人工软骨材料——聚乙烯醇水凝胶的研制

聚乙烯醇溶液于－２０℃左右的温度下冷冻６－１２ｈ,室温下颌化１－２ｈ,上述过程反复进行１－３次,然后对试样进行真空脱水处理,制得一种人工软骨材料－ＰＶＡ水凝胶。     

聚乙烯醇水凝胶及其复合物的研究与在人工软骨替代材料上的应用

聚乙烯醇水凝胶是一种具有良好生物相容性和力学性能的高弹性材料。本文介绍了聚乙烯醇水凝胶的成型方法，复合改性技术的研究进展，着重对聚乙烯醇水凝胶作为替代材料在关节软骨损伤修复中的研究现状和存在问题进行了综述，并概述了其应用前景和发展方向。     

人股骨头软骨生物力学性能实验研究

本文报道了对人股骨头软骨试样进行单向拉伸和蠕变力学性能实验结果。测定了关节软骨伸长比λ,拉格朗日应变γ,拉格朗日应力δ,以及基尔霍夫应力S。还测定了关节软骨应变和时间相关的不同效应。     

应用天然水凝胶修复关节软骨损伤的研究进展

由创伤或骨关节炎造成的软骨损伤是常见的关节疾病类型,是现代社会严重的经济负担,对患者造成极大的痛苦。因为软骨中无神经、血管和淋巴组织,且软骨细胞迁移能力差,祖细胞数量少,导致软骨缺损的自愈能力受到很大限制。水凝胶具有诸多特性,如高吸水性能、生物降解性、可控的孔隙率及生物相容性,具有用作关节软骨替代物所需的仿生性能,已发展成为材料科学中适合应用于软骨再生的支架生物材料之一。本综述总结了用于关节软骨修复水凝胶及动物模型。由于受当前技术的局限,人们仍然难以克服诸如血管生成和机械性能不足等问题,本综述的主要目的是回顾应用天然水凝胶用于软骨损伤的进展,希望为临床治疗关节软骨损伤提供新的思路。     

聚乙烯醇/羟基磷灰石复合水凝胶软骨植入材料的研究

研究了用于人工关节软骨假体的聚乙烯醇水凝胶和羟基磷灰石复合材料的结构与性能，系统讨论了含水量、羟基磷灰石含量等对其拉伸强度，压缩强度，黏弹性、润滑性等生物力学性能的影响，观察和比较了复合材料的徽观形貌。研究表明羟基磷灰石在聚乙烯醇水凝胶中分散均匀，良好相容，使复合材料的力学强度和润滑性能提高。     

胶原水凝胶在软骨与骨组织工程中的研究进展

胶原水凝胶因其具有优良的生物相容性、生物力学性能，在软骨与骨组织工程、生物填充材料、创伤修复、药物缓释和细胞培养等医学领域获得广泛的关注和应用。本文重点介绍了胶原水凝胶在软骨与骨组织工程方面的研究进展，详细阐述了胶原水凝胶的性能、交联方法和类型，并对胶原水凝胶在软骨与骨组织工程中的研究现状进行了讨论，对其应用前景进行了展望。     

关节软骨压缩特性的实验研究

目的 探讨正常关节软骨的压缩特性。方法 将人的股骨头软骨制成圆柱形标本,分A、B、C、D四组。应用两种不同力学实验装置分别对A、B组标本加载,测定标本在受压后1秒末的应力和应变值,作出应力-应变曲线图。C组标本在恒定压力下受载,测量标本在受压后不同时间应变值的变化。D组标本受压后并保持一定的应变值,观察关节软骨受压后不同时间压力的变化。结果(1)正常关节软骨的瞬时应力-应变曲线呈非线性关系,应力越大,弹性模量值越高;两种装置的实验结果具有明显差异性。(2)关节软骨在恒定应力作用下,应变随时间的延长而增大,     

缺损关节软骨在循环压缩载荷下棘轮行为的实验研究

目的研究缺损软骨在循环压缩载荷下的棘轮应变行为,探索缺损关节软骨的损伤演化规律。方法取新鲜的成年猪股骨远端关节软骨,对不同缺损深度软骨试样进行不同参数的三角波循环加载。结合非接触式数字图像技术,获得软骨不同层区的棘轮应变。结果随循环加载圈数的增加,软骨各层棘轮应变均表现为先急剧增大,然后缓慢增加并趋于平稳,由浅层到深层棘轮应变逐渐减小。各层区对循环圈数响应不同,浅层在50圈内应变增加较快,中层在100圈内应变增加较快,深层在75圈内应变增加较快。除了中层区域响应有滞后性,浅层、深层的棘轮应变与应力幅值、缺损深度呈正相关,与加载速率呈负相关。结论软骨的棘轮行为受软骨的特殊结构的影响,缺损使软骨各层区的应变增大,易造成损伤加剧。实验结果为组织工程软骨的构建提供参考依据。     

γ射线辐照交联PVA水凝胶关节软骨修复材料 的结构与性能研究

目的 研究制备工艺对γ射线辐照交联PVA水凝胶关节软骨修复材料的结构与摩擦学性能的影响,为其在关节软骨损伤修复提供理论基础。方法 采用冷冻解冻和辐照交联相结合的方法制备聚乙烯醇(PVA)水凝胶,研究其微观形貌、含水量及与自然软骨配副的摩擦学性能。结果 (1)微观结构的观察表明,制备的PVA水凝胶具有三维多孔网络结构,辐照交联使得网络结构更加致密和完善;(2) 水凝胶的含水量随着辐照剂量和PVA浓度的增加而减小;(3) 在往复式销-盘摩擦磨损试验机上研究本水凝胶材料与自然关节软骨配副时的摩擦学性能,结果表明,摩擦的起始阶段,双相润滑机制其主导作用,载荷主要由水凝胶中的液体相所承担,摩擦系数较小,随着载荷作用时间的延长,固体相所承受载荷的比例相对增高,摩擦系数渐渐增大且趋于稳定,润滑机制转为边界润滑。摩擦系数随着辐照剂量和PVA浓度的增加而减小。     

