关节软骨纤维增强多孔弹性力学特性研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tangyanb
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
骨关节炎是一种常见的关节疾病,给患者的正常生活造成了严重的困难。研究者普遍认为骨关节炎是由力学过载引起的,因此需要分析关节受载时各部位的应力应变状态,进而寻找到骨关节炎的发病机理并提出预防机制。有限元方法是用来分析关节应力应变状态的最有效的工具,已有众多生物力学研究人员将其用来研究生物体及组织器官受载时的应力分布。为了进行关节的有限元分析,需要首先建立关节各部位的有限元模型,材料的力学模型是有限元建模中最重要的一部分。关节一般由股骨,胫骨和关节软骨组成,其中关节软骨的材料属性是最为复杂的,其表现出明显的非均质性,各向异性和粘弹性。研究者已提出大量关节软骨的力学模型,其趋势是越来越精确,但也越来越复杂,计算成本越来越高。为此,我们需要在模型的计算成本和精确性间取得平衡。基于弹簧的纤维增强模型是一种相对容易实现,计算成本又低的模型,且其与简单的线弹性多孔弹性模型相比,又考虑了纤维增强作用和应变相关的渗透率,为此,我们希望采用这个模型进行关节的有限元模拟。在使用这个模型前,需要对其进行进一步验证。无侧限压缩实验是近来使用较为频繁的关节软骨的压缩实验方式,最新开发的模型都将其同时解释无侧限压缩实验中轴向反作用力和侧向位移的变化过程的能力作为证明其正确性的一个准则。本研究即希望通过验证基于弹簧的纤维增强多孔弹性模型同时解释这两种现象的能力来确认其在关节有限元模型中的适用性。本研究的主要内容包括以下几部分:1、根据现有的文献,介绍关节软骨的组成和结构,并探索其组成和结构与其力学性质间的关系。2、实现关节软骨的基于弹簧的纤维增强多孔弹性模型。该模型是在线弹性双相模型的基础上引入纤维增强实现的,其实现主要包括线弹性双相模型的实现,应变相关渗透率的定义和节点间非线性弹簧的定义。3、关节软骨的材料属性有很大的个体差异性,不能简单的用一组实验中获取的参数来预测另外的实验,因此需要开发一套规范的参数反演方法,用来从相关的实验数据中获取参数值。获取参数后,验证模型同时解释轴向反作用力的松弛和侧向位移的变化这两种现象的能力。通过对基于弹簧的纤维增强多孔弹性模型的研究,得到以下研究成果:1、实现了关节软骨基于弹簧的纤维增强多孔弹性模型,并用该模型模拟出无侧限压缩实验下的位移,孔压和应力分布。2、通过对常渗透率线性双相模型、应变相关渗透率双相模型和基于弹簧的纤维增强多孔弹性模型的比较,得到应变相关渗透率在无侧限压缩实验下的作用不明显,纤维增强显著提高其解释松弛现象的能力。3、进行了参数反演过程,实现了从实验数据反演出模型参数值,并验证基于弹簧的纤维增强多孔弹性模型同时解释侧向位移和轴向反作用力变化过程的能力。可知该模型主要存在以下几个缺点:1、不能够正确反映无侧限压缩实验中关节软骨的应力分布。本文认为此缺点是由于本模型的纤维假设的过于理想,而未能够反映纤维在软骨基质的真实分布。2、该模型无法解释轴向反作用力的松弛现象(即其峰值与平衡值的比值)。此缺点是由于未考虑关节软骨的内在粘弹性,即固相的粘弹性。
其他文献
为了提高我国预制标准梁桥的构造设计技术,比较分析了我国预制T梁桥和英国组合式U梁桥的异同:T梁桥由预制T梁、湿接缝组成,多通过湿接缝横向连接预制梁体,纵向连续主要有结构
本课题分两部分,分别从临床和动物实验的角度研究了急性颅脑创伤后垂体功能减退(PTHP)及其意义。各部分研究摘要如下:第一部分急性颅脑创伤患者垂体功能改变及其临床意义目的:探讨
目的分析骨科高龄髋部手术患者围手术期的临床特点,并探讨生理功能和手术应激(E-PASS)评分系统应用于骨科高龄髋部手术患者术后死亡率和并发症发病率预测的可行性及价值。方
企业文化,或称组织文化(Corporate Culture或Organizational Culture),是一个组织由其价值观、信念、仪式、符号、处事方式等组成的其特有的文化形象,简单而言,就是企业在日
磁性附着体是利用磁性材料间的磁力将义齿吸附到基牙或种植体上,使义齿获得固位和稳定的一种装置,其具有许多优点,但也存在一定的问题。本文就磁性附着体义齿修复中常见的问
心室重构是指心肌损伤后基因组表达导致分子、细胞和间质的改变。梗死区伸展,心室肥厚和心室总体扩张是心室重构的主要形态学改变。受血流动力学,神经激素活化及其他因素影响
我国脊髓损伤(Spinal Cord Injury, SCI)人数已过百万,且每年以6万的速度剧增。SCI后膀胱高压引起尿液反流造成的肾衰竭是导致SCI患者后期死亡的第一位原因。骶神经电调节( S
目的:采用Meta分析的方法,评价常规磁共振检查(MRI)和磁共振直接关节造影(D-MRAR)检查对肩关节盂唇病损的诊断价值。方法:制定检索策略,在文献数据库检索相关已发表和未发表研究。
目的:本研究旨在观察降钙素(calcitonin,CT)对白介素-1β(Interleukin-1β,IL-1β)诱导后大鼠早期骨性关节炎(osteoarthritis,OA)体外模型关节软骨细胞的丝裂原活化蛋白激酶(
随着金融全球化,商业银行发展面临着非银行金融机构的威胁以及国内外同业的挑战,各家银行直接在国内市场展开了激烈地竞争。现代银行在市场上的竞争更多体现在服务水平上,单