缺損關節軟骨損傷演化力學機制的研究

《缺損關節軟骨損傷演化力學機制的研究》是依託天津理工大學，由門玉濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：缺損關節軟骨損傷演化力學機制的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：門玉濤
• 依託單位：天津理工大學

項目摘要

骨關節炎嚴重影響人的健康和生活質量，其形成與關節軟骨損傷演化有密切關係。研究缺損軟骨的損傷演化過程和傳質過程目的在於揭示缺損軟骨的損傷演化規律，闡述力學機制和確定影響因素。課題擬通過實驗和數值模擬結合的方法開展研究。以豬膝關節軟骨為研究對象，根據軟骨染色結果確定軟骨不同層區的厚度尺寸，製備缺損軟骨試件；給缺損軟骨分別施加滑動載荷和滾壓載荷，採用數字圖像相關技術研究缺損形式和載荷工況對軟骨損傷演化過程和傳質過程的影響，進行參數研究，考慮缺損的位置，形狀和深度以及壓縮量大小和載入速率的影響；探索微觀組織結構，包括膠原纖維含量、分布方式和蛋白多糖含量對損傷演化和傳質過程的影響；對軟骨損傷演化和傳質過程進行數值模擬和參數研究，依據細觀損傷力學理論建立軟骨損傷演化數學模型，總結缺損軟骨損傷演化的規律。項目的成果對於預測複雜條件下的損傷演化結果和軟骨壽命，修復缺損軟骨和防治骨關節炎疾病具有重要意義。

結題摘要

關節軟骨從微損傷到形成骨關節炎，往往需要幾年、十幾年甚至幾十年的時間，給人們帶來很大痛苦。軟骨的損傷與力學環境有重要關係，研究關節軟骨的損傷演化力學機制，對認識關節軟骨的損傷演化規律和軟骨疾病的防治有重要意義。對此做了以下幾方面研究： 第一，發明一種滾壓載入生物反應器。此反應器用門橋結構固定試件，便於安裝；通過門橋上的橫向和縱向螺桿調節軟骨與壓頭的相對位置；門橋在實驗過程中放置在恆溫37℃的液體槽內，使實驗儘量滿足體內環境。 第二，軟骨損傷演化過程的仿真研究。建立二維纖維增強的多孔粘彈性軟骨計算模型，考慮纖維分布、孔隙率、彈性模量和滲透率隨軟骨深度的變化關係。參數化研究軟骨損傷演化過程，研究發現軟骨優先沿著纖維的切向方向擴展，損傷到一定深度後沿相鄰纖維的切向向上演化，直到斷裂形成軟骨碎塊。軟骨碎塊的形成是軟骨損傷演化的結果，並且碎塊的大小與初始缺損深度有直接關係。從最大切應變，間質液壓和間質流速方面考慮，發現初始損傷形狀只在損傷演化的初期有影響，矩形缺口的軟骨周圍切應變最小，間質液壓最大，間質流速最慢，建議手術修復時採用圓柱形切口。載荷類型和載荷速度都對軟骨損傷演化的速度有影響，理論模型顯示損傷深度在50%以內，損傷演化速度比較緩慢，損傷深度在50%~80%時，損傷演化速度較快，損傷深度達到80%後，損傷演化速度減慢，缺口面積增大。 第三，缺損軟骨力學性能的體外實驗研究。採用數字圖像相關技術，結合生物反應器做了缺口軟骨的力學性能實驗，研究發現切應變是造成軟骨損傷演化的主要因素，損傷影響軟骨的蠕變性能，各層區的蠕變應變值隨著時間的增加而逐漸增大，應變變化率隨著時間的增加逐漸減小，直到趨於平緩；隨著軟骨缺損深度的增加，軟骨缺損周圍各層區的蠕變應變值增大；缺損底角處的蠕變值大於缺損底部中間的蠕變值。 本課題培養碩士研究生3名，已發表文章12篇，其中5篇SCI檢索，1篇EI檢索。申請發明專利2項，參加學術會議10人次。