關(guān)節(jié)軟骨的生物摩擦學(xué)機(jī)理研究.pdf

1、關(guān)節(jié)軟骨是一層具備優(yōu)異潤(rùn)滑性能和承載能力的組織，在人體關(guān)節(jié)正常運(yùn)行中起到了非常重要的作用。軟骨嚴(yán)重?fù)p傷后人工關(guān)節(jié)置換是最后的治療手段。但對(duì)于同樣的軟骨對(duì)金屬關(guān)節(jié)摩擦副，半髖人工關(guān)節(jié)置換比不置換髕骨的人工膝關(guān)節(jié)置換的術(shù)后效果差得多，所以有必要對(duì)關(guān)節(jié)磨損方式，關(guān)節(jié)軟骨損傷的形成和發(fā)展過程進(jìn)行研究，從而為關(guān)節(jié)軟骨損傷的早期診斷和治療提供支持。
　　本課題以關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)計(jì)算作為理論工具研究了軟骨的間質(zhì)流動(dòng)。其次結(jié)合同步輻射相襯成像和

2、示蹤劑，對(duì)關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的間質(zhì)流動(dòng)情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另外通過軟骨的摩擦實(shí)驗(yàn)分析了軟骨的兩相潤(rùn)滑模式等摩擦磨損行為。最后將上述三方面研究結(jié)果提煉成軟骨損傷的生物摩擦學(xué)機(jī)理，并運(yùn)用它對(duì)半髖人工關(guān)節(jié)置換與不置換髕骨的人工膝關(guān)節(jié)置換中的生物摩擦學(xué)問題進(jìn)行了分析。
　　本課題研究獲得的主要內(nèi)容和結(jié)論有以下幾點(diǎn)：
　　第一，以軟骨兩相力學(xué)模型為基礎(chǔ)，在COMSOL中建立了軟骨力學(xué)模型。結(jié)合軟骨的蠕變實(shí)驗(yàn)測(cè)量了軟骨力學(xué)參數(shù)，得到的軟骨彈性模

3、量為1 MPa，滲透率為2.2×10-14 m4/Ns。采用這些參數(shù)計(jì)算了靜載荷，平移載荷和循環(huán)載荷下軟骨內(nèi)部間質(zhì)流動(dòng)，并建立了軟骨細(xì)胞跨尺度力學(xué)計(jì)算方法。通過軟骨流動(dòng)電勢(shì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)以上軟骨生物力學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果相一致。
　　第二，在上海光源開展了軟骨間質(zhì)流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先篩選出合適的軟骨造影劑，測(cè)定了它在軟骨中一維擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)為2.28×10-11 m2/s±0.71×10-11 m2/s。基于

4、以上數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，分析了軟骨間質(zhì)流動(dòng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)面臨的難點(diǎn)，并提出了實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案。使用軟骨力學(xué)模型對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行了理論分析并進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化了參數(shù)。最后對(duì)正常軟骨組和OA軟骨組的間質(zhì)流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。兩組軟骨樣本循環(huán)載荷下的間質(zhì)流動(dòng)模式存在較大差異。
　　第三，根據(jù)軟骨對(duì)軟骨摩擦實(shí)驗(yàn)和力學(xué)計(jì)算，軟骨的摩擦系數(shù)的上升與軟骨表面間質(zhì)液承載比例的下降直接相關(guān)。載荷的移動(dòng)速度對(duì)維持軟骨表面間質(zhì)液承載比例有顯著影響。另一方面，DPPC脂質(zhì)體頭

5、部基團(tuán)帶正電，軟骨的負(fù)表面電勢(shì)促進(jìn)脂質(zhì)體的吸附，有利于潤(rùn)滑；而正表面電勢(shì)排斥脂質(zhì)體，使?jié)櫥h(huán)境惡化。
　　第四，關(guān)節(jié)軟骨摩擦磨損是以軟骨潤(rùn)滑機(jī)制的失效和以疲勞磨損為主的表面損傷開始的，過多間質(zhì)液滲入軟骨中，引發(fā)軟骨內(nèi)生物大分子降解的惡性循環(huán)。運(yùn)用軟骨細(xì)胞跨尺度力學(xué)計(jì)算分析了正常軟骨和OA軟骨細(xì)胞周邊的力學(xué)環(huán)境，結(jié)果表明正常軟骨細(xì)胞的力學(xué)計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)中取得的結(jié)果一致。相反OA軟骨細(xì)胞的力學(xué)計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離正常范圍，嚴(yán)重影響了軟

6、骨細(xì)胞正常生理功能，這與OA軟骨組織切片觀察到的表現(xiàn)一致。
　　最后，半髖人工關(guān)節(jié)置換與不置換髕骨的人工膝關(guān)節(jié)置換兩者術(shù)后結(jié)果差異主要原因是半髖置換破壞了原來的移動(dòng)接觸潤(rùn)滑模式，髖臼軟骨在金屬球頭固定接觸下的摩擦系數(shù)將大幅升高；其次，擠壓膜計(jì)算也顯示半髖置換后的擠壓膜持續(xù)時(shí)間比天然髖關(guān)節(jié)下降了62％。髕骨憑借自身的滑移運(yùn)動(dòng)保證了移動(dòng)接觸的潤(rùn)滑模式，能夠維持低水平的摩擦系數(shù)。半髖置換在上述摩擦磨損的情況下，軟骨細(xì)胞力學(xué)環(huán)境有惡化趨勢(shì)