(dāng)軟骨內(nèi)部承受的壓縮應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，關(guān)節(jié)軟骨的泊松比反而逐漸減小，當(dāng)壓縮應(yīng)變?cè)黾拥?5%時(shí)，關(guān)節(jié)軟骨表面的泊松比甚至降低到了0.01。圖 1-1 不同壓縮量下軟骨試件的應(yīng)變場(chǎng)分布（5%、10%和 15%壓縮量）Meder[12]等人利用磁共振顯微成像儀觀察并記錄了正常軟骨和損傷軟骨（使用酶降解形成）間質(zhì)液擴(kuò)散方向和幅度的差別，觀察發(fā)現(xiàn)：兩者間質(zhì)液擴(kuò)散的最大值和平均值均沿著深度降低，分別從1.95×10-9減小到1.80×10-9m2s-1，1.08×10-9減小到0.79×10-9m2s-1；兩者間質(zhì)液最大擴(kuò)散速率對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散方向也有很大的變化，擴(kuò)散方向沿著宏觀纖維的方向變化；軟骨在使用胰蛋白酶去除蛋白聚糖后間質(zhì)液的擴(kuò)散幅度增加10-15％，而擴(kuò)散方向不會(huì)發(fā)生變化。

損傷軟骨在壓縮載荷下，裂紋會(huì)進(jìn)一步向深層延伸，并且由于拱形膠原纖維的導(dǎo)向作用，裂紋的延伸方向會(huì)發(fā)生偏離；持續(xù)不斷的加載會(huì)使軟骨的損傷演化進(jìn)程加速，使裂紋進(jìn)一步向深處延伸，如圖1-3所示。圖 1-3 壓縮載荷下裂紋擴(kuò)展圖劉志動(dòng)[15]等人采用新鮮豬股骨遠(yuǎn)端的關(guān)節(jié)軟骨作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)壓縮載荷下關(guān)節(jié)軟骨的蠕變力學(xué)行為進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，如圖 1-4 所示.研究發(fā)現(xiàn)：恒定載荷作用下，關(guān)節(jié)軟骨的蠕變幅度隨著軟骨深度的增加卻在逐漸減小；相同載荷作用下，軟骨整體的蠕變幅度隨著加載速率的加快卻在逐漸減�。粔嚎s載荷下
【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)】：TP391.9;R684.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2602147