关节软骨是一层具备优异润滑性能和承载能力的组织，在人体关节正常运行中起到了非常重要的作用。软骨严重损伤后人工关节置换是最后的治疗手段。但对于同样的软骨对金属关节摩擦副，半髋人工关节置换比不置换髌骨的人工膝关节置换的术后效果差得多，所以有必要对关节磨损方式，关节软骨损伤的形成和发展过程进行研究，从而为关节软骨损伤的早期诊断和治疗提供支持。本课题以关节软骨的生物力学计算作为理论工具研究了软骨的间质流动。其次结合同步辐射相衬成像和示踪剂，对关节软骨内的间质流动情况进行了实验验证。另外通过软骨的摩擦实验分析了软骨的两相润滑模式等摩擦磨损行为。最后将上述三方面研究结果提炼成软骨损伤的生物摩擦学机理，并运用它对半髋人工关节置换与不置换髌骨的人工膝关节置换中的生物摩擦学问题进行了分析。本课题研究获得的主要内容和结论有以下几点：第一，以软骨两相力学模型为基础，在COMSOL中建立了软骨力学模型。结合软骨的蠕变实验测量了软骨力学参数，得到的软骨弹性模量为1MPa，渗透率为2.2×10-14m4/Ns。采用这些参数计算了静载荷，平移载荷和循环载荷下软骨内部间质流动，并建立了软骨细胞跨尺度力学计算方法。通过软骨流动电势测量实验对以上软骨生物力学模型进行了验证，得到的实验结果与模型计算结果相一致。第二，在上海光源开展了软骨间质流动的实验验证。首先筛选出合适的软骨造影剂，测定了它在软骨中一维扩散的扩散系数为2.28×10-11m2/s±0.71×10-11m2/s。基于以上数据和经验，分析了软骨间质流动验证实验面临的难点，并提出了实验技术方案。使用软骨力学模型对技术方案进行了理论分析并进行了预实验验证，优化了参数。最后对正常软骨组和OA软骨组的间质流动进行了实验。两组软骨样本循环载荷下的间质流动模式存在较大差异。第三，根据软骨对软骨摩擦实验和力学计算，软骨的摩擦系数的上升与软骨表面间质液承载比例的下降直接相关。载荷的移动速度对维持软骨表面间质液承载比例有显著影响。另一方面，DPPC脂质体头部基团带正电，软骨的负表面电势促进脂质体的吸附，有利于润滑；而正表面电势排斥脂质体，使润滑环境恶化。第四，关节软骨摩擦磨损是以软骨润滑机制的失效和以疲劳磨损为主的表面损伤开始的，过多间质液渗入软骨中，引发软骨内生物大分子降解的恶性循环。运用软骨细胞跨尺度力学计算分析了正常软骨和OA软骨细胞周边的力学环境，结果表明正常软骨细胞的力学计算结果与文献实验中取得的结果一致。相反OA软骨细胞的力学计算结果远远偏离正常范围，严重影响了软骨细胞正常生理功能，这与OA软骨组织切片观察到的表现一致。最后，半髋人工关节置换与不置换髌骨的人工膝关节置换两者术后结果差异主要原因是半髋置换破坏了原来的移动接触润滑模式，髋臼软骨在金属球头固定接触下的摩擦系数将大幅升高；其次，挤压膜计算也显示半髋置换后的挤压膜持续时间比天然髋关节下降了62%。髌骨凭借自身的滑移运动保证了移动接触的润滑模式，能够维持低水平的摩擦系数。半髋置换在上述摩擦磨损的情况下，软骨细胞力学环境有恶化趋势。不置换髌骨的人工膝关节置换术的软骨细胞力学环境与天然髋关节的细胞力学环境基本相同。本课题将软骨摩擦学向软骨生理学进行了延伸，通过软骨生物力学模型和软骨细胞的跨尺度力学计算，把软骨的力学损伤与其造成的软骨病理现象联系在了一起，为以后这方面的跨学科研究提供了支持。