人体关节接触力学,摩擦学与假体材料

人体关节与软骨的力学性能和生物学行为，关节的保健与康复，均受关节软骨承受的载荷的影响，研究关节在静，动载荷下，两相软骨层的接触力学与摩擦学对临床医学和假体移植以及仿生机械均有重要意义。这里对有关接迷，计算模型，边界摩擦模型以及关节移植假体材料摩擦学特性的近期研究成果与以综述，并指出有待深入研究的课题。     

含半月板的活体股胫关节接触特性有限元分析

股胫关节接触生物力学研究是人们保护关节减少伤害,理解关节软骨退化造成骨关节病力学成因的关键.该文利用一系列活体膝关节磁共振断层扫描图像(MRI), 构建了含半月板、股胫关节软骨和股骨、胫骨三维实体的膝关节有限元模型.探讨了用有限元显式非线性动力学方法求解关节间存在相对滑动和摩擦时股胫关节接触特性,并模拟分析了在步行过程中外载荷变化时股胫关节的接触力学特性.仿真分析表明: 在载荷增加时,股胫关节接触面积增加,而股胫关节内外侧接触面积之比几乎不变,内外侧平均接触应力基本相等.     

关节软骨内部损伤演化力学机制的数值分析

从关节软骨的细观结构出发,建立纤维增强多孔黏弹性关节软骨二维细观模型,模型考虑了纤维和基质随软骨深度变化的力学参数,通过数值计算研究了由关节软骨内部纤维损伤引起基质损伤演化的力学规律.结果 显示,在滚压载荷作用下软骨的中层承受应力最大,最容易在中层开始出现损伤演化,随着施加载荷的次数不断增加,损伤首先从中层纤维开始,不...     

结构化水凝胶的仿生润滑研究进展

关节系统优异的摩擦学性能源于软骨表面瓶刷状生物大分子的水化、软骨本身的层状/梯度化结构以及特殊的应力耗散机制,三者协同作用促成了低摩擦、高承载及长寿命的关节软骨体系.受天然关节软骨系统生物润滑机制的启发,科学家们开发了一系列摩擦学性能优异的结构化水凝胶材料.本文综述了结构化水凝胶的仿生润滑研究进展,剖析了其作为关节软骨替代材料的潜在应用价值.最后讨论了结构化水凝胶目前存在的问题以及未来的发展方向.     

膝关节三维有限元模型的建立及分析

通过CT扫描数据和三维重建软件,建立考虑半月板,软骨和韧带的包括完整股骨、胫骨、腓骨的全膝关节三维有限元模型,进行单双腿站立两种工况的数值模拟.计算结果表明:单腿支撑时膝关节的应力大于双足站立时的应力.软骨和半月板,均是内侧受力较大易磨损;半月板内缘所受接触应力相对较大,导致内缘容易磨损.半月板在传递载荷中起十分重要的作用,膝关节中半月板磨损或缺失会导致关节内部载荷传导发生变化,导致应力分布不均,造成关节疾病的进一步恶化.文中结果表明:考虑半月板,软骨和韧带的全膝关节模型能够正确反应膝关节在生理载荷作用下的力学行为,半月板在膝关节承载中起重要作用,保护半月板免受伤害,对于保护膝关节具有重要意义,文中工作对膝关节保护、康复以及假体设计和优化有指导意义.     

步态变化对人体膝关节接触生物力学特性的影响

步态变化对股胫关节接触生物力学特性影响的量化研究对人们认识关节的力学行为,保护关节减少伤害非常重要。通过含半月板、股胫关节软骨和股骨、胫骨三维实体的膝关节有限元模型,仿真分析了在步态发生变化时膝关节股胫关节的接触力学特性。仿真分析表明:步态变化后股胫关节内外侧接触面积和接触应力发生了变化,内收外展角度的变化比内外旋角度的变化对膝关节生物力学特性的影响大,膝关节外旋同时出现外展时会加重股胫关节外侧的应力。     

滚压载荷下关节软骨的溶质传递

为研究关节软骨在滚压载荷下溶质的扩散行为,取成年猪关节软骨,用异硫氰酸荧光素—右旋糖酐标记,分别观察在滚压载荷和静置状态下,软骨中溶质荧光强度随时间和软骨层位置的变化,得到相对浓度和扩散系数的变化规律。结果表明,滚压载荷样本B的溶质相对浓度始终大于静置状态样本A,平均值最大相差62.4%,随时间增加,B组软骨中层和深层相对浓度比A组增加明显;B组扩散系数高于A组,平均值最大相差93%,随时间增加,B组软骨中间层扩散系数比A组显著增加。因此,滚压载荷可以促进关节软骨的溶质传递,提高溶质的扩散系数,特别是对中层和深层影响显著。     

