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正文

含裂纹缺损关节软骨的单轴准静态拉伸性能

关节软骨:是由高度特异性的软骨细胞和大量细胞外基质组成,无血管、无神经的一种覆盖在软骨下骨表面的结缔组织,表面光滑,富有弹性,负责骨与骨之间的功能性联结,能够传递载荷、缓冲震荡并维持日常活动。蠕变:是指材料在恒定应力水平下随时间的推移应变增加的现象,与塑性变形不同的是,塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现,而蠕变只要应力的作用时间足够长,它在应力小于弹性极限施加的力时也能出现。
摘要:背景:关节软骨一旦出现裂纹缺损其力学性能会发生改变,而先前研究中针对受损关节软骨的探究多集中在压缩,对于拉伸性能的研究较少。目的:预先在软骨层试样上制造裂纹缺损,测试其单轴准静态拉伸性能。方法:选取新鲜成年猪膝关节的关节软骨,制备含裂纹缺损的软骨试样,在不同应力率下(0.001,0.01, 和 0.1 MPa/s)测试其拉伸性能,在不同恒定应力下(1,2,3 MPa)测试其蠕变性能。
结果与结论:①不同应力速率下的拉伸实验中,随着应力速率的增加,达到相同应变所需的应力逐渐增大, 且试件的杨氏模量随应力率的增加而增加;②不同应力速率下含裂纹缺损关节软骨的拉伸应力-应变曲线不重合,说明含裂纹缺损关节软骨的拉伸性能具有率相关性;③不同恒定拉应力水平下的蠕变实验中,蠕变应变随着拉应力水平的提高而增大,蠕变柔量随拉应力水平的提高而降低,并且随着蠕变时间的推移蠕变应变先快速增加后缓慢增加;④结果表明,不同应力率和不同恒定应力对含裂纹缺损关节软骨的拉伸力学性能影响较大,该实验结果可为缺损关节软骨的修复提供力学参考。
关键词:裂纹缺损;关节软骨;单轴拉伸;应力速率;恒定应力;蠕变;生物力学;组织工程
引言:骨关节炎是一种以关节软骨退行性病变、滑膜炎症和周围骨质变化为病理性特征的慢性进行性骨关节病,会造成关节僵硬疼痛,进而活动受限,是目前最常见的关节疾病[1],严重影响了人的正常生活,对家庭和社会造成负担[2]。据统计,患有骨关节炎的人口占全世界的5%,老年人中70%都有关节疾病,治疗费用高达数十亿美元。随着近年来年轻人运动热度的高涨,不适当的运动对关节造成损伤, 骨关节炎患者中年轻人的数量也逐渐上升[3-4]。根据推测, 骨关节炎将成为致残的第四大原因[5]。而关节软骨对于骨关节炎疾病的发生与发展尤为重要[6]
       关节软骨是一种覆盖在软骨下骨表面的结缔组织,能够传递载荷、缓冲震荡并维持日常活动。在复杂的应力环境中,关节软骨同时承受静载荷和动载荷,甚至达到自身质量的10倍[7-9]。关节软骨的退变和破坏是造成骨关节炎的重要因素。关节软骨一旦出现损伤会引起软骨和关节力学性能上的变化,这一变化会对软骨造成更进一步的破坏, 出现恶性循环,最终以软骨层的脱落为软骨退变的结局[10]。而由于关节软骨结构复杂,缺少血供等原因,自我修复能力差,一旦出现损伤会对日常生活带来严重不便[11-12],因此,深入研究缺损关节软骨的力学性能对于其修复治疗具有重要意义。
       关节软骨的力学实验主要为不同部位、年龄、生化条件以及不同加载条件的测量[13-19]。HAYES等[13]分别对正常关节软骨和发生退变的关节软骨进行了蠕变测试,实验发现二者的剪切模量和泊松比存在较大差异,剪切模量的大小依赖于骨性关节炎的变性程度。李振宇等[15]对正常人股骨头关节软骨和坏死的股骨头关节软骨施加拉伸载荷,发现正常人软 骨的应力应 变值高于坏 死的软骨。FLACHSMANN等[17]用8 mm直径的压头对软骨-骨样品进行压缩实验,发现在软骨表层产生长度约1 mm的裂缝,抗压强度将降低到没有裂缝的样品的一半以下。SADEGHI 等[19]对牛肩关节软骨施加不同频率的压缩载荷,发现软骨表面的损伤随频率的增加而显著增加。也有学者针对关节软骨的摩擦性能展开了研究[20-23]。李峰等[20]研究表明随载荷或时间的增加,牛关节软骨表面磨痕宽度和深度都会增加。随着科学技术的发展,关节软骨微观层面的相关研究也随之开展[24-26]。MEDER等[25]使用磁共振显微成像仪器来观察正常软骨和损伤的软骨(采用酶降解软骨后的)在水分扩散幅度和各向异性上的差异,发现最大扩散特征值从浅表层的1.95×10-9 m2/s减小到深层的1.80×10-9 m2/s,而最小扩散特征值则是从1.08×10-9 m2/s减小到0.79×10-9 m2/s,各向异性基本没有变化。
       通过对以上研究的认知,作者针对含裂纹缺损的关节软骨进行了单轴准静态力学性能测试,以不同应力率对含裂纹缺损软骨进行单轴拉伸实验,探究应力率对含裂纹缺损软骨力学性能的影响;在相同应力率下,以不同恒定拉应力对含裂纹缺损软骨进行蠕变实验,探究应力水平对含裂纹缺损软骨蠕变性能的影响。
一、材料和方法
1、设计 生物力学实验。
2、时间及地点 实验于2018-08-11/18在天津理工大学机械工程学院生物力学实验室完成。
3、材料 实验材料是取自凌晨市场宰杀成年猪膝关节的关节软骨。
4、方法
     (1)1 关节软骨样本的处理 样本制作时,由新鲜猪膝关节软骨和软骨下骨组成的30 mm×15 mm的矩形样本块从每根股骨的内侧髁和外侧髁处锯下,见1a,并使用PROXXON微型带锯机将矩形样本块制成30 mm×7 mm的切片,见1b。然后使用带锯机进一步去除样本切片中的软骨下骨,得到带有1.0-2.0 mm厚度软骨下骨的样本条,软骨层厚度最大为2 mm。最后使用砂纸将样本条下的软骨下骨磨除,得到仅由软骨构成的样本。使用医用手术刀制作尺寸为20 mm×5 mm的软骨样本。为增大摩擦力,防止软骨样本脱落,使用砂纸黏结在样本两端突出显示10 mm×5 mm的面积,并使用手术刀将1.13 mm的裂缝切入样品的中部,得到最终的测试样本,见1c。基于McCormack and Mansour的研究,初始裂纹的长度为样本宽度的22.6%[27]。样本制作完成后,当日使用的样本浸泡在生理盐水中,维持生理环境。其余的用纱布和生 理盐水包裹,为了保持胶原纤维的完整,保存在-20 ℃环境中,用于其他实验。
关节软骨测试样本_论文发表





