关节软骨的蠕变性能.doc

关节软骨是一种覆盖在关节表面的特殊结缔组织，由细胞、间质液和固相基质组成，其中固相基质主要由胶原纤维、蛋白多糖和水组成[1-3]。软骨中没有血管组织，依靠组织中的液体随作用在组织上的外界载荷变化而流动来获取营养[4]。关节软骨复杂的结构和组成决定了其独特的力学性质，其在关节活动中所起的不可替代作用使其粘弹性力学性质受到广泛研究。
蠕变实验是关节软骨粘弹性力学性能测试的一种重要实验方法，已经被一些学者展开了研究。实验时，以不同种类的动物软骨或人体软骨作为研究对象，采用整体软骨对其简单修整制作为哑铃型标准试样进行实验，或对软骨不同部位切片进行实验。如孟维春等人[5]和王成学等人[6]对关节软骨的蠕变力学行为进行了实验研究，获得了软骨宏观的蠕变变形曲线和蠕变规律。正如我们所知，关节软骨精细的结构按照胶原纤维分布排列方式可以分为三层，浅表层位于软骨表层，并组成滑动表面，胶原纤维与关节表面平行，软骨细胞长轴向与关节表面平行；中间层的纤维与表面呈一定角度交错分布，深层的胶原纤维基本垂直于表面分布，且直径更粗。软骨的力学性能就是由其复杂的结构和组成决定的，而且，关节软骨的非线性和各向异性特性，不仅体现在它的结构和组成，而且体现于它的生物力学性质中。因此，调查研究软骨不同层区的力学行为是非常重要的。
数字图像相关方法因其具有测量光路简单，对测量环境的要求较低，测量精度高，易操作且非接触并对被测物体没有附加质量等特点而日益成为实验力学领域一种重要测试方法[7-9]。尤其是其非接触性及全场测量的特点对关节软骨组织的力学性能测试非常适合。
本文以猪膝关节软骨为对象，采用非接触式数字相关技术，研究了非围限压缩载荷作用下软骨不同层区的蠕变行为；通过图像处理，分析了软骨不同压缩应力下的变形特征。
1实验材料与方法
1.1实验材料
实验标本取自8个月猪的股骨远端滑车处的新鲜关节软骨（见图1），屠宰时间6个小时以内将软骨沿关节表面弧度的法线方向切割，用手术刀对每组材料进行修理，以达到实验标准试样。本实验共进行四组不同压缩应力下的蠕变实验，每组加工一个试样，并放在盛有生理盐水的培养皿中备用（见图2）。

图 1 猪股骨关节软骨 图2新鲜软骨试件样本
Fig.1 Articular cartilage of pig knee Fig.2 Sample of cartilage
1.2实验设备与方法
实验仪器采用凯尔电子万能疲劳试验机和采集图像的CCD摄像系统（上海大学研制）及数字图像相关处理软件。凯尔电子万能试验机系统中有专门做蠕变实验的软件，通过调节软件参数可控制实验的精度，实验结束后实验数据自动保存于软件中。CCD摄像系统用于采集软骨在蠕变过程中的图像，成像系统最小可视范围为0.8 mm × 0.6mm，微米量级的位移分辨率。数字图像相关软件用于处理所采集到的图像。
本实验的实验温度是室温，恒定压缩应力为0.1MPa、0.5MPa、1MPa和2MPa，蠕变时间为60min。四组样本分别使用游标卡尺测其长宽厚并记录，取其中一组样本放在试验机夹具上加紧，调整CCD摄像镜头使软骨尽可能清晰的呈现在计算机的显示器上，在软骨侧面均匀的涂抹纳米颗粒，纳米颗粒起到示踪剂的作用来观察软骨各层的变形，在凯尔试验机软件系统中设定作用于软骨上的力、达到该力的加速度、保持该力的时间以及试验机系统的其他安全参数，在采集图像的软件系统中设定采集图片的时间间隔及图片的张数及保存的位置，图片的张数应保证将整个实验过程都能拍到直到实验结束。本实验每隔2秒拍一张图片，共取1800张图片,力的加速度为0.01KN/s；考虑到实验的误差性，每个试样在相同的实验条件下重复使用两次，第一次实验结束后，将试样放在生理盐水中浸泡1h以便恢复其性能，当试样恢复后，再进行重复实验。图3显示了非围限压缩载荷作用下关节软骨不同层区蠕变行为测试的示意图。

图 3 关节软骨不同层区蠕变行为测试的示意图
Fig.3 Schematic diagram of creep experiment for cartilage