步态变化对人体膝关节接触生物力学特性的影响

步态变化对股胫关节接触生物力学特性影响的量化研究对人们认识关节的力学行为,保护关节减少伤害非常重要。通过含半月板、股胫关节软骨和股骨、胫骨三维实体的膝关节有限元模型,仿真分析了在步态发生变化时膝关节股胫关节的接触力学特性。仿真分析表明:步态变化后股胫关节内外侧接触面积和接触应力发生了变化,内收外展角度的变化比内外旋角度的变化对膝关节生物力学特性的影响大,膝关节外旋同时出现外展时会加重股胫关节外侧的应力。     

聚乙烯醇水凝胶与人关节软骨摩擦特性比较

利用自行研制的振子式摩擦仪测定了聚乙烯醇水凝胶自摩擦副、人关节软骨/聚乙烯醇水凝胶摩擦副的摩擦因数,并根据其Stribeck曲线对其摩擦润滑机理进行初步探讨.实验结果表明,在透明质酸润滑条件下,聚乙烯醇水凝胶与人关节软骨具有相似的摩擦学特性,且聚乙烯醇水凝胶自摩擦副的摩擦因数略小于聚乙烯醇水凝胶/人软骨的摩擦因数,由其Stribeck曲线初步判定其润滑机制为液膜润滑.     

完整步态下人工髋关节微动的非线性有限元分析

采用接触非线性有限元模型,分析在生理载荷下一个完整步态中人工髋关节的微动规律.通过CT图像重建出完整股骨三维CAD模型,按照手术要求模拟关节植入,采用面-面模型构造出人工髋关节置换术(THR)后假体与股骨接触非线性有限元模型.按照不同步态事件下髋、膝关节力作为栽荷步进行加载计算.计算结果分析表明:一个步态下人工髋关节的微动在0～25 μm,微动形式分别为沿矢状轴和冠状轴的旋转运动.造成长期效应下的人工髋关节无菌松动的主要原因是关节的微动.     

尿激酶型纤溶酶原激活物对关节软骨蛋白多糖的影响

观察尿激酶型纤溶酶原激活物（urokinase-type plasminogen activator,uPA）对关节软骨基质中蛋白多糖的影响.实验选择健康新西兰大白兔42只并随机分为实验组和对照组,实验组24只,对照组18只;实验组在右膝关节内注射uPA 0.4μg/0.2mL,对照组注射等容量的生理盐水,注射后在4周、8周、12周分批处死取兔软骨提取测定葡糖氨基聚糖（glycosaminoglycan,GAG）含量.结果显示,在不同时期,GAG的总含量均减少,这些改变随时间的延长而渐不明显.由此可知,尿激酶型纤溶酶原激活物能降解关节软骨蛋白多糖,进而导致关节软骨的破坏.     

关节软骨力学行为的数值模拟

关节软骨为一由骨胶原和蛋白聚糖固体相和孔隙流体相组成的多孔材料，其可以用基于混合物理论的两相多孔介质模型准确描述。作者采用有限元数值方法分析关节软骨图限压缩蠕变和应力松弛问题，得到软骨组织在蠕变和应力松弛过程中，固体相和流体相的速度、固体相的有效应力以及孔隙压力等随时间的变化规律。所得到的结果可以为人工软骨材料和人工关节的研制提供理论参考，对生物机械工程等领域的研究具有指导意义。     

家兔髋关节软骨扫描电镜观察

应用扫描电镜对家兔髋关节软骨观察发现:月状面软骨表面和股骨头软骨表面均具由纤维编织而成的网状层,月状面软骨顶部,纤维交错,网状层形态结构复杂而又丰厚;前部与后部次之,股骨头顶部,关节软骨表面的网状层显著低矮、致密,并有一矩形凹陷;下部,网状层呈斑块状,高低错落。     

Friction behavior of coupling motion for natural articular cartilage by reciprocating rotation

