壓縮載荷作用下關節(jié)軟骨修復區(qū)細胞的力學環(huán)境研究.pdf

1、關節(jié)軟骨的構造非常精巧和科學，以應對功能上的差異。膠原纖維組成軟骨的基本框架,軟骨細胞在纖維間呈漫衍分布，淺表層細胞呈梭形，中層和深層細胞為卵圓形或圓形，軟骨細胞是維持關節(jié)軟骨正常代謝的唯一單位。關節(jié)軟骨內不含神經組織，也沒有運輸營養(yǎng)物質的血管、淋巴管，因此軟骨細胞必須依賴關節(jié)液在軟骨內外的交換來完成獲取營養(yǎng)、排出代謝廢的生理活動。外力或退行性病變引發(fā)關節(jié)損傷后無法修復。傳統(tǒng)的關節(jié)損傷療法不能產生在結構、功能方面與正常軟骨相媲美的透明軟

2、骨。隨著組織工程進入臨床，使其有希望成為解決這一問題最有效的途徑。但由于植入的人工軟骨與宿主軟骨力學性能的差異造成修復區(qū)細胞的力學環(huán)境及周圍流場發(fā)生改變，且頻現(xiàn)高應力區(qū)。必將引起軟骨細胞基因表達發(fā)生改變，無法正常代謝，從而造成修復失效。
　　本文分別研究了靜壓載荷和循環(huán)壓縮載荷作用下，修復區(qū)關節(jié)軟骨和軟骨細胞的力學環(huán)境及流場變化。主要的研究方法和仿真結果如下：
　　應用 COMSOL軟件建立缺損軟骨修復的整體模型，及軟骨細胞

3、微觀模型。宿主軟骨考慮其固液雙相特性、纖維增強特性、彈性模量隨軟骨深度變化、滲透率隨深度及應變變化等材料屬性。本文數值模擬研究不同彈性模量的人工軟骨對缺損修復區(qū)的軟骨及軟骨細胞力學環(huán)境的影響。
　　模擬結果表明，隨著載荷作用時間增加，固體基質的液體壓力和等效應力均增加，修復區(qū)的接合面處應力集中最為明顯?？赡軙斐苫|微觀結構及細胞的應力損傷，造成修復失效。經驗證較小彈性模量的人工軟骨（如0.3MPa）對修復區(qū)的整體力學環(huán)境性能有所

4、改善，且可減小結合面處的應力集中程度。
　　研究表明，在軟骨細胞單位中細胞周基質對軟骨細胞具有保護作用，可避免細胞受到過大的應力刺激。使用不同彈性模量的人工軟骨修復缺損時，對各層軟骨細胞的應力分布均有影響，淺表層和中間層細胞應力均增大，淺表層尤為顯著；深層細胞應力略減小。缺損修復對各層區(qū)細胞周圍的流場分布及液體流速和細胞所受的液體壓力也有影響，即改變了軟骨細胞依靠液體流動供給營養(yǎng)的方式。通過分析，可以明確臨床修復中引起修復失效的潛