軟骨缺損修復(fù)的有限元模擬及滾壓裝置的設(shè)計(jì).pdf

1、關(guān)節(jié)炎或運(yùn)動(dòng)損傷通常引起關(guān)節(jié)軟骨的退化和缺損，導(dǎo)致患者行動(dòng)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(fù)。研究者嘗試各種辦法修復(fù)損傷或再生軟骨，目前組織工程成為一種理想的生物學(xué)修復(fù)方法，正走向臨床。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明軟骨對(duì)力學(xué)刺激非常敏感，適當(dāng)?shù)牧W(xué)刺激能夠促進(jìn)軟骨的生長(zhǎng)發(fā)育，維護(hù)軟骨的結(jié)構(gòu)和功能。但組織工程修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損時(shí)的力學(xué)狀態(tài)無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)有的測(cè)量手段獲得，這給最終修復(fù)結(jié)果帶來(lái)了更大的不確定性。此外，現(xiàn)有生

2、物反應(yīng)器培養(yǎng)出的人工軟骨力學(xué)功能不足，限制了臨床軟骨缺損修復(fù)的進(jìn)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(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)工具，綜合生物學(xué)理論、組織器官體外培養(yǎng)的工程學(xué)理論、材料力學(xué)、理論力學(xué)、機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)組織工程修復(fù)軟骨缺損后缺損處軟骨應(yīng)力分布的影響因素進(jìn)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(dòng)-滑動(dòng)速度可調(diào)的滾壓加載生物反應(yīng)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(fù)的滾壓加載有限元模型，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)缺損處人工軟骨和宿主軟骨的應(yīng)力分布進(jìn)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(gè)因素對(duì)缺損處應(yīng)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(duì)缺損處應(yīng)力分布影響明顯，通常載荷下，其自身最大應(yīng)力變化達(dá)到2.47倍，宿主軟骨最大應(yīng)力變化達(dá)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(yīng)力相差3.26倍。本模擬中使用的載荷速度和缺損大小對(duì)軟骨應(yīng)力值的影響較不明顯，但仍對(duì)軟骨受力分布產(chǎn)生一定影響。
　　 2.針對(duì)現(xiàn)有生物反應(yīng)器培養(yǎng)人工軟骨的不足，設(shè)計(jì)了用于體外功能化軟骨構(gòu)建的滾壓加載生物反應(yīng)器。該裝置動(dòng)力源由電機(jī)輸送給變速箱，變速箱的兩根輸出軸分別連接絲杠機(jī)構(gòu)，兩套絲杠機(jī)構(gòu)分別帶動(dòng)滾動(dòng)加載機(jī)構(gòu)和滑動(dòng)加載機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)-滑動(dòng)同時(shí)加載的過(guò)程，其滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷速度比例可調(diào)，當(dāng)然也可實(shí)現(xiàn)單純滾動(dòng)或滑動(dòng)加