图注:图中 a 为软骨的矩形样本块,b 为软骨切片,c 为最终测试用的软骨样本
图 1 软骨试样的制备

     (2)单轴拉伸实验与蠕变实验  研究使用凯尔测控实验系统有限公司研制的电磁式动态力学实验系统M-100在室温下进行测试,见2。电磁式动态力学实验系统M-100由主机、控制器及驱动器、软件系统构成,可施加载荷最大100 N, 上下夹头空间60-140 mm,电机轴向行程0-15 mm,满足此次实验要求。实验结束后软件系统自动输出时间、载荷(精度达0.000 1 N)和位移数据(精度达0.000 1 mm),用于后期数据分析。






图 2 电磁式动态力学实 验 系 统 M-100
       测试时将黏有砂纸的软骨试样夹持在夹具上,见图3, 对软骨试样施加0.1 N的预载荷以防止试样在测试时绕轴向长度(与加载轴对齐)扭曲。研究针对含有裂纹缺损的关节软骨进行了2个部分的实验。第一部分为测试含裂纹软骨不同应力率下的拉伸性能,分别以0.001,0.01,0.1 MPa/s不同应力速率对试件进行拉伸,直至试件断裂,研究不同应力率下试件的拉伸性能和杨氏模量,同时确定含裂纹缺损软骨的断裂应变以及拉伸强度值,以便确定后面实验的应力水平。第二部分测试含裂纹软骨的蠕变性能。参考第一部分实验得到的拉伸强度,确定选取1,2,3 MPa的恒定拉应力水平,应力速率为0.01 MPa/s对试件进行拉伸蠕变实验,蠕变时间为60 min。






