关节软骨是一种白色致密的结缔组织,在关节内部覆盖骨关节末端,内部无神经、无血管、无淋巴,其营养成分的取得以及代谢废物的排出大都需要外部力学环境,通过改变传输过程来改变软骨细胞的生物活性,特别是对于因伤或者疾病造成软骨的缺损,采用外部载荷可以改变组织的生物代谢过程,加速软骨修复。本文根据膝关节的运动特点,提出一种滚压加载方式,从实验和有限元数值模拟两个方面研究关节软骨内溶质的传递行为。实验使用异硫氰酸荧光素–右旋糖酐(4k Da)和四甲基异硫氰酸罗丹明–右旋糖酐(0.43k Da)的示踪剂溶液对新鲜成年猪关节软骨进行标记,采用荧光显微镜成像方法,分别测量滚压载荷作用和静置状态下软骨内溶质荧光强度随时间和软骨层位置的变化,计算得到相应的相对浓度分布和溶质扩散系数的变化规律。结果表明:与静置放置的样本相比,滚压载荷作用下,关节软骨内溶质相对浓度和扩散系数明显增加,尤其是中间层和深层的相对浓度和扩散系数明显增加,而浅表层的扩散系数没有显著变化;滚压初期,浅表层的相对浓度及深层的扩散系数增加明显,随着滚压次数的增加,中层和深层相对浓度增加明显,中层扩散系数增加明显;小分子量溶质较大分子量溶质更容易扩散。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。数值模拟使用ANSYS软件建立二维有限元模型,讨论了滚压载荷下软骨应力场和浓度场分布情况,并得到了浓度随时间、软骨深度的变化曲线;分别探究不同滚压速率、摩擦系数和压缩量下溶质浓度与时间及软骨深度的关系。结果表明,压缩量对传质的影响明显,特别是软骨的中层和深层尤为显著,而滚压速率和摩擦系数对传质影响不明显。滚压载荷可为临床修复受损软骨和组织工程提供一种重要而崭新的方法。