壓縮載荷作用下關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)區(qū)細(xì)胞的力學(xué)環(huán)境研究.pdf

1、關(guān)節(jié)軟骨的構(gòu)造非常精巧和科學(xué)，以應(yīng)對(duì)功能上的差異。膠原纖維組成軟骨的基本框架,軟骨細(xì)胞在纖維間呈漫衍分布，淺表層細(xì)胞呈梭形，中層和深層細(xì)胞為卵圓形或圓形，軟骨細(xì)胞是維持關(guān)節(jié)軟骨正常代謝的唯一單位。關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)不含神經(jīng)組織，也沒(méi)有運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的血管、淋巴管，因此軟骨細(xì)胞必須依賴關(guān)節(jié)液在軟骨內(nèi)外的交換來(lái)完成獲取營(yíng)養(yǎng)、排出代謝廢的生理活動(dòng)。外力或退行性病變引發(fā)關(guān)節(jié)損傷后無(wú)法修復(fù)。傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)損傷療法不能產(chǎn)生在結(jié)構(gòu)、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(jìn)入臨床，使其有希望成為解決這一問(wèn)題最有效的途徑。但由于植入的人工軟骨與宿主軟骨力學(xué)性能的差異造成修復(fù)區(qū)細(xì)胞的力學(xué)環(huán)境及周圍流場(chǎng)發(fā)生改變，且頻現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)。必將引起軟骨細(xì)胞基因表達(dá)發(fā)生改變，無(wú)法正常代謝，從而造成修復(fù)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(fù)區(qū)關(guān)節(jié)軟骨和軟骨細(xì)胞的力學(xué)環(huán)境及流場(chǎng)變化。主要的研究方法和仿真結(jié)果如下：
　　應(yīng)用 COMSOL軟件建立缺損軟骨修復(fù)的整體模型，及軟骨細(xì)胞

3、微觀模型。宿主軟骨考慮其固液雙相特性、纖維增強(qiáng)特性、彈性模量隨軟骨深度變化、滲透率隨深度及應(yīng)變變化等材料屬性。本文數(shù)值模擬研究不同彈性模量的人工軟骨對(duì)缺損修復(fù)區(qū)的軟骨及軟骨細(xì)胞力學(xué)環(huán)境的影響。
　　模擬結(jié)果表明，隨著載荷作用時(shí)間增加，固體基質(zhì)的液體壓力和等效應(yīng)力均增加，修復(fù)區(qū)的接合面處應(yīng)力集中最為明顯?？赡軙?huì)造成基質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及細(xì)胞的應(yīng)力損傷，造成修復(fù)失效。經(jīng)驗(yàn)證較小彈性模量的人工軟骨（如0.3MPa）對(duì)修復(fù)區(qū)的整體力學(xué)環(huán)境性能有所

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