关节软骨的生物力学特性

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关节软骨的生物力学特性范文第1篇

1膝关节三维有限元模型的建立

有限元仿真计算是随着计算机技术不断进步而逐渐发展起来的一种有效地数值方法，而用有限元法进行生物力学分析是近年来发展起来的一种生物力学研究方法。伍中庆等[4]结合X线片用XCT对尸体膝关节进行扫描，利用Ansys有限元软件，对膝关节的三维有限元模型进行重建，包括股骨、胫骨、髌骨及半月板，重建的几何体逼真、客观，为分析股骨、胫骨、髌骨和半月板的力学特性提供了模型基础。汪强[56]的结果提示三维模型较以往两维平面有限元模型有明显优点：①模型网格划分更细，建立的单元和节点更多，模型更接近解剖学实际。②图像数据直接来自CT扫描，避免了图像生成、转化与存取中的信息丢失，且图像精确。③严格区分了半月板与关节软骨。王光达等[7]通过一名男性健康志愿者的膝关节扫描，通过有限元软件处理成功建立了一个完整的膝关节三维有限元模型，包括胫骨、股骨、髌骨、内外侧副韧带、前后交叉韧带，髌韧带及双侧半月板。模型可以任意角度旋转观察，整体外形及各组成部件均与实体标本具有满意的相似性，黄建国等[8]通过了MSCMARC建立膝关节的三维有限元模型，得到胫骨骨折患者的膝模型，认为对胫骨平台骨折的诊断，手术策划和治疗具有较大的指导作用。模型确立后可以为膝关节的创伤、骨折的力学分析及人工关节的开发提供方法学的支持。姜华亮等[9]在MRI基础上建立膝关节三维有限元模型，包括膝关节所涉及的几乎所有骨骼、软骨，半月板和韧带等基本力学的模型，并认为MRI比CT对软组织显像更清晰。重建的模型更逼真、客观，能够更真实地反映膝关节的结构特点和生物力学属性。

2有限元在膝关节生物力学研究中的应用

人体膝关节生物力学复杂多样，更多的力学反映在运动过程中，受力特点更加复杂。因此，应用三维有限元方法建立膝关节生物力学模型，无创、快速地研究膝关节力学特性、损伤的机理，对指导临床工作有现实意义。有研究认为膝关节伸直时应力主要分布于ACL近股骨上点处。说明ACL是对抗胫骨前移的主要结构，其与临床上ACL损伤多发生在股骨上点处相一致。膝关节屈曲时，PCL是对抗胫骨前移的首要结构，且应力主要集中在近胫骨止点处，这与临床PCL断裂多发生在胫骨止点处相一致。同时对模型施加内外翻应力，分别在LCL腓骨上点和MCL近股骨上点应力较大，说明MCL、LCL是对抗膝外、内翻的主要结构。与临床内、外侧副韧带损伤位置一致。进一步验证了有限元方法的有效性和可靠性[10]。汪强等[5]通过对膝关节三维有限元模型的建立，同时研究了加载后，得到膝关节内外侧关节面典型节点Von Mises应力值，提示正常膝关节内侧关节面应力呈前、后部大，中部小分布；外侧关节面应力呈前部大，中后部稍小分布，且较内侧关节面分布均匀。姚杰等[11]利用膝关节有限元模型和模拟跳伞着陆实验数据，对半蹲式跳伞着陆过程进行数值模拟，并分析膝关节损伤的机理。结果显示，关节内组织的应力水平随着跳落高度的增加而增加，外侧半月板和关节软骨承受了较大的载荷，前交叉韧带和内侧副韧带在屈膝角度达到最大时产生明显的应力集中，此时更易断裂。吴宇峰等[12]通过有限元模型研究了髌骨在运动及损伤过程中的受力情况，结果显示应力集中于髌骨的上极和下极，说明骨折的好发部位即在髌骨的上下级，与临床基本相符。辛力等[13]通过有限元方法对合并膝关节脱位的胫骨平台骨折4种内固定方法进行比较。结果提示MDP（内侧双钢板）固定后的应力最小，其后依次是BDP（双侧双钢板）与MSP（内侧T型单钢板+拉力螺钉），而LLP（外侧锁定钢板+拉力螺钉）固定的应力最高。给临床治疗类似骨折选择治疗方案提供参考。

