膝关节是“骨骼-运动”的关键部位,关节软骨作为膝关节的组成部分,可以将关节面所受的载荷承接给软骨下骨,能够有效的吸收震荡,减少关节之间的摩擦和接触应力,是人体重要的组织。关节软骨有其独特的生理特性,在承受不同的载荷或在实验中不同的存放条件下都会使得关节软骨的组成成分发生改变,从而会使得关节软骨的力学性能发生改变。关节软骨的力学性能是关节软骨生理功能的体现,对其力学行为十分重要。对不同条件下关节软骨的力学响应进行研究,可以为软骨疾病的预防和临床诊断以及今后关于软骨性能的研究提供参考依据。本文首先研究软骨样本在生理盐水中保存的时间对软骨力学性能的影响。将关节软骨样本在生理盐水中分别浸泡5小时、10小时、15小时、20小时,然后用纳米压痕仪对浸泡试件的硬度和弹性模量进行了分析,并与新鲜软骨试件以及冷冻24小时后解冻的软骨试件的检测结果进行对比。实验结果表明,新鲜软骨样本的压痕硬度和压痕弹性模量与冷冻后再解冻的软骨样本差别不大,但当软骨样本经过生理盐水浸泡一段时间后,20小时内软骨表面的压痕硬度与压痕弹性模量数值均会下降。本实验表明,力学实验所用软骨样本在生理盐水中保存时间不宜过长,其浸泡时间最好不超过2小时。其次,研究载荷对软骨表面的损伤情况,观察关节软骨分别受冲击载荷、压缩载荷、疲劳载荷作用后的表面粗糙度的变化。文章采用屠宰场新鲜屠宰的幼猪股骨远端滑车部位的软骨样本,利用表面轮廓仪测量受载前后不同时间段的粗糙度数值,并对比了不同方式的加载条件对软骨损伤过程的影响。实验验证了关节软骨是一种粘弹性材料,在受到载荷作用时,有一定的自我修复能力。通过对比载荷作用效果发现:软骨受到载荷作用后表面的粗糙度会发生增大的现象,增大的数值与软骨所受的载荷大小正相关,在冲击载荷和疲劳载荷作用后的10min内,表面粗糙度的变化速率最大,而在压缩载荷作用后关节软骨会出现滞后现象。当载荷比较小时,粗糙度基本能恢复到载荷作用前的水平,恢复时间的长短与所受载荷的大小相关,当作用载荷比较大时,40min内粗糙度不能恢复到加载前的水平。对比发现,冲击载荷对关节软骨表面粗糙度的影响最大,其次是高周疲劳载荷、压缩载荷和低周疲劳载荷,因此可以得出结论,在日常的运动后要注意休息,避免运动过量。最后,研究关节软骨在扭转载荷作用下的力学响应。基于关节软骨的细观结构,建立了带有钙化层结构的纤维增强多孔粘弹性关节软骨三维模型,模型考虑了纤维和基质随软骨深度变化的力学参数,数值分析了压缩位移、摩擦系数以及钙化层硬度对关节软骨力学性能的影响。结果显示:在扭转载荷作用下,软骨承受的最大切应力发生在钙化层处。一定扭转角度下,随着压缩量的增大,扭转的作用效果越明显。同时,增大关节间的摩擦系数会加大关节软骨所受切应力的大小,造成关节软骨的摩擦磨损和软骨脱层。钙化层结构的硬度关系到应力在软骨间的传递,对关节软骨承担的运动起到重要作用,钙化层过软会使得关节软骨失效,而过硬会造成应力集中现象,均不利于应力的传递。综上所述,本文通过关节软骨表面对载荷响应的实验表征以及相关仿真研究,得到一些有意义的结论,为软骨力学试验方案的制定和样本的处理提供了参考依据,对关节软骨疾病的预防、软骨损伤修复的研究、组织工程化软骨的构建提供了一定的理论基础。