骨与膝关节生物力学行为研究

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第６期郝智秀等：骨与膝关节生物力学行为研究・６０７・

图１骨小梁三维微破裂（ＳＥＭ疲劳，×３００）（箭头所指）

Ｆｉｇ．１３ＤＭｉｃｍｃｒａｃｋｓｏｆｂｏｎｅｔｒａｂｅｃｕｌａ（ＳＥＭＦａｔｉｇｕｅ，×３００）Ｔｈｅｍｉｃｒｏｃｒａｃｋｓｗｅｒｅｍａｒｋｅｄｂｙａｒｒｏｗｉｎｔｈｅｆｉｇｕｒｅ

图２骨小梁超微小梁（ＳＥＭ，２０ＫＶ，×１００００）（箭头所指）Ｆｉｇ．２Ｕｌｔｒａ＿ｔｍｂｅｃｕｌａｅｏｆＢｏｎｅ（ＳＥＭ，２０ＫＶ，×１００００）

Ｔｈｅｕｌｔｒａ－ｔｒａｂｅｃｕｌａｅｗａｓｍａｒｋｅｄｂｙａｒｒｏｗｉｎｔｈｅｆｉｇⅢｅ

来越吸引人的关注．有研究表明，电磁刺激对骨组织和成骨细胞有重要作用，而成骨细胞作为骨发生细胞对于骨损伤的修复与重建至关重要．临床上电磁场已被用于治疗骨折、骨不连、骨质疏松等骨科病症，并已取得了满意的效果．可见，虽然电磁场对成骨细胞作用的最佳参数尚无定论，其对骨组织有重要影响却是无可置疑的．Ｑｉｎ、Ｑｕ和Ｙｕ等［４９’５０３据此建立了多场耦合载荷作用下的骨损伤和重建模型，引入了生长因子等生物因素，考虑了电磁场和力载荷对骨损伤和重建的影响，研究了多场耦合载荷作用下的骨损伤演化和重建过程，对多场耦合载荷作用下的骨损伤和重建的模拟进行了有益尝试．通过理论模型对骨的损伤和重建过程进行模拟具有重要的现实意义，通过对骨损伤和修复行为的研究，掌握其损伤演化以及修复的机理，可以清楚地知道哪些因素对骨的损伤和修复的影响如何，从而指导骨损伤的疗伤过程，达到恢复或改善骨组织功能的目的，并且为骨骼疾病的治疗和康复提供理论和技术上的支持．２．２半月板及软骨组织力学性能

半月板是膝关节独有的重要结构之一，是位于胫骨平台上方与股骨接触的两片半月状纤维骨块，具有吸收震动、润滑及改善负载传递的作用．半月板不同区域、不同深度和不同方向上的力学性能均不相同［５１’５２］．半月板内侧三分之一内的纤维排列为随机辐射状的，外侧三分之二为周向排列．这意味着内侧三分之一体现了半月板的抗压性，而外侧三分之二的排列体现了抗拉性［５引．受到软骨材料二相理论的启发，Ｆａｖｅｎｅｓｉ等［５１］通过对犬科动物的半月板研究得出半月板也是二相材料．他们证实了半月板的液体可以在压力或其它力作用下被从固体相组成的机体中挤出．Ｓｐｉｌｋｅｒ等［５４］应用有限元分析来模拟半月板力学性能，发现二相理论对半月板的描述是非常重要的，并且液相承受了大部分载荷．由于液相的挤出与时间有关，所以半月板表现了一些粘弹性材料的特征，如蠕变、应力松弛等［５３。．

在对软骨的力学性能研究中，Ｍｏｗ等［５ｓ］提出了二相理论（ＢｉｐｈａｓｅＴｈｅｏｒｙ）．他认为关节软骨的材料是由固体相和可渗出的液体相组成．Ｓｈｉｒａｚｉ和Ｓｈｉｒａｚｉ—Ａｄｌ［５６１构建了一种材料多种结构复合的本构关系来描述关节软骨，表述软骨中的纤维束加强部分，并在有限元模拟中研究了不同软骨纤维束的生物力学作用以及对几种不同形式的软骨损伤的影响进行了有限元模拟［ｓ７’５引，有利于今后对软骨损伤的发生和修复机理进行细致的研究．林建华等［５９］在关节软骨生物力学性质实验研究中发现关节软骨的生物力学性质随深度变化，而表层关节软骨对维持软骨生物力学性质极其重要．董启榕等［６叼通过对人和兔膝关节软骨标本进行的单向拉伸和粘弹性实验，发现关节软骨的粘弹性响应随时间的增加而降低，蠕变率随时间降低，最后达到平衡，即由胶原蛋白／蛋白多糖凝胶的变形来支持所受的载荷．一些学者发现软骨的损伤由表面开始，然后向深处扩展，这可以以最大剪应力为特征值来解释［１“６１］，但是这只能解释高负荷区的软骨损伤现象，却并不能解释实验中发现的在低负荷区也会出现损伤这一现象［６２’６引．Ｐｅ丘ａ等‘“３在对关节软骨损伤的研究中提出损伤与切应力增量有关的推测．有限元分析证实，在骨关节炎（０Ａ）指数、软骨损伤和切应力增量之间存在着线性关系，使用切应力增量比使用绝对切应力大小分析损伤的结果更符合临床表现．０Ａ指

数最大值出现在关节软骨的前外部，与其他学者观万方数据

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