3膝关节置换相关有限元分析研究

人工膝关节置换是治疗膝关节骨性关节炎的重要手段，每年有大量的患者接受人工膝关节置换。三维有限元法是先进而有效的生物力学分析方法，利用该方法从生物力学角度分析全膝关节置换后的应力分布情况对探讨全膝置换有重要意义。膝关节置换前要对患者膝关节病情有详细了解，全面检查，严格选择假体类型。根据假体的使用部位将假体分为单髁假体（单间隔假体）、不包括髌股关节置换的全关节假体（双间隔假体）、全关节假体（三间隔假体）。如果术前对准备手术的膝关节进行CT扫描、重建，建立三维有限元模型，然后进行逆向工程CAD/CAM，选择制作适合该关节的人工假体必将更适应患者，术后生物力学性能必将更好，松动翻修的机率将明显降低[]。术中选择置换假体，胫骨和股骨配对关系，术后假体接触表面的应力变化可能增加磨损及松动的风险，有研究[15]将股骨侧3号钴铬合金假体，与胫骨侧25号（3/25配对），3号（3/3配对），4号（3/4配对）钛合金金属托及对应尺寸的10 mm厚度聚乙烯垫片配对。构建有限元模型，模拟双腿站立，平地行走，上楼梯情况下，对各屈膝角度的最大等效应力进行研究。发现3/25配对，3/4配对假体接触面最大等效应力明显增高，有增加聚乙烯垫片磨损风险。同时Liau等[16]研究了假体对线不齐时接触应力和Von Mises应力大幅度增加。定制假体尽管重建保肢符合人体生物力量规律，短柄假体可引起骨水泥应力集中，重建后发生骨折，骨水泥碎裂风险较高，但过度增加柄长对骨的应力遮挡水平也相应增大[17]。膝关节置换后要能负重行走是最终目标，许多静态的模型并未涉及其中。最近有研究者对其关节高屈曲活动下运动和应力等动态特征进行了研究。通过建立包括主要骨和软组织的全膝关节置换前后的膝关节的动态有限元模型，对天然及全膝置换后膝关节下蹲运动和接触应力分布进行分析。结果表明在膝关节过伸和高屈曲时，在胫骨高分子聚乙烯平台的胫骨平台轮柱和平台前部的交界处，胫骨平台内后方和轮柱后部3个区域发生较高的接触应力，这些也正是假体发生较高磨损的部位。这为膝关节假体的摩擦学研究及膝关节假体设计提供有力的分析工具[18]。

4问题与展望

尽管有限元分析方法在膝关节外科研究中有诸多优点，能重建出与真实人体膝关节结构基本一致的模型，重建的模型逼真、客观，可以自由旋转，添加、调整相关参数可以进行人体和动物实验无法完成的生物力学研究。但它作为一项仍然没有成熟的技术，还有许多不足：①研究所用硬件、软件多为进口，价格昂贵。②操作过程繁琐复杂，作为临床医务人员，学习周期长，较难熟练掌握。③人体膝关节结构复杂，相互之间关系密切，互相影响，脱离其他因素，简单研究骨骼、韧带、关节软骨本身就有失偏颇。④将骨骼内各向同性，各向异性等同考虑，简化操作，明显不妥。⑤膝关节许多特征及生物力学都是在运动中表现出来，但许多有限元的研究是静态的，未考虑动态研究，影响结果的准确性。⑥载荷和边界条件的选择，基本都是人为确定的，很多参考国外的文献，而这是否适用于国人亦未可知。所有这些问题，希望随着对膝关节发病机理的进一步认识、计算机处理能力的进一步提高、CT和MRI成像技术的不断完善而逐步得到解决，使之更好地为临床服务。

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关节软骨的生物力学特性范文第2篇

关节软骨细胞的力学特性是影响关节健康和功能的重要因素。对软骨细胞力学特性的深入研究将有助于了解软骨细胞在正常和病理条件下的调节情况，进一步为软骨损伤的修复提供新的方向。

1 简介

关节软骨细胞通过生物学、力学及理化相互作用于软骨细胞外基质从而感知其力学环境。细胞外基质的成分包括胶原（主要是Ⅱ型胶原）和蛋白多糖。胶原纤维形成一个密集的交联网，提供主要的张力及剪切力。蛋白多糖含有硫酸角质素和硫酸软骨素糖胺多糖链，其富含带负电荷的羧基及硫酸基团。这些负电荷产生的互斥作用及渗透梯度导致组织内膨胀压的出现。这种膨胀压影响组织的水合及软骨细胞的局部物理环境以适应应力加载或变形。

关节软骨细胞周基质富含Ⅵ型胶原及高浓度的蛋白多糖。细胞周基质通过结合于基质蛋白的细胞表面受体与软骨细胞相互作用。软骨细胞与这层基质被多数学者命名为Chondron。关于这个独特结构单元的功能目前仍不太清楚，有学者认为Chondron可作为力学的转导器，其通过细胞周基质中Ⅵ型胶原与细胞膜表面的一些成分的相互作用将力学信号转导入细胞内从而调节软骨细胞的代谢〔1〕。

软骨细胞通过对力学信号的反应协同环境因子和遗传因素共同调控细胞的新陈代谢。生理条件下，软骨具有一定的机械反馈调节机理，可阻止因软骨内液体过度溢出而发生的变形从而保护软骨。然而，在病理条件下力学因素可以导致关节退行性变的发生和进展。为了阐明力学刺激对关节软骨及软骨细胞的作用，国内外学者尝试了从动物体内模型到组织、细胞、分子水平等的体外实验等不同的研究方法。他们认为力学环境对软骨细胞生长、分化、表型的表达、对移植物软骨的生成过程及修复组织的生物学特性有非常重要的作用〔2〕。但是，调控软骨细胞力学信号转导的力学及生化过程仍未能彻底阐明。这种调控途径的完全认识将是理解维持软骨细胞外基质的正常生理过程和导致关节疾病（如骨性关节炎）的病理过程的基础。

2 关节软骨细胞的局部变形行为

软骨细胞局部的变形行为是理解其力学特性的基础。有学者用一种特殊设计的力学加载设备对软骨的切面施加30％的压力，通过显像系统观察软骨细胞的局部变形行为。结果发现随着细胞外基质的变形软骨细胞的形状和细胞内空间发生了很大的变化。随着压力的去除，软骨细胞恢复原形。细胞外基质的胶原的排列随着压力的去除也恢复原样〔3〕。