图 3 夹持软骨试样
       考虑到实验的误差,在同样温湿度条件下,由同一个人对各实验均进行3次重复实验,后期数据分析采用3次实验数据的平均值。实验结束后对软件系统自动输出的时间、载荷和位移数据进行计算,并使用Grapher4.0对实验数据进行绘图。
5、主要观察指标      含裂纹缺损关节软骨的单轴拉伸和蠕变数据。
二、结果
       1、不同应力率下含裂纹缺损关节软骨的拉伸性能  在不同拉伸应力率下对含裂纹缺损的软骨试样进行了拉伸性能测试,4为不同应力率下的应力-应变曲线,结果显示不同应力速率对含裂纹缺损的软骨的拉伸性能影响较大, 随着应力速率的升高,达到相同应变所需的应力逐渐增大; 在应力率为 0.001 MPa/s 时,试样的 拉伸强度为(2.72±0.2)MPa;应力率为0.01 MPa/s时,拉伸强度增加为(4.49±0.5)MPa;当应力率为0.1 MPa/s时,试样的拉伸强度达到(4.94±0.7)MPa。
不同应力速率对含裂纹缺损的软骨的拉伸性能影响_文章发表






图注:不同应力速率对含裂纹缺损的软骨的拉伸性能影响较大,随着应力速率的升高,达到相同应变所需的应力逐渐增大
图 4 不同应力率下含裂纹缺损关节软骨的应力-应变曲线

       杨氏模量在数值上等于应力/应变,由应变值小于2% 时应力-应变曲线的斜率所决定。5显示了不同应力率下的杨氏模量,可以看出试件的杨氏模量随应力率的增加而增加,0.01,0.001 MPa/s之间的差距不大,0.1,0.01 MPa/s之间差距较大。







图注:试件的杨氏模量随应力率的增加而增加,0.01,0.001 MPa/s
之间的差距不大,0.1,0.01 MPa/s 之间差距较大
图 5 不同应力率下含裂纹缺损关节软骨的杨氏模量

        2、不同恒定应力下含裂纹缺损关节软骨的蠕变性能对含裂纹缺损的软骨试样进行了不同恒定拉应力水平下的蠕变实验,结果发现蠕变应变随着拉应力水平的提高而增大。在不同拉应力水平下,蠕变应变均在蠕变开始的100 s 内迅速增长,之后随着蠕变时间的推移增长速率逐渐变小, 见67为试样的蠕变柔量随时间的变化图,可以看出随着拉应力水平的增大,蠕变柔量(蠕变柔量=蠕变应变/应力)减小;在同一应力水平下,随着蠕变时间的推移,蠕变柔量先快速增加后缓慢增加。





