關節(jié)軟骨纖維增強多孔彈性力學特性研究.pdf

1、骨關節(jié)炎是一種常見的關節(jié)疾病，給患者的正常生活造成了嚴重的困難。研究者普遍認為骨關節(jié)炎是由力學過載引起的，因此需要分析關節(jié)受載時各部位的應力應變狀態(tài)，進而尋找到骨關節(jié)炎的發(fā)病機理并提出預防機制。有限元方法是用來分析關節(jié)應力應變狀態(tài)的最有效的工具，已有眾多生物力學研究人員將其用來研究生物體及組織器官受載時的應力分布。為了進行關節(jié)的有限元分析，需要首先建立關節(jié)各部位的有限元模型，材料的力學模型是有限元建模中最重要的一部分。關節(jié)一般由股骨，脛

2、骨和關節(jié)軟骨組成，其中關節(jié)軟骨的材料屬性是最為復雜的，其表現(xiàn)出明顯的非均質性，各向異性和粘彈性。研究者已提出大量關節(jié)軟骨的力學模型，其趨勢是越來越精確，但也越來越復雜，計算成本越來越高。為此，我們需要在模型的計算成本和精確性間取得平衡?；趶椈傻睦w維增強模型是一種相對容易實現(xiàn)，計算成本又低的模型，且其與簡單的線彈性多孔彈性模型相比，又考慮了纖維增強作用和應變相關的滲透率，為此，我們希望采用這個模型進行關節(jié)的有限元模擬。在使用這個模型前，

3、需要對其進行進一步驗證。無側限壓縮實驗是近來使用較為頻繁的關節(jié)軟骨的壓縮實驗方式，最新開發(fā)的模型都將其同時解釋無側限壓縮實驗中軸向反作用力和側向位移的變化過程的能力作為證明其正確性的一個準則。本研究即希望通過驗證基于彈簧的纖維增強多孔彈性模型同時解釋這兩種現(xiàn)象的能力來確認其在關節(jié)有限元模型中的適用性。
　　本研究的主要內容包括以下幾部分：1、根據(jù)現(xiàn)有的文獻，介紹關節(jié)軟骨的組成和結構，并探索其組成和結構與其力學性質間的關系。2、實現(xiàn)

4、關節(jié)軟骨的基于彈簧的纖維增強多孔彈性模型。該模型是在線彈性雙相模型的基礎上引入纖維增強實現(xiàn)的，其實現(xiàn)主要包括線彈性雙相模型的實現(xiàn)，應變相關滲透率的定義和節(jié)點間非線性彈簧的定義。3、關節(jié)軟骨的材料屬性有很大的個體差異性，不能簡單的用一組實驗中獲取的參數(shù)來預測另外的實驗，因此需要開發(fā)一套規(guī)范的參數(shù)反演方法，用來從相關的實驗數(shù)據(jù)中獲取參數(shù)值。獲取參數(shù)后，驗證模型同時解釋軸向反作用力的松弛和側向位移的變化這兩種現(xiàn)象的能力。
　　通過對基于

5、彈簧的纖維增強多孔彈性模型的研究，得到以下研究成果：1、實現(xiàn)了關節(jié)軟骨基于彈簧的纖維增強多孔彈性模型，并用該模型模擬出無側限壓縮實驗下的位移，孔壓和應力分布。2、通過對常滲透率線性雙相模型、應變相關滲透率雙相模型和基于彈簧的纖維增強多孔彈性模型的比較，得到應變相關滲透率在無側限壓縮實驗下的作用不明顯，纖維增強顯著提高其解釋松弛現(xiàn)象的能力。3、進行了參數(shù)反演過程，實現(xiàn)了從實驗數(shù)據(jù)反演出模型參數(shù)值，并驗證基于彈簧的纖維增強多孔彈性模型同時解