近年来，许多学者运用共聚焦激光扫描显微镜来观察软骨细胞形态。共聚焦显微镜可以对荧光染色的细胞膜和细胞器进行三维成像。通过几何模型程序确定软骨细胞的半径、体积、表面积和形状等的变化。结果表明，关节软骨细胞的形状和体积的变化与细胞外基质的变形紧密相关〔4〕。Wong等〔5〕对软骨进行应力加载和组织学固定再进行几何检测，结果发现软骨细胞及细胞核的体积和半径在压力方向上的减少程度与关节软骨厚度的下降程度相一致，垂直于压力方向上的软骨细胞及细胞核的大小没有发生显著性的变化。

3 软骨细胞变形与软骨代谢调控

除了可观察到的软骨细胞在应力作用下发生的形状和体积的显著变化外，也有证据表明软骨细胞的变形作为一种力学信号将调控新陈代谢和基因表达。有学者发现在单层培养的软骨细胞较三维培养的软骨细胞有较强的成纤维细胞表达及三维立体培养有助于软骨细胞表型的维持〔6〕。基于这些现象，有种假设认为细胞形状的改变（如变形）是影响软骨细胞代谢的调控因素之一。

在某些局部应力加载模型中，细胞变形引起的效应可以从其他物理因素的影响中分离出来单独考虑。例如，在微小的剪切应力条件下（如圆柱体的扭转）可以将细胞外基质的非流动依赖性效应从流动依赖性效应如流体静压、渗透压、液流和电场效应中分离出来〔7〕。使用这种模型，在频率为1 Hz 15％的正弦剪切应变条件下作用48 h，软骨细胞可以提高蛋白多糖的合成率并且可以改变蛋白多糖的合成类型。

为了将细胞变形的效应从与基质变形的相关因素中区别出来，DAndrea等〔8〕通过对单个细胞进行显微操作来检测细胞内离子的变化。通过微管直接干扰细胞膜致使胞浆内Ca2+浓度快速上升，据此推测Ca2+流动是受软骨细胞膜的力学拉伸而调控的。

Buschmann等〔9〕将受压的、经放射性标记的软骨板用戊二醛固定，通过放射自显影技术显示软骨细胞及细胞核的形态变化与新合成的蛋白多糖的空间分布的关系。软骨受压导致细胞及细胞核的半径和体积的下降，同时伴有蛋白多糖的合成减少。这些研究更进一步证实关节软骨细胞形状和体积的变化在软骨细胞信号转导和细胞代谢过程中的影响。

4 软骨细胞的力学特性

近年来，大多数学者运用微管吸吮技术对正常及病态软骨细胞进行直接的力学特性的检测。这种技术是用较小的吸吮压作用于单个细胞，应用视频技术确保细胞吸入微管有一个暂时的变形。使用1根内径约3 μm的玻璃微管对单个软骨细胞施加阶段性升高的负压，细胞达到平衡时的变形行为可以得到测量。对软骨细胞利用微管吸吮技术进行黏弹性特性的检测，结果显示在一阶跃式负压的作用下软骨细胞表现出典型的黏弹性固态蠕变特性。Trickey等〔10〕利用微管吸吮技术测得正常软骨细胞的平衡杨氏模量为（0.24±0.11）kPa，瞬时杨氏模量为（0.41±0.17）kPa，表面黏性为（3.0±1.8）kPas而骨性关节炎的软骨细胞的平衡杨氏模量为（0.33±0.23）kPa，瞬时杨氏模量为（0.63±0.51）kPa，表面黏性为（5.8±6.5）kPas.显然，正常软骨细胞和骨性关节炎的软骨细胞的力学特性存在显著的差异。这些差异反映出病态软骨细胞骨架结构和组成发生的改变。

5 软骨细胞骨架对软骨细胞力学特性的影响

软骨细胞骨架（cytoskeleton CSK）的研究是当前细胞生物力学中最为活跃的领域之一。CSK不仅在维持软骨细胞黏弹性固态特性及保持细胞内部结构的有序性中起重要作用，而且与细胞运动、能量转换、信息传递、基因表达、细胞分化等重大生命活动密切相关。软骨细胞骨架主要由微丝、微管、中间纤维所组成。最近的研究表明，不论是用细胞松弛素D破坏微丝还是用丙烯酰胺破坏中间纤维都可使弹性模量和表面黏性发生显著下降，而用秋水仙碱破坏微管则细胞的力学特性没有发生明显变化〔11〕。这些结果表明，微丝和中间纤维提供了软骨细胞的主要黏弹性固态特性而微管的作用并不十分明显。Ko等〔12〕证实细胞骨架在应力传导中扮演非常重要的角色，能将应力由细胞骨架迅速传导至细胞内的各个部位。由于细胞骨架亦有进入细胞核，近年来有学者针对细胞骨架在受力后对于基因调控的影响进行研究〔13〕。

6 软骨细胞核的力学特性

伴随着细胞外基质的受压，软骨细胞核也发生显著的变形。相关研究结果表明力学刺激可以从细胞外基质通过细胞膜到达细胞核进而影响基因表达。Buschmann等〔9〕的研究发现细胞核形状的改变与基质的组分如蛋白多糖的生物合成相协调。因此，有学者认为细胞外基质的变形可以通过与细胞核的连接调控细胞的活性〔14〕。

Guilak等〔15〕利用微管吸吮技术证实软骨细胞核表现为黏弹性固态特性样的蠕变行为。软骨细胞核的瞬时及平衡弹性模量比软骨细胞高2～3倍，表面黏性接近完整软骨细胞的2倍。软骨细胞核可以通过机械或化学的方法得以分离。机械分离的软骨细胞核的瞬时模量明显较化学分离的高，据此认为化学分离法改变了软骨细胞核的力学特性。