图注:在不同拉应力水平下,蠕变应变均在蠕变开始的 100 s 内迅速增长,之后随着蠕变时间的推移增长速率逐渐变小
图 6 含裂纹缺损关节软骨的蠕变应变-时间图






图注:随着拉应力水平的增大,蠕变柔量减小;在同一应力水平下, 随着蠕变时间的推移,蠕变柔量先快速增加后缓慢增加
图 7 含裂纹缺损关节软骨的蠕变柔量-时间图

三、讨论
       人体的日常活动中关节起到了重要的作用,而关节软骨是关节中重要的组成部分,负责骨与骨之间的功能性联结。正常的关节软骨可以承受人由于运动和重力产生的作用力,在关节内起到传递载荷、吸收冲击、润滑关节等作用。关节活动时由于关节软骨与滑膜液的相互作用,可以使关节表面的摩擦力显著降低,甚至为零[28]。而关节软骨在出现损伤时这种优异的特性将显著改变,使人体的日常活动受阻。通过对缺损关节软骨的拉伸力学性能进行研究, 可以对缺损软骨的力学性能了解更加全面,在设计制备组织工程材料时可以为其提供力学参考,制备出能更好模拟体内软骨力学性能的材料;在后续临床治疗上,使组织工程材料植入宿主体内时,能够提供更好的力学支撑,对修复软骨缺损具有重要意义。
       实验制备了含裂纹缺损的软骨试样,对其进行不同应力率的单轴拉伸实验,实验结果显示随着应力率的升高, 达到相同应变所需的应力逐渐增大,且试件的杨氏模量随应力率的增加而增加。不同应力率下含裂纹缺损关节软骨的拉伸应力-应变曲线不重合,说明含裂纹缺损关节软骨的拉伸性能具有率相关性。试件的杨氏模量是衡量其力学性能的一个重要指标,由应变值小于2%时的应力-应变曲线的斜率所决定。实验显示随应力速率的增加杨氏模量随之增加,这与关节软骨的结构特征有关。关节软骨的结构骨架由Ⅱ型胶原纤维网络组成,其中包裹着多种蛋白聚糖和其他大分子[29]。在较高应力率下达到一定应力的时间较短, 胶原纤维的变形时间也较短,来不及变形,产生的应变就低,使得杨氏模量较大。相反,应力率较低时达到相同应力的时间较长,留给胶原纤维的变形时间就长,变形比较充分,达到的应变就大,使得杨氏模量较小。
       针对含裂纹缺损软骨的蠕变实验结果显示,在较高恒定拉应力水平下,蠕变应变较大蠕变柔量较小。在不同的应力水平下,蠕变应变均在100 s内快速增长,之后增长变缓慢。蠕变初期,软骨内部承载相主要是液相,由于拉伸载荷的持续作用液体逐渐流出,承载相由液相逐步转变为固相,抵抗变形的能力变强,所以增长速率逐渐变慢。
       关节软骨受力环境复杂,在体内同时承受静载荷和动载荷,而对于动载荷主要是承受循环动态载荷。关节软骨是一种黏弹性材料,在循环动态载荷下会产生变形积累, 发生棘轮效应,接下来将针对含裂纹缺损关节软骨在循环拉伸载荷下进行棘轮实验,并结合非接触式数字图像相关技术观察裂纹扩展情况。
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含裂纹缺损关节软骨的单轴准静态拉伸性能
关节软骨:是由高度特异性的软骨细胞和大量细胞外基质组成,无血管、无神经的一种覆盖在软骨下骨表面的结缔组织,表面光滑,富有弹性,负责骨与骨之间的功能性联结,能够传递载荷、缓冲震荡并维持日常活动。蠕变:是指材料在恒定应力水平下随时间的推移应变增加的现象,与塑性变形不同的是,塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现,而蠕变只要应力的作用时间足够长,它在应力小于弹性极限施加的力时也能出现。
摘要:背景:关节软骨一旦出现裂纹缺损其力学性能会发生改变,而先前研究中针对受损关节软骨的探究多集中在压缩,对于拉伸性能的研究较少。目的:预先在软骨层试样上制造裂纹缺损,测试其单轴准静态拉伸性能。方法:选取新鲜成年猪膝关节的关节软骨,制备含裂纹缺损的软骨试样,在不同应力率下(0.001,0.01, 和 0.1 MPa/s)测试其拉伸性能,在不同恒定应力下(1,2,3 MPa)测试其蠕变性能。
结果与结论:①不同应力速率下的拉伸实验中,随着应力速率的增加,达到相同应变所需的应力逐渐增大, 且试件的杨氏模量随应力率的增加而增加;②不同应力速率下含裂纹缺损关节软骨的拉伸应力-应变曲线不重合,说明含裂纹缺损关节软骨的拉伸性能具有率相关性;③不同恒定拉应力水平下的蠕变实验中,蠕变应变随着拉应力水平的提高而增大,蠕变柔量随拉应力水平的提高而降低,并且随着蠕变时间的推移蠕变应变先快速增加后缓慢增加;④结果表明,不同应力率和不同恒定应力对含裂纹缺损关节软骨的拉伸力学性能影响较大,该实验结果可为缺损关节软骨的修复提供力学参考。
