軟骨缺損修復的有限元模擬及滾壓裝置的設(shè)計.pdf

1、關(guān)節(jié)炎或運動損傷通常引起關(guān)節(jié)軟骨的退化和缺損，導致患者行動不便甚至關(guān)節(jié)致殘。骨頭斷了可以再生愈合，軟骨損傷了卻不能自己修復。研究者嘗試各種辦法修復損傷或再生軟骨，目前組織工程成為一種理想的生物學修復方法，正走向臨床。理論和實驗研究表明軟骨對力學刺激非常敏感，適當?shù)牧W刺激能夠促進軟骨的生長發(fā)育，維護軟骨的結(jié)構(gòu)和功能。但組織工程修復關(guān)節(jié)軟骨缺損時的力學狀態(tài)無法通過實驗或現(xiàn)有的測量手段獲得，這給最終修復結(jié)果帶來了更大的不確定性。此外，現(xiàn)有生

2、物反應器培養(yǎng)出的人工軟骨力學功能不足，限制了臨床軟骨缺損修復的進展。
　　 本文依據(jù)膝關(guān)節(jié)軟骨生理結(jié)構(gòu)和受力形式，借助有限元仿真技術(shù)和計算機三維設(shè)計工具，綜合生物學理論、組織器官體外培養(yǎng)的工程學理論、材料力學、理論力學、機械原理和機械設(shè)計，對組織工程修復軟骨缺損后缺損處軟骨應力分布的影響因素進行了較全面的研究，并首次提出用于構(gòu)建功能化軟骨的滾動-滑動速度可調(diào)的滾壓加載生物反應器，工作的主要內(nèi)容及結(jié)果包括：
　　 1.從膝

3、關(guān)節(jié)軟骨受力的最小單元出發(fā)，建立軟骨缺損修復的滾壓加載有限元模型，利用有限元軟件ABAQUS對缺損處人工軟骨和宿主軟骨的應力分布進行仿真分析，探索人工軟骨彈性模量、壓縮量、載荷速度和缺損大小四個因素對缺損處應力分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明，植入人工軟骨彈性模量對缺損處應力分布影響明顯，通常載荷下，其自身最大應力變化達到2.47倍，宿主軟骨最大應力變化達到4.31倍；以人工軟骨彈性模量0.6MPa為例，不同載荷下(壓縮量5％-30％)人工軟骨

4、和宿主軟骨應力相差3.26倍。本模擬中使用的載荷速度和缺損大小對軟骨應力值的影響較不明顯，但仍對軟骨受力分布產(chǎn)生一定影響。
　　 2.針對現(xiàn)有生物反應器培養(yǎng)人工軟骨的不足，設(shè)計了用于體外功能化軟骨構(gòu)建的滾壓加載生物反應器。該裝置動力源由電機輸送給變速箱，變速箱的兩根輸出軸分別連接絲杠機構(gòu)，兩套絲杠機構(gòu)分別帶動滾動加載機構(gòu)和滑動加載機構(gòu)，實現(xiàn)了滾動-滑動同時加載的過程，其滾動載荷與滑動載荷速度比例可調(diào)，當然也可實現(xiàn)單純滾動或滑動加