7 软骨细胞的渗透性膨胀行为

关节软骨受压力时组织间液渗出，细胞外及细胞周的电荷密度增加，软骨细胞的渗透性环境发生了变化。共聚焦显微镜的研究显示软骨细胞体积的变化是组织受压或渗透性改变的一种反应〔16〕。已有许多研究证实渗透性应力对软骨细胞新陈代谢和离子转运方面的影响。因此，渗透性应力及其相关的细胞体积的变化对软骨细胞的生理及力学特性有显著的影响。

当软骨细胞被从细胞外基质分离后由于细胞渗透环境的改变细胞体积会明显增加约30％～40％。在去离子水中（0m0sm），软骨细胞发生膨胀直到细胞膜皱褶消失发生溶解。细胞裂解后，细胞膜的面积约是原来等渗环境下面积的2倍多。由此推测软骨细胞膜除非在细胞或细胞外基质发生较大变形情况下不能承受显著的力学应变。

渗透压对软骨细胞的黏弹性有显著的影响。在低渗环境下，软骨细胞的瞬时及平衡模量和表面黏性明显下降了约25％～50%，而在高渗环境下，软骨细胞的黏弹性没有明显的改变。低渗环境下软骨细胞黏弹性改变的原因或许是因为细胞骨架成分或细胞间蛋白的含量及结构发生了变化。例如，Pedersen等〔17〕研究显示在低渗环境下细胞骨架中的微丝会迅速发生裂解。总之，软骨细胞生存的渗透环境的变化是影响软骨细胞力学特性的因素之一。

8 细胞周基质（pericellular matrix PCM）的力学特性

软骨细胞被一层较薄的细胞周基质所包绕，目前通常将软骨细胞及这层组织统称为Chondron。以前采用多步骤机械匀化分离，所获得Chondron量较少（约1%～2％）。最近，Lee等〔18〕应用酶解法可以得到约80％的Chondron。研究发现，Chondron富含蛋白多糖，Ⅱ型、Ⅵ型、Ⅸ型胶原，其中Ⅵ型胶原为特异性胶原。

Alexopoulos等〔19〕利用微管吸吮技术结合线性双向有限元模型对正常及骨性关节炎的PCM进行研究。结果发现，正常PCM的杨氏模量〔（38.7±16.2）kPa〕较骨性关节炎的PCM〔（23.5±12.9）kPa〕高约40％，而两者的泊松比接近并没有统计学差异，据此认为在骨性关节炎时PCM发生了明显的退变。同时发现酶解分离得到的PCM的杨氏模量较完整的软骨细胞的高，但较软骨细胞外基质低约2～3个数量级，因此认为细胞周基质的特性对软骨细胞的力学特性有显著的影响。

9 软骨细胞-基质相互作用的理论模型

细胞和组织的理论模型对软骨细胞的局部应力及变形的正确认识是非常有意义的，因为他们可以提供原位不能被实验测量的生物参数信息如：应力-应变参数、理化参数、细胞附近的瞬时电位等。各种理论模型的发展都认为软骨细胞及其细胞周基质的作用决定软骨细胞的应力-应变和液流特性。目前，有许多方法包括有限元分析用来解决细胞与基质间的相互作用问题。

利用线性双向理论模型可以量化软骨细胞在压应力条件下一过性的应力-应变、液流特性。这种模型可以将软骨的各种组分作为二相性介质通过固液相之间的相互作用调控黏弹性行为。这种模型可用以预测软骨细胞和细胞基质的力学特性及其软骨细胞的形态、内在空间、细胞周围的力学环境等。研究的结果表明关节软骨细胞的力学特性存在着时间变化性和空间不一致性。研究软骨细胞变形的的理论模型与显微实验检测表现出很好的一致性，理论分析与实验研究的有机结合将为软骨细胞力学特性的研究提供新的前景。

10 总结

大量研究表明，软骨细胞的力学特性在研究细胞与基质的相互作用中以及在软骨细胞的代谢调控中起着很重要的作用。软骨细胞在正常的生理应力条件下形状和体积发生明显的变化。有种假设认为细胞变形是软骨细胞在感知应力时进行代谢调控的生理因素之一。虽然在细胞变形时细胞内的信号转导机理还不是十分清楚，但是与诸如Ca2+、IP3和cAMP等信使分子及细胞骨架、细胞核等信号途径密切相关。

软骨细胞的力学特性受到细胞、胞周基质、胞外基质的结构和特性的影响。同时受到局部渗透环境的影响。通过理论分析与实验研究的有机结合进一步发现细胞周基质在关节软骨中起着举足轻重的生物力学作用。这将为研究软骨细胞力学信号的转导及软骨各组分力学特性奠定坚实基础，也为阐明力学因素在健康和病变软骨中的作用从而指导临床进行治疗提供理论依据。可以预见，对软骨细胞力学特性的逐步阐明将进入软骨损伤治疗的新纪元。