关键词:裂纹缺损;关节软骨;单轴拉伸;应力速率;恒定应力;蠕变;生物力学;组织工程
引言:骨关节炎是一种以关节软骨退行性病变、滑膜炎症和周围骨质变化为病理性特征的慢性进行性骨关节病,会造成关节僵硬疼痛,进而活动受限,是目前最常见的关节疾病[1],严重影响了人的正常生活,对家庭和社会造成负担[2]。据统计,患有骨关节炎的人口占全世界的5%,老年人中70%都有关节疾病,治疗费用高达数十亿美元。随着近年来年轻人运动热度的高涨,不适当的运动对关节造成损伤, 骨关节炎患者中年轻人的数量也逐渐上升[3-4]。根据推测, 骨关节炎将成为致残的第四大原因[5]。而关节软骨对于骨关节炎疾病的发生与发展尤为重要[6]
       关节软骨是一种覆盖在软骨下骨表面的结缔组织,能够传递载荷、缓冲震荡并维持日常活动。在复杂的应力环境中,关节软骨同时承受静载荷和动载荷,甚至达到自身质量的10倍[7-9]。关节软骨的退变和破坏是造成骨关节炎的重要因素。关节软骨一旦出现损伤会引起软骨和关节力学性能上的变化,这一变化会对软骨造成更进一步的破坏, 出现恶性循环,最终以软骨层的脱落为软骨退变的结局[10]。而由于关节软骨结构复杂,缺少血供等原因,自我修复能力差,一旦出现损伤会对日常生活带来严重不便[11-12],因此,深入研究缺损关节软骨的力学性能对于其修复治疗具有重要意义。
       关节软骨的力学实验主要为不同部位、年龄、生化条件以及不同加载条件的测量[13-19]。HAYES等[13]分别对正常关节软骨和发生退变的关节软骨进行了蠕变测试,实验发现二者的剪切模量和泊松比存在较大差异,剪切模量的大小依赖于骨性关节炎的变性程度。李振宇等[15]对正常人股骨头关节软骨和坏死的股骨头关节软骨施加拉伸载荷,发现正常人软 骨的应力应 变值高于坏 死的软骨。FLACHSMANN等[17]用8 mm直径的压头对软骨-骨样品进行压缩实验,发现在软骨表层产生长度约1 mm的裂缝,抗压强度将降低到没有裂缝的样品的一半以下。SADEGHI 等[19]对牛肩关节软骨施加不同频率的压缩载荷,发现软骨表面的损伤随频率的增加而显著增加。也有学者针对关节软骨的摩擦性能展开了研究[20-23]。李峰等[20]研究表明随载荷或时间的增加,牛关节软骨表面磨痕宽度和深度都会增加。随着科学技术的发展,关节软骨微观层面的相关研究也随之开展[24-26]。MEDER等[25]使用磁共振显微成像仪器来观察正常软骨和损伤的软骨(采用酶降解软骨后的)在水分扩散幅度和各向异性上的差异,发现最大扩散特征值从浅表层的1.95×10-9 m2/s减小到深层的1.80×10-9 m2/s,而最小扩散特征值则是从1.08×10-9 m2/s减小到0.79×10-9 m2/s,各向异性基本没有变化。
       通过对以上研究的认知,作者针对含裂纹缺损的关节软骨进行了单轴准静态力学性能测试,以不同应力率对含裂纹缺损软骨进行单轴拉伸实验,探究应力率对含裂纹缺损软骨力学性能的影响;在相同应力率下,以不同恒定拉应力对含裂纹缺损软骨进行蠕变实验,探究应力水平对含裂纹缺损软骨蠕变性能的影响。
一、材料和方法
1、设计 生物力学实验。
2、时间及地点 实验于2018-08-11/18在天津理工大学机械工程学院生物力学实验室完成。
3、材料 实验材料是取自凌晨市场宰杀成年猪膝关节的关节软骨。
4、方法
     (1)1 关节软骨样本的处理 样本制作时,由新鲜猪膝关节软骨和软骨下骨组成的30 mm×15 mm的矩形样本块从每根股骨的内侧髁和外侧髁处锯下,见1a,并使用PROXXON微型带锯机将矩形样本块制成30 mm×7 mm的切片,见1b。然后使用带锯机进一步去除样本切片中的软骨下骨,得到带有1.0-2.0 mm厚度软骨下骨的样本条,软骨层厚度最大为2 mm。最后使用砂纸将样本条下的软骨下骨磨除,得到仅由软骨构成的样本。使用医用手术刀制作尺寸为20 mm×5 mm的软骨样本。为增大摩擦力,防止软骨样本脱落,使用砂纸黏结在样本两端突出显示10 mm×5 mm的面积,并使用手术刀将1.13 mm的裂缝切入样品的中部,得到最终的测试样本,见1c。基于McCormack and Mansour的研究,初始裂纹的长度为样本宽度的22.6%[27]。样本制作完成后,当日使用的样本浸泡在生理盐水中,维持生理环境。其余的用纱布和生 理盐水包裹,为了保持胶原纤维的完整,保存在-20 ℃环境中,用于其他实验。
关节软骨测试样本_论文发表





