加载速率对关节软骨变形特性影响的研究

第30卷第12期V ol.30 No.12 工程力学

2013年 12 月Dec. 2013 ENGINEERING MECHANICS 298 文章编号：1000-4750(2013)12-0298-07

加载速率对关节软骨变形特性影响的研究

钱善华1，刘利国1，倪自丰1，葛世荣2，靳忠民3,4

(1. 江南大学机械工程学院，无锡 214122；2. 中国矿业大学机电工程学院，徐州 221116；

3. 西安交通大学机械工程学院，西安 710049；

4. 利兹大学机械工程学院，利兹 LS29JT)

摘要：通过对不同加载速率下关节软骨变形特性的研究，探讨关节软骨在异常应力下的损伤机制。在UMT-2多功能试验机上开展三种加载速率下关节软骨的压缩试验，并建立相应的有限元模型。在线性加载下，关节软骨的弹性模量随应变经历了先急剧下降后缓慢增加的变化；有限元模拟的应变与试验测定的应变的偏差低于0.025；

当加载速率为0.01MPa/s和0.0067MPa/s时，软骨弹性模量和孔隙压力的差异较小，但与加载速率0.02MPa/s对应的弹性模量和孔隙压力的差异较为显著。加载速率对软骨变形和孔隙压力有着显著影响，但当加载速率低于某一值时，软骨变形对加载速率的依赖性降低，其研究结果有助于深入理解在异常应力速率下关节软骨的损伤机制。

关键词：线性加载；单向压缩；有限元；弹性模量；液体承载；异常应力

中图分类号：R318.1 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0235

INVESTIGATION ON ARTICULAR CARTILAGE DEFORMATION PROPERTIES AFFECTED BY LOADING RATES

QIAN Shan-hua1 , LIU Li-guo1 , NI Zi-feng1 , GE Shi-rong2 , JIN Zhong-min3,4

(1. School of Mechanical Engineer, Jiangnan University, Wuxi 214122, China;

2. School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;

3. School of Mechanical Engineering, Xian Jiaotong University, Xi’an 710049, China;

4. School of Mechanical Engineering, University of Leeds, Leeds LS29JT, UK)

Abstract: By means of the investigation on the articular cartilage deformation properties affected by the different loading rates, the injury mechanism of the natural cartilage by the abnormal stress is discussed. The compression experiment on the cartilage deformation at three loading rates was carried out on the UMT-2 multi-functional testing rig, and the corresponding finite element model was established. The results show that the elastic modulus undergoes initially a sharp decline and then a slow incline with the increase strain. The strain measured from the experiment is within 0.025 of the finite element precision. As the loading rates are 0.01MPa/s and 0.0067MPa/s, the differences of the pore pressure carried by the cartilage matrix and the elastic modulus are negligible. But as for the loading rate of 0.02MPa/s, the corresponding pore pressure and elastic modulus are markedly different. Loading rate plays a significant role on the cartilage deformation and pore pressure, but while the loading rate is below a certain value, the dependence of the cartilage deformation on the loading rate is reduced, indicating that these results could be helpful to deeply understand the injury mechanism of a cartilage matrix by the abnormal stress rate.

Key words:linear load; uniaxial compression; finite element; elastic modulus; fluid load; abnormal stress ———————————————

收稿日期：2013-03-22；修改日期：2013-09-28

基金项目：国家自然科学基金项目(50535050，51205168)；摩擦学国家重点实验室开放基金项目(SKLTKF12B09)

通讯作者：钱善华(1980―)，男，江苏射阳人，讲师，博士，主要从事生物摩擦学和润滑技术研究(E-mail: qianjnwx@836ee147eff9aef8941e069f).

作者简介：刘利国(1962―)，男，山东济宁人，副教授，博士，主要从事表面工程和摩擦学研究(E-mail: liuliguo@836ee147eff9aef8941e069f)；

倪自丰(1981―)，男，江苏大丰人，副教授，博士，主要从事生物摩擦学研究(E-mail: nizf@836ee147eff9aef8941e069f)；

葛世荣(1963―)，男，浙江天台人，教授，博士，博导，主要生物摩擦学和煤矿救援装备研究(E-mail: gesr@836ee147eff9aef8941e069f)；

靳忠民(1963―)，男，陕西西安人，教授，博士，博导，主要从事生物摩擦学和人工关节研究(E-mail: zmjin@836ee147eff9aef8941e069f).

工程力学 299

关节软骨是位于骨骼与骨骼之间的多孔粘弹性材料，组织间隙为液体所充满，在应力作用下，液体可在组织中自由流进流出。因此，研究软骨的应力-应变的变化规律有助于深入了解软骨传递载荷特征及其组织的健康状况。在正常软骨与病变软骨方面，程杰平等[1]发现病变组的各项力学性能指标均显著低于正常组；在天然软骨和人工软骨方面，李峰等[2]发现人体膝关节软骨的压缩模量约为聚乙烯醇水凝胶人工软骨模量的2.3倍；而在年龄方面，张全有等[3]发现年龄对软骨细胞粘弹性及其恢复变形能力产生显著影响，老年组软骨细胞各项粘弹性参数值均明显高于幼年和中年组软骨细胞；在不同加压方式下，孟维春等[4]发现所测定的瞬时弹性模量具有显著差异，而在交变应力下应变滞后于应力的相位差约为0.25[5]。随着加载频率的增加，软骨的存储模量经历了先增加后稳定的变化，但其损失模量几乎保持不变[6]。在软骨数值模拟中，深度变化对软骨内的液体流动场有着重要影响[7]。

关节软骨所处的应力环境非常复杂，变化因素有载荷强度、加载速率和载荷频率等。力学载荷-软骨生物反应的研究表明，应力的加载速率是关节软骨损伤的重要因素[8]；张春秋等[9]发现滚压载荷是适合于软骨培养的力学环境，对软骨培养物有利于形成纵向的动态压缩和横向的动态变形剪应力。而在日常活动中，动物关节承受低加载速率的应力载荷，但在一些特殊的非生理性力学环境下关节软骨会遭受高加载速率的应力载荷，软骨基质的胶原结构可能会受到破坏，从而加快关节软骨的损伤过程。因此，本文将通过线性载荷的加载时间模拟不同加载速率，研究关节软骨在不同加载速率下的变形特征，探讨软骨内部的液体流动及承载特性，其研究结果有助于深入理解在异常应力速率下软骨的损伤机制。

1 材料与方法

材料选取新鲜成年牛大腿骨的膝盖表面软骨，保留软骨下骨。

的圆柱形试样，软骨层和软骨下骨的平均厚度分别是1.8mm和2mm。用抛光机将软骨下骨的底层表面磨平，以保证与软骨表面同处一个水平面上。取样后将软骨试样放入生理盐水中，保存在-20℃低温箱内。Maroudas等[10]证实了软骨在低温-20℃保存，不影响软骨的力学特性。试验时，软骨样本在常温下自然解冻，再置于50%牛血清(牛血清，购于杭州四季青生物工程材料有限公司)溶液中浸泡至少3h，试验的牛血清浓度是50%。

软骨变形测试在Universal Micro Tribotester-2型多功能试验机上(UMT-2, Center of Tribology, America)模拟关节软骨的加载运动，图1所示为变< …… 此处隐藏：11280字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……