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关节软骨的生物力学特性范文第3篇

【摘要】 ［目的］利用工程力学分析软件CatiaV5，模拟在不同的肩关节功能位置上、间接冲击暴力所致肱骨骨折的受伤力学机制和力学环境，为认识和治疗肱骨骨折提供生物力学依据。［方法］采用高分辨率的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源，选取自锁骨顶端至肱骨远端关节面、共380层的断层图像，层厚1 mm，按照点、线、面的建模方式，先建立人体肩关节的三维几何模型，再予网格化，建立人体肩关节的三维有限元模型，利用该模型，模拟在12个不同的肩关节功能位置上（外展30°、 45°、 60°、 90°、同时合并内旋、中立、外旋）、肱骨受到分级加载的轴向冲击载荷时的骨折位置以及瞬时的应力、应变状况。［结果］根据肱骨在不同的功能位置上载荷－应变关系曲线，载荷从0～250 N时，呈线性变化，后为非线性期，卸载后，残余骨变形；随着载荷的增加，肱骨干的应变随之增加。当肩关节的外展位置由90°逐渐变为30°时，肱骨干上内外侧应变逐渐增加，内外旋45°时应变比中立位时增加显著；同时，肱骨干内外侧的应力不同，内侧应力大，外侧应力小，内外旋时，肱骨干的应力增加更快、更大。［结论］在肩关节不同的功能位置上，三维有限元分析逼真地模拟出各自不同的肱骨应力、应变状态值及骨完整性受到破坏的三维图像、骨折线的大体走向；肱骨骨折的三维有限元模拟和分析是研究与骨折相关的力学原理的非常有价值的方法。

【关键词】 间接暴力； 肱骨骨折； 三维有限元； 模拟

Abstract：［Objective］To simulate the biomechanics mechanism and environment of humeral fracture caused by indirect impact force for the purpose of biomechanics understanding and treatment of such fracture.［Method］Based on the data source， which was highresolution anatomic slice images from approximal clavicle to distal humerus， 1 mm thickness and totally 380 layers， the geometric model of total shoulder joint was established according to the order:point， line，area， and further meshed to set up the three dimension finite element model of shoulder， fracture sites and instantaneous stress and strain of humerus were simulated and analyzed under the condition which longitudinal impact force was loaded on the humerus based on the 12 functional positions of shoulder(abduction 30°、 45°、 60°、 90°， and simultaneous neutrality， internal rotation 45°，external rotation 45°).［Result］According to the humeral shaft loadstrain curve in different functional positions of shoulder， linear relation was found when load changed from 0 N to 250　N， after which nonlinear come out， and even load was removed ， bone was deformed eternally. With the rise in load amount， the increase in stress was detected. When abduction degree changed from 90° to 30°， the strain of humerus， both the lateral and the medial increased gradually，and increase in internal rotation 45°and external rotation 45° was more significant than that in neutrality. Meanwhile， stress difference could be seen between the lateral and the medial ， and medial was larger than the lateral. Increase in stress in rotation positions was quicker and more than that in other functional positions.［Conclusion］Based on 4 abduction degrees (30°， 45°， 60°， 90°) and 3 rotation degrees(neutrality， internal rotation 45°，external rotation 45°) ，the three dimensional finite element shoulder could simulate precisely stress， strain， general trend of fracture line， three dimension images of bone failure. Three dimension finite element simulation and analysis of shoulder is a valuable mechanical method for research on biomechanics theory related to humerus fracture.

Key words：indirect impact force; humerus fracture; three dimensional finite element; simulation

临床上，肱骨骨折的发生率并不少见。目前，对于肱骨骨折确切的损伤机制尚缺乏较深刻的了解，较透彻的阐明肱骨骨折的机制方面的知识对于肱骨骨折的预防和治疗将会产生重要的指导意义。本研究就是利用人体肩关节的三维有限元模型，模拟不同的轴向冲击载荷下，肱骨的形变情况，并显示其动态过程，探讨肱骨骨折的受伤应力机制。

1 材料与方法

1.1 肩关节结构的几何实体重建

采用高分辨率的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源，按照点－线－面－体的方式建立肩关节的几何实体形状，可以分别显示皮质骨、松质骨、软骨及髓腔结构，在Catia V5运行平台上可以任意角度转动，观察模型的解剖结构和方向（图1）。

1． 2 肩关节三维有限元模型的构建

肩关节的三维实体建模完成后，根据材料特性的不同，定义软骨、皮质骨、松质骨材料力学参数（表1）。选用10节点的四面体单元，该四面体具有6个方向的自由度，在Catia V5运行平台上，定义肩关节的各项参数和指标，选择中上等精度的自动网格划分模式，对肩关节进行自动网格化，生成3 977个节点（nodes）、20 919个四面体单元（elements）（图2）。表1 肩关节的材料力学参数（Joseph. A等 2002年）

1.3 肩关节不同功能位置上肱骨骨折的三维有限元模拟

启动Catia V5的结构模块。根据盂肱关节面的接触关系，及肱骨头的旋转中心的确立，固定肩胛骨相对不动，将肱骨分别从0°位外展到30°、45°、60°、90°每个位置上；分别设定3种旋转状态：中立位、外旋45°、内旋45°，从而将肩关节的动态功能过程分割成12个不同的功能位置。在每一个位置下，根据盂肱关节面接触区域的位置和范围，设定肱骨的边界约束，限制其所有方向的自由度。

自肱骨远端分别加载以0.1 s梯度增加的300 N轴向冲击载荷，载荷持续时程为1 s，同时自肱骨大结节加载50 N水平恒定载荷，启动Catia V5的求解模块，计算机进入冲击受力分析模块程序。运算结束后，得到动态显示的加载－形变过程，分析其应力分布和骨折移位状况。根据图像的模拟结果，我们可以判断不同的功能位置上的骨断裂的位置和移位方向，根据节点的断裂度判断骨折线的大致走向。

2 结 果

计算机运算结束后，得到12个功能位置上、暴力载荷下的肱骨应力、形变趋势，并且动态展示出来。本文以45°外展位为例(图3～5)；此外， 通过鼠标取值，可以记录肱骨上的平均应变值（图6），从而进一步绘制载荷－应变曲线（图7），了解肱骨随载荷变化的生物力学规律。