图注:图中 a 为软骨的矩形样本块,b 为软骨切片,c 为最终测试用的软骨样本
图 1 软骨试样的制备

     (2)单轴拉伸实验与蠕变实验  研究使用凯尔测控实验系统有限公司研制的电磁式动态力学实验系统M-100在室温下进行测试,见2。电磁式动态力学实验系统M-100由主机、控制器及驱动器、软件系统构成,可施加载荷最大100 N, 上下夹头空间60-140 mm,电机轴向行程0-15 mm,满足此次实验要求。实验结束后软件系统自动输出时间、载荷(精度达0.000 1 N)和位移数据(精度达0.000 1 mm),用于后期数据分析。






图 2 电磁式动态力学实 验 系 统 M-100
       测试时将黏有砂纸的软骨试样夹持在夹具上,见图3, 对软骨试样施加0.1 N的预载荷以防止试样在测试时绕轴向长度(与加载轴对齐)扭曲。研究针对含有裂纹缺损的关节软骨进行了2个部分的实验。第一部分为测试含裂纹软骨不同应力率下的拉伸性能,分别以0.001,0.01,0.1 MPa/s不同应力速率对试件进行拉伸,直至试件断裂,研究不同应力率下试件的拉伸性能和杨氏模量,同时确定含裂纹缺损软骨的断裂应变以及拉伸强度值,以便确定后面实验的应力水平。第二部分测试含裂纹软骨的蠕变性能。参考第一部分实验得到的拉伸强度,确定选取1,2,3 MPa的恒定拉应力水平,应力速率为0.01 MPa/s对试件进行拉伸蠕变实验,蠕变时间为60 min。






图 3 夹持软骨试样
       考虑到实验的误差,在同样温湿度条件下,由同一个人对各实验均进行3次重复实验,后期数据分析采用3次实验数据的平均值。实验结束后对软件系统自动输出的时间、载荷和位移数据进行计算,并使用Grapher4.0对实验数据进行绘图。
5、主要观察指标      含裂纹缺损关节软骨的单轴拉伸和蠕变数据。
二、结果
       1、不同应力率下含裂纹缺损关节软骨的拉伸性能  在不同拉伸应力率下对含裂纹缺损的软骨试样进行了拉伸性能测试,4为不同应力率下的应力-应变曲线,结果显示不同应力速率对含裂纹缺损的软骨的拉伸性能影响较大, 随着应力速率的升高,达到相同应变所需的应力逐渐增大; 在应力率为 0.001 MPa/s 时,试样的 拉伸强度为(2.72±0.2)MPa;应力率为0.01 MPa/s时,拉伸强度增加为(4.49±0.5)MPa;当应力率为0.1 MPa/s时,试样的拉伸强度达到(4.94±0.7)MPa。
不同应力速率对含裂纹缺损的软骨的拉伸性能影响_文章发表






图注:不同应力速率对含裂纹缺损的软骨的拉伸性能影响较大,随着应力速率的升高,达到相同应变所需的应力逐渐增大
图 4 不同应力率下含裂纹缺损关节软骨的应力-应变曲线

       杨氏模量在数值上等于应力/应变,由应变值小于2% 时应力-应变曲线的斜率所决定。5显示了不同应力率下的杨氏模量,可以看出试件的杨氏模量随应力率的增加而增加,0.01,0.001 MPa/s之间的差距不大,0.1,0.01 MPa/s之间差距较大。







