软骨组织无约束压缩的有限元仿真及实验研究

论文摘要

随着社会人口老龄化和意外导致的创伤增加,骨关节炎和关节软骨损伤发病率越来越高,严重危害人类生活健康和生活质量,给家庭和社会带来了巨大负担。而且关节软骨一旦发生损伤,很难自我痊愈。研究关节软骨结构、材料与力学性能之间的相互关系,对防治关节病、指导临床诊断和病理研究具有重要意义。同时对关节软骨修复——人工关节软骨置换和软骨组织工程材料选取和制备具有指导意义。本文首先对关节软骨无约束压缩力学进行有限元仿真分析。结合关节软骨特殊的生理构成,综合考虑关节软骨固相、液相和纤维增强相三相结构、关节软骨分层结构以及关节软骨渗透率随固体基质膨胀率变化特性,建立关节软骨纤维增强多孔弹性有限元模型。基于该模型,应用ABAQUS软件和FORTRAN语言编程嵌套,从几何模型建立、物理模型建立和求解分析等几个方面展开,通过无约束阶梯压缩实验对模型进行相关验证。揭示了关节软骨的承载机理和相关应力松弛效应,研究了各组成材料参数对关节软骨力学性能的影响。实验研究方面,改进了生物力学性能测试系统,结合数据采集系统测试了不同应变、不同应变率下生猪软骨组织无约束压缩位移—载荷及其应力松弛特性。应用MATLAB、PSI-PLOT等数据处理软件,研究不同应变、不同应变率下生猪软骨组织无约束压缩应力—应变、稳态弹性模量之间的关系。结合关节软骨纤维增强多孔弹性模型,通过阶梯加载实验进行了实测对比验证和分析。论文工作还包括将制备的羟基磷灰石—聚乙烯醇复合水凝胶、壳聚糖组织工程支架与生猪软骨组织进行力学性能对比分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 关节软骨生理结构与力学性能
• 1.3 国内外研究现状及分析
• 1.3.1 关节软骨有限元分析
• 1.3.2 软骨力学性能实验研究
• 1.3.3 软骨组织工程材料与制备
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 关节软骨无约束压缩有限元模型建立
• 2.1 建模流程
• 2.2 几何模型建立
• 2.3 物理模型建立
• 2.3.1 材料模型
• 2.3.2 边界条件
• 2.4 求解分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于关节软骨FRPE 模型的力学性能研究
• 3.1 关节软骨承载
• 3.1.1 有效应力原理
• 3.1.2 Mandel-Cryer 效应
• 3.1.3 FRPE 模型相关验证
• 3.2 固体基质材料参数对关节软骨力学性能影响
• 3.2.1 弹性模量对关节软骨力学性能影响
• 3.2.2 泊松比对关节软骨力学性能影响
• 3.2.3 渗透率对关节软骨力学性能影响
• 3.3 胶原纤维材料参数对关节软骨力学性能影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 生猪软骨组织力学性能研究
• 4.1 生物力学性能测试系统调试
• 4.2 生猪软骨组织力学性能测试
• 4.2.1 不同应变下力学性能测试
• 4.2.2 不同应变率下力学性能测试
• 4.3 无约束阶梯加载仿真对比分析
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