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3 讨 论

3.1 本研究中骨折模拟的力学合理性

造成骨折的原因有内因和外因两个方面，前者是指骨结构本身的特性，例如材料性质和结构性质，后者是指骨骼受外力的方向、大小、变化速度以及肢体的空间位置等［1］。对于肱骨骨折而言，常见于摔倒时，上肢撑地，冲击载荷在较短的时间内通过间接传递作用于骨骼，造成骨折［2］；同时，由于人体上臂具有灵活的运动范围，故摔倒时，肱骨可以有多个不同的功能位置，而这种位置直接影响骨骼的受力矢量，因此，本研究在前期肩关节三维有限元模型和肩关节试验力学分析结果的基础上，模拟不同功能位置上的肱骨骨折状态，是符合肩关节生物力学原理的［3］。

3.2 三维有限元分析法模拟肱骨骨折的优势所在

肱骨发生骨折时，由于其瞬时性的特点，往往很难重复其具体过程，无法对其进行实时分析。试验研究的条件下进行骨折力学分析时，当载荷超过骨的极限强度时，骨小梁断裂，骨结构的完整性破坏。目前的力学记录仪器尚不能记录峰值强度以后的骨应力和骨应变，特别是骨的内部力学状况，所以，用试验的方法研究骨折的力学机制存在着明显的不足，它不能提供骨折完整过程的信息，故本研究尝试用先进的计算机技术，凭借工程力学的软件，按照生物力学的原理，去研究肱骨骨折的损伤机制，是对试验力学有力的补充和完善。运用三维的视觉环境，高度形象地模拟骨折的形变和应力分布。作为一项被运用到医学领域的计算机技术，三维有限元分析法可以高度模拟物体结构与材料的特性；既可以精确地反映区域性的信息，又可以完整地反映全域性的信息；既可以进行精确的计算分析，又可以从事形象的、直观的定性研究，分析研究的重复性好，应用面广，适应性强，可以反复使用，无损耗，能够通过模拟分析的方法研究实验方法所不能研究的工况（或生理状况），得到客观实体实验法所难以得到的研究结果［4］。

3.3 有限元模拟肱骨骨折受伤机制的临床意义

从肱骨骨折的三维有限元动态模拟图像资料上看，当关节盂实施边界约束、肱骨大结节加载基础载荷、于肱骨远端加载以0.1 s梯度增加的300 N冲击载荷时，应力逐渐由肱骨远端移向骨干部，随着力的传递，压力集中在肱骨颈干交界部位和干部上段部分，应力在其前侧和/或内侧达到最大聚积；而与此同时，与关节盂相接触的肱骨关节面的部分，应力也逐渐增加，这两个应力集中区域在冲击载荷作用下，应力增加不显著。骨应变图提示这个区域此时承载的载荷逐渐转成张力区，2种载荷交界区域即是骨小梁承受弯曲最大的部位，当能量完全释放，骨小梁断裂，骨折线产生，远段肱骨部分移向后侧或/和外侧。应变是应力作用于骨组织的的结果，伴随着应力的变化，肱骨上应变发生变化，骨形变不可避免。另外，作者看到，在12个不同的功能位置上，相同的加载时，肱骨的应力集中区发生了转移和变化。当从30°90°外展时，高应力区由内侧逐渐转向外侧，而以 60°外展外旋位置上应力最高，达3.13 MPa。也就是说在这个位置上摔倒时，骨骼承受最大的应力，骨应变在此区域最大，故骨折发生率较高，特别对于本身骨强度减弱的情况下（例如、

图1 肩关节的三维几何实体重建图像 图2 肩关节的三维网格化 图3 45°外展中立位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行） 图4

45°外展内旋位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行）

图5 45°外展外旋位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行） 图6 箭头所指为鼠标取值 图7 外展45°位置上中立位、外旋45°、内旋45°时肱骨干上载荷－应变关系曲线质疏松时），在30°外展位置上易发生由肱骨外科颈和肱骨上段后上向前下的骨折移位［5］；而在90°外展加载时，骨折线接近横行走向，因此可以推测在健康人群中，肩关节30°～90°范围摔倒时，骨折线由斜形逐渐变成横行，且肱骨外科颈和肱骨上段时更易于骨折和移位置［6，7］。

此外，不同的肩关节旋转位置对肱骨骨折也产生一定的影响。从图像中可以发现当内旋和外旋时，肱骨上的应力分布发生转移。内旋时，高应力区移向肱骨的前外侧，外旋时，高应力区移向肱骨的内侧，并伴随骨折线出现部位的转移。根据动态模拟图像中，可以清晰显示骨折的动态现况，且可以反复回放，任意提取任何一个需要的信息。

3.4 肩关节有限元模拟分析的应用前景

本研究中所建立的肩关节三维有限元是一个良好的生物力学研究工具，利用它，不仅可以对关节的骨性结构进行力学分析，同时通过建立三维连接单元，还可以重建肩关节的任一个软组织结构；通过这些软组织的试验力学测试，获得相关的材料参数，同样可以将软组织的有限元模型建立起来，继而进行力学分析。本论文仅仅对肱骨骨折实施了有限元的模拟，使用同样的方法，可以对其他肩关节的其他结构的损伤机理进行模拟，如锁骨骨折、脱位、肩胛骨骨折、盂肱关节的脱位、慢性肩关节不稳、肩峰撞击症等。

总之，随着计算机技术的不断发展，以及力学分析软件的不断完善，三维有限元分析法一定会在骨关节生物力学研究领域发挥越来越大的作用。

【参考文献】

［1］ Joseph A， Buckwalter ，Thomas A，等.骨科基础科学：骨关节肌肉系统生物学与生物力学［M］.第2版，北京：人民卫生出版社，2002，17-19.