图注:试件的杨氏模量随应力率的增加而增加,0.01,0.001 MPa/s
之间的差距不大,0.1,0.01 MPa/s 之间差距较大
图 5 不同应力率下含裂纹缺损关节软骨的杨氏模量

        2、不同恒定应力下含裂纹缺损关节软骨的蠕变性能对含裂纹缺损的软骨试样进行了不同恒定拉应力水平下的蠕变实验,结果发现蠕变应变随着拉应力水平的提高而增大。在不同拉应力水平下,蠕变应变均在蠕变开始的100 s 内迅速增长,之后随着蠕变时间的推移增长速率逐渐变小, 见67为试样的蠕变柔量随时间的变化图,可以看出随着拉应力水平的增大,蠕变柔量(蠕变柔量=蠕变应变/应力)减小;在同一应力水平下,随着蠕变时间的推移,蠕变柔量先快速增加后缓慢增加。





图注:在不同拉应力水平下,蠕变应变均在蠕变开始的 100 s 内迅速增长,之后随着蠕变时间的推移增长速率逐渐变小
图 6 含裂纹缺损关节软骨的蠕变应变-时间图






图注:随着拉应力水平的增大,蠕变柔量减小;在同一应力水平下, 随着蠕变时间的推移,蠕变柔量先快速增加后缓慢增加
图 7 含裂纹缺损关节软骨的蠕变柔量-时间图

三、讨论
       人体的日常活动中关节起到了重要的作用,而关节软骨是关节中重要的组成部分,负责骨与骨之间的功能性联结。正常的关节软骨可以承受人由于运动和重力产生的作用力,在关节内起到传递载荷、吸收冲击、润滑关节等作用。关节活动时由于关节软骨与滑膜液的相互作用,可以使关节表面的摩擦力显著降低,甚至为零[28]。而关节软骨在出现损伤时这种优异的特性将显著改变,使人体的日常活动受阻。通过对缺损关节软骨的拉伸力学性能进行研究, 可以对缺损软骨的力学性能了解更加全面,在设计制备组织工程材料时可以为其提供力学参考,制备出能更好模拟体内软骨力学性能的材料;在后续临床治疗上,使组织工程材料植入宿主体内时,能够提供更好的力学支撑,对修复软骨缺损具有重要意义。
       实验制备了含裂纹缺损的软骨试样,对其进行不同应力率的单轴拉伸实验,实验结果显示随着应力率的升高, 达到相同应变所需的应力逐渐增大,且试件的杨氏模量随应力率的增加而增加。不同应力率下含裂纹缺损关节软骨的拉伸应力-应变曲线不重合,说明含裂纹缺损关节软骨的拉伸性能具有率相关性。试件的杨氏模量是衡量其力学性能的一个重要指标,由应变值小于2%时的应力-应变曲线的斜率所决定。实验显示随应力速率的增加杨氏模量随之增加,这与关节软骨的结构特征有关。关节软骨的结构骨架由Ⅱ型胶原纤维网络组成,其中包裹着多种蛋白聚糖和其他大分子[29]。在较高应力率下达到一定应力的时间较短, 胶原纤维的变形时间也较短,来不及变形,产生的应变就低,使得杨氏模量较大。相反,应力率较低时达到相同应力的时间较长,留给胶原纤维的变形时间就长,变形比较充分,达到的应变就大,使得杨氏模量较小。
       针对含裂纹缺损软骨的蠕变实验结果显示,在较高恒定拉应力水平下,蠕变应变较大蠕变柔量较小。在不同的应力水平下,蠕变应变均在100 s内快速增长,之后增长变缓慢。蠕变初期,软骨内部承载相主要是液相,由于拉伸载荷的持续作用液体逐渐流出,承载相由液相逐步转变为固相,抵抗变形的能力变强,所以增长速率逐渐变慢。
       关节软骨受力环境复杂,在体内同时承受静载荷和动载荷,而对于动载荷主要是承受循环动态载荷。关节软骨是一种黏弹性材料,在循环动态载荷下会产生变形积累, 发生棘轮效应,接下来将针对含裂纹缺损关节软骨在循环拉伸载荷下进行棘轮实验,并结合非接触式数字图像相关技术观察裂纹扩展情况。
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