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)異潤滑性能和承載能力的組織，在人體關(guān)節(jié)正常運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。但對于同樣的軟骨對金屬關(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)計算作為理論工具研究了軟骨的間質(zhì)流動。其次結(jié)合同步輻射相襯成像和

2、示蹤劑，對關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的間質(zhì)流動情況進(jìn)行了實驗驗證。另外通過軟骨的摩擦實驗分析了軟骨的兩相潤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，并運用它對半髖人工關(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：
　　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)合軟骨的蠕變實驗測量了軟骨力學(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，并建立了軟骨細(xì)胞跨尺度力學(xué)計算方法。通過軟骨流動電勢測量實驗對以上軟骨生物力學(xué)模型進(jìn)行了驗證，得到的實驗結(jié)果與模型計算結(jié)果相一致。
　　第二，在上海光源開展了軟骨間質(zhì)流動的實驗驗證。首先篩選出合適的軟骨造影劑，測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?；?/p>

4、以上數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，分析了軟骨間質(zhì)流動驗證實驗面臨的難點，并提出了實驗技術(shù)方案。使用軟骨力學(xué)模型對技術(shù)方案進(jìn)行了理論分析并進(jìn)行了預(yù)實驗驗證，優(yōu)化了參數(shù)。最后對正常軟骨組和OA軟骨組的間質(zhì)流動進(jìn)行了實驗。兩組軟骨樣本循環(huán)載荷下的間質(zhì)流動模式存在較大差異。
　　第三，根據(jù)軟骨對軟骨摩擦實驗和力學(xué)計算，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)。載荷的移動速度對維持軟骨表面間質(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)表面電勢促進(jìn)脂質(zhì)體的吸附，有利于潤滑；而正表面電勢排斥脂質(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)。運用軟骨細(xì)胞跨尺度力學(xué)計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)計算結(jié)果與文獻(xiàn)實驗中取得的結(jié)果一致。相反OA軟骨細(xì)胞的力學(xué)計算結(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接觸潤滑模式，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，擠壓膜計算也顯示半髖置換后的擠壓膜持續(xù)時間比天然髖關(guān)節(jié)下降了62％。髕骨憑借自身的滑移運動保證了移動接觸的潤滑模式，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