［2］ Simpson AM. Fractures of the humerus［J］. Clin Tech Small Anim Pract， 2004，3:120-127.

［3］ Chiu J， Robinovitch SN.Prediction of upper extremity impact forces during falls on the outstretched hand［J］.J Biomech， 1998，12:1169-1176.

［4］ Buchler P， Rakotomanana L， Farron A. Virtual power based algorithm for decoupling large motions from infinitesimal strains:application to shoulder joint biomechanics［J］. Comput Methods Biomech Biomed Engin， 2002，6:387-396.

［5］ 黄海晶，金鸿宾，王志彬，等.肱骨近端骨折的解剖特点与治疗［J］.中国矫形外科杂志，2007，6：435-437.

［6］ Debski RE， Weiss JA， Newman WJ，et al. Stress and strain in the anterior band of the inferior glenohumeral ligament during a simulated clinical examination［J］. J Shoulder Elbow Surg， 2005，1:24-31.

关节软骨的生物力学特性范文第4篇

最近新发现的肌腱源性干细胞（TDSC）因在肌腱组织中的修复潜能而逐渐获得重视，但目前其对损伤肩袖腱－骨界面愈合作用机制研究鲜有报道。既往研究证实，TDSC具有向软骨、骨分化的潜能，因此其在损伤肩袖腱－骨界面愈合过程中可能扮演着中介作用。Shen等提取兔肩袖组织TDSC并进行培养，用于异体兔肩袖修复，结果显示12周后实验组腱－骨界面结构及生物力学指标均优于对照组，认为异体TDSC可增加肩袖胶原沉积，且可分泌抗炎因子以避免免疫排斥反应。Randelli等提取肩袖及肱二头肌腱组织TDSC并进行培养，比较TDSC与BMSC成骨细胞、脂肪细胞、肌骨骼细胞分化，结果显示TDSC具备很好的分化潜能，且优于BMSC。Tsai等的研究获得了与此相同的结果，还发现肩袖来源干细胞可表达种系特异性基因如成骨诱导的Runx2及骨钙蛋白、成脂分化的过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）－γ和脂蛋白脂肪酶（LPL），成软骨分化的聚集蛋白聚糖及Ⅱ型胶原α1基因。Cheng等对肿瘤坏死因子－α刺激基因（TSG）－6在TDSC促进肩袖腱－骨愈合过程中的作用进行实验研究，结果显示TSG－6为保护性炎性反应性基因，在多种炎症性疾病或类似炎症过程中呈高表达，参与细胞外基质重塑，调节蛋白酶网络，在多种关节炎中有限制炎症、保护软骨的作用；认为TSG－6在TDSC促进损伤肩袖腱－骨界面愈合过程中具有良好的调控作用。然而，目前仍存在TDSC含量较少、难以完全分离和纯化、缺乏特异性表面标志物等问题，且TDSC体外诱导分化定向诱导机制尚不清楚，因此还需进一步研究。

2骨膜源性干细胞

骨膜可分为内、外两层，外层致密，有许多胶原纤维束穿入骨质，使之固定于骨面；内层疏松，可产生骨膜源性干细胞（PDSC）、成骨细胞及破骨细胞等。来自内层的PDSC具有一定的分化潜能，因此被认为可能在肩袖损伤愈合过程中具有一定的促进作用。Chen等从大鼠胫骨骨膜组织中提取PDSC并进行培养，将其与骨形态发生蛋白（BMP）－2制成凝胶混合物，采用该混合物对大鼠损伤肩袖进行修复，术后4、8周进行大鼠修复肩袖腱－骨界面组织学及生物力学分析，结果显示实验组最大腱－骨界面实效负荷明显高于对照组，且差异有统计学意义，免疫组化显示实验组修复界面存有聚集蛋白聚糖及Ⅱ型胶原蛋白，认为PDSC与BMP－2的混合物可很好地促进腱－骨界面纤维软骨形成。目前大量实验将PDSC用于修复软骨缺损、骨缺损及骨不愈合，但其用于损伤肩袖腱－骨界面的修复鲜有报道，因此PDSC如何在重建腱－骨界面结构中发挥作用，仍需进一步研究。

3脂肪源性干细胞文献报道

脂肪源性干细胞（ADSC）与BMSC具有相似的分化潜能，其在合适的诱导剂作用下可分化为脂肪细胞、软骨细胞、肝细胞、心肌细胞、成骨细胞和神经元样细胞。此外，ADSC具有数量巨大、获取方便、诱导安全、增殖迅速等特点，是一类有广阔应用前景的成体干细胞。Oh等采用ADSC修复兔慢性肩袖损伤模型，先切断兔肩胛下肌腱，6周后形成慢性损伤，此时进行肩袖修复，同时将ADSC注射入肩袖腱－骨区域及脂肪浸润的肩袖肌肉组织内以对肩袖进行加强修复，6周后从生物力学、肌电学、组织学方面对修复结果进行分析，认为ADSC可促进损伤肩袖腱－骨愈合，与对照组相比，实验组肌肉组织脂肪浸润区域明显较小。Kim等对兔亚急性肩袖损伤（切断冈上肌3周）修复的同时，将ADSC注射入邻近肌腹－肌腱移行部，术后3周观察类胰岛素样生长因子－Ⅰ受体（IGF－ⅠR）及肌球蛋白重链（MyHC）在注射部位的表达，结果显示实验组IGF－ⅠR及MyHC表达明显高于对照组（注射生理盐水组），认为ADSC促进损伤肩袖修复有可能是通过IGF－Ⅰ信号转导通道完成的。虽然以上研究提示ADSC对退变性肩袖损伤具有促进愈合作用，但已往大部分研究均认为ADSC自我更新能力较差，不宜作为种子细胞。因•46•此，目前急需寻找更好的诱导剂，使其能更有效地分化成为目标组织，从而更好地促进损伤肩袖腱－骨界面愈合。

