关节软骨双相及各向异性磨损实验与模拟研究

目的骨关节炎是一种常见的退行性疾病,机械力诱导的软骨磨损是关节炎发病的因素之一。关节软骨具有双相结构,其表层区域有单向排列的纤维,软骨磨损可能受到纤维结构的影响,变得各向异性。由于体内软骨磨损实验的侵入性,本研究的目的是利用体外磨损实验,研究关节软骨纤维方向对其磨损行为的影响。根据实验结果,提出一种新的考虑纤维-滑移方向夹角的各向异性的磨损律,建立考虑软骨各向异性和双相特性的有限元磨损预测模型。方法开展4个纤维-滑移角度(0°、30°、60°和90°)下的磨损实验,以评估软骨的纤维取向对其磨损行为的影响。根据实验数据,建立基于Archard磨损律的各向异性磨损律。基于测试场景,建立纤维增强的双相特性的软骨销-盘的有限元模型。通过MATLAB将各向异性磨损律耦合到有限元模型中,使用磨损方程计算软骨的磨损深度。结果随着滑移和纤维的方向从同向至正交方向,软骨的磨损深度逐渐增加。不同测试时期的磨损深度与软骨的固相压力存在显著的相关性。有限元模型预测的软骨各向异性磨损与实验数据基本一致。结论软骨磨损具有各向异性和时间依赖的非线性,开发了一种新的有效的软骨磨损预测模型,该模型可用于在体关节磨损及骨关节炎进展的研究。