Based on the irregular surface of natural cartilage configurations, the tribological characteristics of coupling motion between natural cartilage pairs were investigated by the variation of rotated offset and velocity. Contact displacement, contact load, friction force and coefficient of friction from natural cartilage pairs were measured by a UMT-2 testing machine. In order to obtain the steady part and wavy part, the contact load and contact displacement were decompounded by the five-point sliding average method. These results showed that the contact load was composed of steady load and wavy load. And the contact displacement was composed of cartilage deformation and surface outline. The steady load was similar to exterior load while natural cartilage deformation increased nonlinearly with the sliding time. Wavy load had the correlative coefficient 0.235 with surface outline due to the irregular surface of friction configurations. The coefficient of friction from cartilage friction configurations was less influenced by smaller magnitude in rotated parameters. A few strange summits were obtained in the area of coefficient of friction, and significantly related with local minimal values corresponding to the contact loads. The rotated offsets had clear impact on contact load and a slight impact on contact displacement. Larger offset produced higher wavy magnitude of the contact load. The rotated velocities played an evident role in cartilage deformation, but had a less influence on contact load. Lower velocity brought larger cartilage deformation. Contributed equally to this work Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50535050)     

关节镜和磁共振成像在评价膝关节软骨缺损中的价值分析

目的研究关节镜和磁共振成像测量膝关节软骨缺损的特点及临床诊断价值.方法回顾分析通过手术确诊为膝关节软骨缺损的65例患者临床资料,术前行磁共振成像检查,根据情况行膝关节清理术和软骨缺损修复术,术中行关节镜检查膝关节软骨缺损情况和缺损面积,对软骨缺损行Noyes分级,并与磁共振成像进行对比.结果 MRI和关节镜测量缺损病灶均为163个,人均2.51个,差异无统计学意义(t=0,P=1);MRI测量股骨滑车、内侧和外侧股骨髁软骨缺损面积均小于关节镜测量面积,差异具有统计学意义(P0.05);2名影像科医师采用MRI的FSE序列对软骨损伤进行分级,与关节镜分级相一致的均为50例(76.92%);以关节镜作为诊断金标准,MRI诊断敏感度为81.83%,特异度为86.12%,准确度为84.31%.结论关节镜为微创检查,在单纯膝关节软骨缺损诊断中具有局限性,而磁共振成像为无创检查,是术前诊断的常规手段,在显示病灶数目和病灶特征上与关节镜检查相一致,但在缺损面积、缺损范围、缺损程度等方面较关节镜仍有差异.     

BMSCs过表达BMP-4复合同种异体骨修复软骨缺损

目的 针对关节软骨损伤后修复困难,采用腺病毒(Ad)载体介导骨形态发生蛋白(BMP-4)修饰骨髓间充质干细胞(BMSCs),并复合同种异体骨软骨柱支架,以期实现关节软骨有效再生.方法 制备同种异体骨软骨柱,BMSCs过表达BMP-4复合同种异体骨修复关节软骨损伤,膝关节标本取材大体观察及分析,HE、番红固绿、Masso...     

Preparation of PLGA-collagen hybrid scaffolds with controlled pore structures for cartilage tissue engineering

Scaffolds used for cartilage tissue engineering should have high mechanical strength and well-controlled pore structure to provide suitable microenvironments for functional tissue regeneration. In this study, hybrid scaffolds which had open and interconnected pore structure and high mechanical property were prepared by hybridization of PLGA mesh and collagen using ice particulates as porogen templates. Embossing ice particulates template was used to form open pore structures on the scaffold surfaces. Free ice particulates were used to generate interconnected bulk pores in the scaffolds. Hybridization with PLGA mesh provided the scaffolds with high mechanical property. Bovine articular chondrocytes were cultured in the hybrid scaffolds. The unique pore structures facilitated the homogeneous distribution of chondrocytes and cartilaginous matrices throughout the scaffolds. Subcutaneous implantation demonstrated cartilage-like tissue regeneration. The hybrid scaffolds should have a high potential for cartilage tissue engineering.     

太行山猕猴蹠骨形态学比较

目的:对太行山猕猴5根蹠骨的非测量形态特征进行描述.方法:对5根猕猴蹠骨的近侧端关节面的形态特征的比较.结果表明:5根蹠骨形态特征显著,通过近侧端关节面的形态比较,可以很容易将5根蹠骨区分.同样根据各个蹠骨近侧端关节面对称性和侧面之间的衔接,可以将每根蹠骨的的侧别区分;但是根据蹠骨形态特征无法区分性别.