关节软骨的多孔弹性及分层电学特性研究
作者单位：太原理工大学
学位级别：硕士
导师姓名：武晓刚
授予年度：2022年
摘 要：骨关节炎是一种多因素的复杂疾病,严重威胁人类健康。尽管它的发生和发展的发病机制尚不完全清楚,但软骨缺损已被公认是其过程中的一个重要环节。研究表明,软骨缺损后流体流动行为的改变可能会产生功能性后果,进而反馈到损伤的发展过程中,最终导致软骨的进行性退变。而且由于受损软骨的自愈能力十分有限,人工关节软骨置换和软骨组织工程在关节软骨修复领域显示出良好的应用前景。但无论是人工关节软骨,还是软骨组织工程支架都必须满足一定的形状要求和性能要求,以恢复软骨的正常功能。所以,关节软骨材料特性的表征是研究软骨疾病和软骨修复干预措施的重要前提。迄今,已有大量的工作对关节软骨深度相关的力学特性进行了研究,但这些方法都是基于全层软骨进行表征,而不同区域的软骨可能相互影响。另外生物阻抗分析已被广泛应用于基础和临床科学,它可以检测到组织学上的轻微变化,但目前还没有工作对软骨深度相关的电阻抗特性进行研究。关节软骨深度相关的力学特性和电学特性还有待进一步研究。本文的主要工作及结论如下:（1）本文首先建立了一个简化的多孔弹性关节软骨模型,得到了理想化软骨损伤模型中孔隙流体压力和速度的解析解,通过MATLAB进行赋值计算并与有限元结果对比,结果显示数值解析解与有限元结果具有良好的一致性。进一步地建立了真实的人膝关节软骨的多孔弹性模型,研究了不同的软骨表面缺损对组织内部压力和流速的影响,以进一步探讨软骨退化的机制。此外,由于退变过程中关节软骨的渗透率性明显增加而弹性模量明显降低,本文还讨论了渗透率性和弹性模量的影响。结果显示与正常软骨相比,缺损软骨的间质流体压力和流速均减小,且随着缺损半径或厚度的增加,这一趋势更为严重。随着软骨退化过程的发生,液体流速增加造成严重的营养物质流失,这可能是液体流动参与下的损伤机制。（2）本文对猪关节软骨的上、中、下三层区域分别进行了电阻抗分析,压缩松弛试验以及渗透率测试,得到软骨各个区域关于电阻率,相位角,弹性模量,松弛时间,最终松弛速率以及渗透率的数据集以探讨猪关节软骨的分层力学特性和电学特性,以服务于临床骨关节炎疾病的治疗和诊断及填充修复材料的研究和应用。研究结果表明,不同软骨层的力学性能和电阻抗特性存在显著差异,其中电阻率,弹性模量,松弛时间和最终松弛速率都沿软骨厚度由表层向深层逐渐增大,而渗透率沿软骨厚度由表层向深层逐渐减小。本文采用理论数学建模和有限元的方法对缺损软骨内部的间隙液体流动进行了研究,另外我们还对猪关节软骨的力学特性和电学特性进行了探究,旨在为临床骨关节炎疾病的治疗和诊断及填充修复材料的研究和应用提供数据支持。
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