膝关节软骨作为人体重要的承载组织,对传递载荷、缓冲震荡起到至关重要的作用。关节软骨主要由软骨细胞和细胞外基质组成,软骨细胞通过自身代谢、增殖分化等过程维持软骨各组分的平衡,软骨细胞分泌的蛋白聚糖、胶原纤维等大分子基质是维持软骨拓扑结构和力学性能的物质基础,软骨基质使关节软骨富有弹性,并具有良好的抗压、抗剪切性能。关节软骨缺损后再生能力极为有限,组织工程修复虽取得了一定成效,但长期修复效果具有不确定性,缺损修复的效果与修复区软骨细胞所处的复杂力学微环境密切相关,动物细胞体外培养实验表明,机械力对细胞的生物学功能有显著的影响。由于实验技术手段的限制,目前还无法在体研究软骨细胞的微观力学行为。使得应用有限元技术研究软骨缺损修复区软骨和软骨细胞的复杂力学行为成为可能。应用有限元软件COMSOL,跨尺度建立了关节软骨的纤维增强固液耦合双相有限元模型和软骨细胞的微观有限元模型,在软骨中间层、深层缺损修复两种工况下,考虑了载荷频率、载荷幅值、组织工程化软骨(tissue engineering cartilage,TEC)的材料属性、整合条件及软骨陷窝内细胞数量等因素,数值模拟研究循环压缩载荷作用下缺损修复区软骨和软骨细胞的力学行为。模拟结果表明,软骨中间层缺损修复后,对宿主软骨表层力学行为影响较大。相比较而言,TEC的弹性模量较小时(如0.1 MPa、0.3 MPa)且载荷频率取0.5 Hz时取,修复区的力学环境处于更合理的范围内。对于中间层缺损修复的情况,主要分析了植入物下方宿主软骨内软骨细胞的力学微环境,结果表明邻近粘合界面的宿主软骨细胞的液相流速增加,相应区域的流体剪切力(fluid shear stress,FSS)增大,远离修复区的深层软骨细胞及细胞外基质的液相流速变化较小。软骨全层缺损修复后,研究了软骨细胞对循环压缩载荷的力学响应特性,发现由于深层软骨陷窝内细胞数目不同,各位置细胞对载荷的响应也不同。软骨细胞的力学响应参数随载荷频率做周期性变化,细胞受到的剪应力小于细胞周基质(pericellular matrix,PCM),但软骨细胞的剪应变大于PCM,表明PCM对软骨细胞有力学保护和信号传导的作用。软骨陷窝内包裹3个细胞时,中间细胞的Mises应力明显大于上下两个,表层软骨细胞对剪应变的响应大于深层陷窝各细胞。另外,本文通过数字图像相关技术实验研究了循环压缩载荷作用下体外软骨缺损修复模型的整合情况,可知低频、低幅值载荷利于宿主软骨与TEC界面的整合。该研究可为软骨组织工程实施提供理论指导,是组织工程成为常规手术的基础研究,将提高软骨组织工程技术水平。