本文是一篇机械论文，本研究主要对关节软骨表面对载荷的响应进行了实验和相关有限元仿真，可以深入全面认识软骨的性能，为软骨修复和组织工程软骨的构建提供参考依据，也为力学实验的拟定提供参考依据。
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
骨关节炎疾病是目前世界上最难治愈且已成为对人们困扰最大的疾病之一。我国每年患骨关节炎疾病的人数逐年递增，55岁以上的人群中骨关节炎的发病率非常之高[1]，近年来，骨关节炎疾病逐渐开始呈现低龄化发病的趋势。运动员每天承受高强度的训练，很多跳跃性的动作都会对关节造成伤害，在对运动员群体的专项研究中表明，膝关节的损伤是造成运动员职业生涯短暂的主要原因，并且伤病会伴随一生，难以治愈。骨关节炎疾病已然成为世界范围内首要攻克的疾病之一，所以要加深对其患病机制的认识，加强对骨关节炎疾病的防治措施。究其发病原因，骨关节炎疾病的核心在于关节软骨。
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1.2 国内外研究进展综述
骨关节炎有着高发病率和高致残率，甚至可以引起严重的并发症，已经严重影响了人们的日常生理活动，骨关节炎病变的核心在于关节软骨的退变，也因此关节软骨在人体中是万分重要的存在。国内外诸多研究学者对在不同力学条件下的关节软骨做了很多研究，分析其力学性能的变化及其不同载荷作用下的力学响应。
1.2.1 软骨压痕实验研究 软骨的力学性功能可以反映在硬度、弹性模量、蠕变、松弛等方面的变化，纳米压痕法是测量材料硬度和弹性模量等力学参量的理想手段[11]，尤其是为组织及生物材料的力学性能方面提供了有利的研究途径。近年来，国内外诸多学者开始结合纳米压痕技术，通过纳米压痕测量生物体的力学参数变化的手段来探究软骨的损伤。
Mieloch[14]等研究学者从已诊断为骨关节炎患者中收集高负重区和低负重区的膝关节软骨样本，采用纳米压痕法测定样本的弹性模量和硬度，如图1.2。测量后发现，高负重区关节软骨比低负重区的弹性模量小，硬度也显著低于低负重区关节软骨。根据获取样本的年龄分组发现，70岁以上患者的弹性模量及硬度均显著降低。研究结果对个性化软骨移植提供了一个新的起点，使其与自身组织的力学性能兼容性更强。
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第二章 生理盐水浸泡时间对关节软骨力学性能的影响
2.1 引言
关节软骨是人体运动和承载的重要组成部分，在频繁的活动中极易发生损伤，从而引发关节功能障碍，最终演化成骨关节炎[28-30]，并且这种损伤是不可逆的。目前针对关节软骨的力学性能的研究仍旧是研究的重点，通过实验来确定不同条件下的关节软骨力学性能是最直接的途径，但在实验过程中溶液的影响因素仍有很多不确定性。在关节软骨的研究中，有学者考虑了不同溶液对软骨细胞代谢的影响，但没有考虑对其力学性能的影响。本章通过纳米压痕仪探究关节软骨试件在生理盐水中浸泡时间对关节软骨的力学性能是否有影响，测量软骨试件的硬度和弹性模量的变化，并与新鲜软骨和冷冻24h后解冻软骨的检测结果进行比较。生物组织的力学性能被组成这种组织的各种成分的结构和他们之间的相互关系和作用决定[31]，通过力学性能测试可以对比健康软骨和病变软骨，从而揭示骨关节炎的发病机理，为临床关节软骨疾病的防治提供指导意义，对浸泡后关节软骨的力学性能变化的实验结果分析，将有助于软骨力学实验的设计和力学相关研究成果的解释。
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2.2 关节软骨力学性能测量方法
关节软骨是一种特殊的粘弹性材料，主要由胶原蛋白和蛋白聚糖大分子组成的聚合固相及由水和溶解性物质组成的间质液组成，它的力学性能不是固定不变的，根据组织结构及成分的变化会有差异性[32]。关节软骨有一定的韧性，在受到载荷作用时会有一定的自我修复能力，但是这种能力极为有限，一旦损伤往往引发不可逆的病理改变，并且逐步恶化，直至发展为骨关节炎，严重影响关节功能。骨关节炎目前已然成为世界范围内最困扰人们日常生活的疾病，所以对骨关节炎早期的诊断尤为重要。大量实验验证表明，通过检测对比正常和损伤关节软骨的硬度和弹性模量等力学参量，可以有助于骨关节炎疾病的早期诊断，对骨关节炎疾病有良好的预防作用。
关节软骨力学性能的分析和检测方法有很多，最为常见的分析方法为响应面分析法，而检测方法主要是超声波法和压痕法测量软骨力学性能。
响应面法是基于Design-Expert软件，进行数据分析处理的方法。首先选取适合的响应面设计方法，输入变量的数据范围。设计方法选取后，自行填充响应量数值，即因变量的个数、名称和单位，之后会有参数的实验设计，之后便可以进行分析。响应面法可以将实验数据进行有效的拟合，从而得到满足要求的最优参数组合[33]。
超声波技术与接触性检测方法不同，它实际是一种信号工具。超声波检测技术不会对待测物体产生力的作用，也就是说不会导致被测物体的变形。超声信号在不同的介质中的传播速度等参数是不同的，利用算法和信号处理技术将在介质中传递的信号进行处理，就会得到该材料的相应参数。