4肌源性干细胞体内研究显示

肌源性干细胞（MDSC）具有自我更新与多向分化潜能的特性，可再生为骨、软骨、肌肉、血液、神经及心脏组织。近期有研究报道MDSC同时具有肌腱组织的分化能力，但用于修复损伤肩袖研究鲜有报道。Pelinkovic等将MDSC用于修复裸鼠损伤冈上肌腱并进行观察，结果7d后细胞核呈纺锤形并集成肌腱胶原束，3周后检测到β－半乳糖苷酶基因表达，表明MDSC分化成表达波形蛋白的成纤维细胞，提示肩袖肌腱基质及原始细胞开始调控注射的MDSC向成纤维细胞分化；认为MDSC因具有分化为成纤维细胞的能力而可用于肌腱愈合组织工程及肩袖损伤治疗。

5滑囊源性干细胞滑囊源性

干细胞因肩峰下滑囊与肩袖紧邻而被认为有可能对肩袖修复产生一定的积极作用。Utsunomiya等将关节镜下提取的人肩峰下滑囊组织进行滑囊源性干细胞提取及培养，结果显示肩峰下滑囊组织可作为生物修复肩袖损伤良好的干细胞来源；将其与肩袖残端、滑膜组织中提取的干细胞进行成骨化及扩展性比较，结果显示滑囊源性干细胞具有最佳的扩展性及成骨性。Song等对在肩袖修补术中取出的部分肩峰下滑囊组织进行滑囊源性干细胞提取及培养，并用流式细胞仪对其进行分辨，排除造血干细胞及PDSC，再将此滑囊源性干细胞放于陶瓷支架中并将其植入裸鼠体内，其中部分用BMP－12予以刺激分化，最终支架区域出现包含胶原蛋白的腱样组织；因此认为，作为新型来源的干细胞，滑囊源性干细胞具有腱性组织分化潜能，而BMP－12对该过程具有一定的促进作用，滑囊源性干细胞有可能在肩袖损伤治疗中产生积极作用。肩峰下滑囊组织经肩关节镜手术取材方便，对肩袖修复无影响，但目前滑囊源性干细胞实验研究较少，仍处于起步阶段，其促进损伤肩袖愈合及进行定向诱导机制仍需进一步研究。

6结语

关节软骨的生物力学特性范文第5篇

1方法

1．1μCT检测

1．1．1取材大鼠腹腔注射30mg/kg戊巴比妥钠麻醉处死，取股骨远端软骨，用含0．1mmol/L蛋白酶抑制剂PBS浸润的无菌纱布包裹，4℃保存备用。

1．1．2μCT扫描及重建股骨远端软骨浸入30%复方泛影葡胺注射液(上海旭东海普药业有限公司)，37℃×15min，μCT(SkyScan1076，比利时)扫描［9］。μCT扫描条件:电压70kV，电流140mA，分辨率18μm，扫描宽度35mm，滤波器Al1．0mm。原始图像重建后(图2a，b)，将横截面图像转换为矢状面图像(图2c)，之后选择自距股骨内侧踝向外侧踝方向的0．3796～1．3286mm范围内进行软骨衰减系数与厚度的计算。

1．1．33D建模将矢状面图像导入Mimics软件进行3D重建，软骨图像分割及建模过程如图2(d)～(e)

1．2软骨组织切片制备与分析扫描结束后立即将软骨浸入PBS，4℃过夜，10%福尔马林固定12h。经过固定，脱钙，冷冻包埋剂包埋后，冷冻切片机(LeicaMicrosystemsNus-slochGmbH，德国)切片，0．1%番红O—0．1%固绿(Sigma公司，美国)对切片进行染色。染色的软骨切片经SZX-16体视显微镜(O-lympus，日本)取像，软骨厚度的测量通过ImageJ软件完成，测多个不同位置的软骨厚度取其均值。

1．3统计学分析结果均以x±s表示，利用SPSS13．0进行one-wayANOVA统计学分析。利用线性回归分析μCT与软骨组织形态计量学相应参数之间的相关性。以P＜0．05为差异具有统计学意义。

2结果

2．1μCT检测结果TS与TSP大鼠股骨远端的软骨厚度较Con均有显著性下降(图3a);TS的软骨体积较Con、TSP有显著性下降，而TSP与Con无显著性差异(图3b)。μCT测得软骨衰减系数如图4所示，TS与TSP组软骨衰减系数较Con组显著升高，TS与TSP组间无显著性差异。

2．2软骨组织切片染色结果软骨番红O—固绿染色切片如图5所示，与Con相比，TS与TSP的软骨细胞减少，且基质染色程度下降(图5b，c)。TS与TSP的软骨厚度较Con的有显著性下降，而TS与TSP无显著性差异(图5d)。

2．3μCT与组织切片检测软骨厚度相关性分析线性回归分析显示，μCT与组织切片所测得的软骨厚度的相关系数r2为0．84(图6)，提示二者具有高度相关性。

3讨论