滾動載荷條件下軟骨傳質(zhì)過程的研究.pdf

1、膝關(guān)節(jié)軟骨有承受載荷、緩沖震蕩和潤滑關(guān)節(jié)等重要作用,是慢性疾病的多發(fā)部位之一。大多數(shù)早期軟骨組織的病變和重建失敗都是因?yàn)閭髻|(zhì)過程無法正常進(jìn)行的結(jié)果。軟骨中沒有血管、神經(jīng),傳質(zhì)過程不僅能維持營養(yǎng)物質(zhì)、供給廢物的代謝,而且提供其對新陳代謝有調(diào)節(jié)作用的酶類、抑制因子、細(xì)胞活性素和生長因子等具有生物活性的大小分子,正常軟骨的傳質(zhì)過程的順利進(jìn)行需要在一定的外界載荷的。此方面研究不僅利于揭示軟骨組織新陳代謝進(jìn)行的機(jī)制,對于臨床病變治療、修復(fù)有重大的

2、意義,而且也是軟骨組織工程的基礎(chǔ)研究內(nèi)容之一。先前研究表明對于離體軟骨樣本施加單向壓力能夠調(diào)節(jié)軟骨的新陳代謝,本課題中根據(jù)人體膝關(guān)節(jié)軟骨的受力環(huán)境,摒棄對單一方向壓縮載荷的模擬,首先使用多角度的宏觀的力學(xué)環(huán)境來研究滾動加載的方式對于軟骨傳質(zhì)過程的影響。該方法,以一個新的角度闡述了這種力學(xué)環(huán)境下基質(zhì)、流體流動、電勢電流以及軟骨成分的變化。
　　 借鑒于其他生命組織的傳質(zhì)機(jī)制和科研方法,本文通過軟骨的生理結(jié)構(gòu)、受力環(huán)境,實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟骨

3、傳質(zhì)生理過程,理論上研究生物以及軟骨的傳質(zhì)過程的各控制方程,借助現(xiàn)有的商業(yè)有限元軟件完成滾動條件下軟骨傳質(zhì)的濃度場的計(jì)算,下面介紹主要研究工作以及成果:
　　 1、實(shí)驗(yàn)部分。實(shí)驗(yàn)分別選用了羅丹明B和標(biāo)記硫氰酸羅丹明、四甲基羅丹明標(biāo)記軟骨必需蛋白質(zhì)葡聚糖,實(shí)驗(yàn)組分別在我們自行研制的滾動裝置下加載,壓縮量為20％,滾速為10cm/s,對照組靜態(tài)培養(yǎng)。取一定的時間點(diǎn),把軟骨冰凍切片,熒光顯微鏡下觀測實(shí)驗(yàn)組、對照組軟骨中示蹤劑熒光強(qiáng)度來

4、比較各組傳質(zhì)的程度。實(shí)驗(yàn)表明,滾動加載力學(xué)環(huán)境能夠促進(jìn)大分子、小分子在軟骨組織中的傳質(zhì)過程。
　　 2、傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型?；诙嗫捉橘|(zhì)三相理論的力學(xué)模型,結(jié)合熱和質(zhì)量擴(kuò)散間的數(shù)學(xué)特性,建立三相的擴(kuò)散系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)之間的等效數(shù)值算法,應(yīng)用應(yīng)變是熱傳導(dǎo)系數(shù)(即等效后的擴(kuò)散系數(shù))變化的激勵,把三相理論應(yīng)用于商業(yè)有限元軟件來解決軟骨中的一些問題。
　　 3、計(jì)算機(jī)仿真。膝關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)采用多層建模,從受力的最小單元出發(fā),建立軟骨傳質(zhì)

5、的滾壓加載有限元模型,利用有限元軟件ANSYS對軟骨的應(yīng)變激勵等效擴(kuò)散系數(shù)變化進(jìn)行仿真,探索軟骨在不同的壓縮量、載荷速度因素下,傳質(zhì)過程的影響規(guī)律。結(jié)果表明,在各種滾動條件下各層軟骨中的等效濃度場相對于穩(wěn)態(tài)濃度場都有不同程度的提高。在控制其他變量時,隨著壓縮量增加,軟骨組織各個單元的等效濃度場相對于穩(wěn)態(tài)濃度都有增加,且最大增幅發(fā)生在當(dāng)輥?zhàn)訚L動到大約中間位置處；隨著滾速的增加,軟骨組織各個單元的溫度相對于穩(wěn)態(tài)溫度都有增加；對于每一層軟骨而