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第三章 关节软骨粗糙度对载荷响应的实验研究 .......................... 23
3.1 引言 ............................... 23
3.2 实验材料及方法 .......................... 23
第四章 关节软骨对扭转载荷力学响应的数值研究 ........................ 32
4.1 引言 ............................ 32
4.2 关节软骨三维模型的建立 .................. 33
第五章 总结与展望 .......................... 47
5.1 全文总结 ......................... 47
5.2 前景展望 ...................... 48
第四章 关节软骨对扭转载荷力学响应的数值研究
4.1 引言
不同形式的力学刺激对关节软骨的力学性能造成不同程度的影响，对关节软骨内部的影响难以通过实验进行研究。随着有限元技术在生物组织方面的应用，国内外诸多学者开始通过仿真方式对关节软骨进行了数值分析。A.Seifzadeh[73]等研究者提出了一种由应力松弛压痕实验来确定人体关节软骨材料本构参数的反求方法，关节软骨建模为纤维增强的非线性双相孔粘弹性材料，并运用SA算法优化材料参数。Hongqiang G[74]等人在上述实验的基础上，在Comsol中建立了半圆柱型关节软骨和扁平关节软骨层的双相接触模型，通过滑动接触分析证明了超弹性双向接触模型模拟滑动接触的能力。Xiayi W[75]等人建立了关节软骨模型，模拟了关节软骨在受到损伤性循环压缩载荷的力学响应。A.Heuijerjans[76]量化了关节软骨局部缺损对胶原纤维和与缺损相邻或相对的软骨层非纤维基质应变的影响，并且还评估了应变是否过大会导致基质的破坏，通过建立含有胶原纤维的缺损关节软骨二维模型，模拟研究了冲击载荷和蠕变加载两种情况，仿真结果发现蠕变加载产生的应变均高于冲击载荷产生的应变，并且应变的大小随着软骨缺损尺寸的增加而增大。张述卿[77]利用有限元法研究了损伤修复后的关节软骨在滚动凹陷载荷下的力学状态。仿真结果表明，缺损软骨在修复后，不同部位的力学状态仍不同，因此构建具有与正常软骨力学性能相似的人工软骨或许有助于软骨缺损的修复。
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第五章 总结与展望
5.1 全文总结
目前，关节软骨疾病作为世界最难治愈且最易患发的疾病之一，患病的主要原因之一就是对关节软骨在不同力学条件下的响应了解不够全面和深入。比如说由外界环境作用于软骨组织时产生的软骨成分含量的变化，引起的软骨力学性能发生变化以及关节软骨在承受不同载荷时表面的形态变化等。
关节软骨的力学性能是维持其正常工作的基础，不同的力学环境、不同载荷的作用都会造成关节软骨力学性能的改变。人体在运动时对关节软骨的作用是复合的，当承受载荷时，基质中的纤维网格和蛋白多糖相互作用，会共同抵抗应力。由于关节软骨是一种多孔材料，基质中的液体会在孔隙中流动，以此对外载荷进行响应。本文主要使用实验手段及有限元技术手段进行关节软骨的初步研究，对关节软骨试样进行纳米压痕实验，探究在力学实验过程中软骨的硬度和弹性模量的变化，还对关节软骨施加了不同形式的载荷，实验研究在不同载荷作用后表面粗糙度的变化，以及按照关节软骨的微观结构特征建立关节软骨细观模型，研究软骨在受到扭转作用时的力学响应。
本研究主要对关节软骨表面对载荷的响应进行了实验和相关有限元仿真，可以深入全面认识软骨的性能，为软骨修复和组织工程软骨的构建提供参考依据，也为力学实验的拟定提供参考依据。本文的主要研究结果如下：
（1）利用纳米压痕技术分析了在生理盐水中浸泡不同时长的关节软骨样本的硬度与弹性模量变化，为软骨力学实验方案的制定和样本的处理提供参考依据。本课题的研究首先从探究关节软骨在生理盐水中存放时间对力学性能的影响出发，主要就关节软骨在进行力学实验时的环境来探究。关节软骨样本分别在生理盐水中浸泡5、10、15、20小时，结合纳米压痕实验仪器，分析了压痕弹性模量和压痕硬度数值的变化，并与新鲜软骨试件、冷冻后解冻软骨试件的数据进行对比。结果表明：冷冻后解冻的软骨试件及在生理盐水中浸泡5小时的试件与新鲜软骨试件的硬度和弹性模量差别不大；软骨试件的硬度与弹性模量均随着浸泡时间的增长而降低。实验表明，在进行关节软骨相关的力学实验时，尽量选取新鲜软骨进行力学实验，在生理盐水中浸泡的时间不要超过2个小时。
（2）利用表面粗糙轮廓仪对不同载荷作用下的关节软骨表面进行测量，探究了软骨表面粗糙度的变化，为早期骨关节炎疾病的发病机理研究提供了重要的研究数据。本文对关节软骨分别施加冲击载荷、压缩载荷和疲劳载荷，测量其在载荷作用后恢复不同时间的表面粗糙度的数值，推断了软骨磨损与载荷之间的相互关系。根据前一实验分析处理的结果，实验选用新鲜处理的关节软骨试件，冲击载荷的施加是通过落锤在距离试件不同的高度下落以此对应不同的冲击能量；压缩实验与疲劳实验的压力值与冲击加载的所产生的冲击力一致。
参考文献（略）