力學(xué)載荷促進(jìn)軟骨傳質(zhì)的仿真研究.pdf

1、關(guān)節(jié)軟骨呈乳白淡藍(lán)色，表面光滑且半透明，有光澤，具有多種多樣無可替代的獨(dú)特功能和重要作用。但是關(guān)節(jié)軟骨是臨床疾病多發(fā)部位，并且關(guān)節(jié)軟骨自身恢復(fù)能力低。關(guān)節(jié)軟骨缺損經(jīng)常造成關(guān)節(jié)功能障礙等疾病，從而影響人們的正?；顒?dòng)和日常生活。故對(duì)軟骨傳質(zhì)的研究成為了國內(nèi)外的熱點(diǎn)。正常軟骨的傳質(zhì)過程需要在一定的外界載荷作用下進(jìn)行。本文采用有限元數(shù)值模擬分析關(guān)節(jié)軟骨在力學(xué)載荷作用下的傳質(zhì)，根據(jù)仿真結(jié)果研究不同載荷作用下傳質(zhì)的規(guī)律，為臨床疾病治療和組織修復(fù)等提

2、供科學(xué)依據(jù)。
　　根據(jù)傳質(zhì)理論中的斐克第二定律，質(zhì)量守恒定律以及傳熱和傳質(zhì)在數(shù)值上的等效，提出了軟骨傳質(zhì)的仿真方案，運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立軟骨模型，對(duì)模型施加靜態(tài)壓縮，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，兩者具有較好的相關(guān)性，表明了模擬方法的正確性。
　　基于靜態(tài)壓縮時(shí)的仿真模型，研究動(dòng)態(tài)壓縮對(duì)軟骨傳質(zhì)的影響以及動(dòng)態(tài)壓縮參數(shù)對(duì)傳質(zhì)的影響。結(jié)果表明：①軟骨施加載荷之后，軟骨傳質(zhì)速度比靜置時(shí)加快了很多。②動(dòng)態(tài)壓縮載荷作用下，在初期

3、軟骨傳質(zhì)在深層和中間層的速度十分緩慢，而淺表層的傳質(zhì)速度很快，但隨著時(shí)間的增加，淺表層濃度增長緩慢，趨于穩(wěn)定的濃度值，而中間層和深層增速加快。③壓縮幅值相同時(shí)，靜態(tài)壓縮與動(dòng)態(tài)壓縮相比，軟骨內(nèi)部溶質(zhì)更容易擴(kuò)散。④動(dòng)態(tài)壓縮振幅增加時(shí)，軟骨內(nèi)溶質(zhì)濃度隨時(shí)間均為上升趨勢(shì)，淺表層增加明顯，但隨著幅值的增加，溶質(zhì)擴(kuò)散受到抑制，且幅值越大，抑制作用越明顯。⑤動(dòng)態(tài)壓縮頻率增加，有利于軟骨各層溶質(zhì)擴(kuò)散，頻率越大，擴(kuò)散速度增加越明顯，淺表層變化明顯。

4、>　　對(duì)滑動(dòng)載荷作用下軟骨傳質(zhì)規(guī)律進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：①在初期軟骨傳質(zhì)在深層的速度相對(duì)緩慢，而在中間層和淺表層的傳質(zhì)速度較快。但隨著時(shí)間的增加，淺表層濃度增長緩慢，趨于穩(wěn)定的濃度值，中間層增速也有所下降，然而深層傳質(zhì)速度的增加十分明顯。②滑動(dòng)載荷作用壓縮量增加時(shí)，軟骨內(nèi)溶質(zhì)濃度隨時(shí)間均為上升趨勢(shì)，但隨著壓縮量的增加，對(duì)溶質(zhì)擴(kuò)散有抑制作用，其中中間層的抑制作用最大，深層的抑制作用最小。③滑動(dòng)速度的增加，有利于軟骨各層溶質(zhì)擴(kuò)散，其中中間

5、層和深層的擴(kuò)散速度增加十分明顯。仿真結(jié)果為今后進(jìn)一步研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。
　　研究不同模型對(duì)仿真結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)：①在運(yùn)用ANSYS進(jìn)行仿真時(shí)，分層和不分層對(duì)軟骨傳質(zhì)研究的影響很小。為了操作簡便，提高效率，可以不對(duì)軟骨進(jìn)行分層。②在運(yùn)用ANSYS進(jìn)行仿真時(shí)，三維模型與二維模型存在差異，由于三維模型的建立和載荷的施加更接近于真實(shí)情況，所以在研究軟骨傳質(zhì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮三維模型，提高計(jì)算的準(zhǔn)確度。仿真結(jié)果為下一步仿真模擬時(shí)模型的選