人工髓核材料-聚乙烯醇水凝胶的溶胀性能研究

利用冷冻-解冻法制得聚乙烯醇(PVA)水凝胶弹性体,研究了其用于人工髓核材料的溶胀特性,以及聚乙烯醇浓度、溶胀温度、溶胀体系的pH值对其溶胀性能的影响,采用扫描电镜对其微观形貌进行了观察,并对其溶胀动力学进行了探讨。结果表明,聚乙烯醇水凝胶是一种多孔网状结构,网络孔径大小与水凝胶中聚乙烯醇的含量有关;增加聚乙烯醇的浓度,提高溶胀温度以及溶胀体系的pH值,其平衡溶胀率减小;通过溶胀动力学方程对其溶胀过程进行了描述,水凝胶中聚乙烯醇的含量,试样尺寸以及溶胀体系的pH值,是溶胀速率快慢的重要影响因素。     

The mechanical and material properties of elderly human articular cartilage subject to impact and slow loading

The mechanical properties of articular cartilage vary enormously with loading rate, and how these properties derive from the composition and structure of the tissue is still unclear. This study investigates the mechanical properties of human articular cartilage at rapid rates of loading, compares these with measurements at slow rates of loading and explores how they relate to the gross composition of the tissue. Full-depth femoral head cartilage biopsies were subjected to a slow, unconfined compression test followed by an impact at an energy of 78.5 mJ and velocity 1.25 m s⁻¹. The modulus was calculated from the slope of the loading curve and the coefficient of restitution from the areas under the loading and unloading curves.Tissue composition was measured as water, collagen and glycosaminoglycan contents. The maximum dynamic modulus ranged from 25 to 150 MPa. These values compared with 1–3 MPa measured during quasi-static loading. The coefficient of restitution was 0.502 (0.066) (mean (standard deviation)) and showed no site variation. Water loss was not detectable. Composition was not strongly associated with modulus; water and collagen contents together predicted about 25% of the variance in modulus.     

软骨组织无约束压缩的有限元分析

目的采用有限元仿真和实验对比分析关节软骨的承载机理和应力松弛效应。方法考虑关节软骨基质固相、孔隙液相和胶原纤维增强相,并综合考虑软骨分层结构以及关节软骨渗透率随固体基质膨胀率变化特性,建立关节软骨纤维增强多孔弹性有限元模型。基于该模型,应用ABAQUS软件和FORTRAN语言编程嵌套,对关节软骨无约束阶梯压缩进行有限元仿真。应用自行研制的生物力学性能测试系统,通过阶梯加载实验对生猪软骨有限元分析结果进行了实测对比。结果试件以0.45%/s应变速率阶梯加载时,在试件中心,液相可维持承载80 s左右,最大可承担近90%的总应力。结论基于纤维增强多孔弹性有限元模型的无约束阶梯压缩有限元分析可定量评价关节软骨的固、液两相承载能力随应变和时间的变化特性。结合软骨无约束压缩实验的仿真分析有助于更准确地评价软骨的力学性能。     

基于纳米压痕法的关节软骨保湿测量技术

目的 在保持关节软骨表面湿润的情况下,进行纳米压痕实验,研究具有一定生物活性的关节软骨微结构的力学性能。方法 通过实验的方法,评估冷镶嵌法和保湿法对保持软骨在体力学性能的优劣,并应用保湿法得到不同保护液下软骨微结构的力学性能。结果 冷镶嵌法测得的软骨表层的弹性模量远大于保湿法测得的数值,蒸馏水保护下的软骨表层和深层的弹性模量明显高于壳多糖溶液和生理盐水保护下的软骨的弹性模量。结论 保湿法更有利于保持生物材料在体时的力学性能和保持生物材料的生物活性,通过保湿法也可以证明壳多糖溶液及生理盐水均可有效保持软骨的力学性能。     

关节软骨胶原纤维增强特性

目的在COMSOL关节软骨计算中引入胶原纤维增强特性,并分析引入前后模型结果的差异。方法以软骨中胶原纤维的走向为基础,对胶原纤维的应力单独建模,将胶原纤维的应力写入到原来软骨多孔弹性模型中。为避免应变2次项的出现采用了函数调用方式,同时提高求解器的迭代次数以更好收敛。结果胶原纤维增强模型表面的Y方向初始位移仅为15μm,是非增强模型的17.6%。增强模型的X方向正应变仅为非增强模型的10%,而近表面的X方向正应力超过非增强模型的10倍。结论在COMSOL关节软骨计算中实现了胶原纤维增强特性的引入,为软骨胶原纤维损伤提供了计算模型和理论分析。胶原纤维通过横向增强约束了竖直方向的应变,提高了软骨承载能力,改善了软骨的力学性能。     

Uncertainties in indentation testing of articular cartilage: a fibril-reinforced poroviscoelastic study

Indentation testing provides a quantitative technique to evaluate mechanical characteristics of articular cartilage in situ and in vivo. Traditionally, analytical solutions proposed by Hayes et al. [Hayes WC, Keer LM, Herrmann G, Mockros LF. A mathematical analysis for indentation tests of articular cartilage. J Biomech 1972;5(5):541–51] have been applied for the analysis of indentation measurements, and due to their practicality, they have been used for clinical diagnostics. Using this approach, the elastic modulus is derived based on scaling factors which depend on cartilage thickness, indenter radius and Poisson's ratio, and the cartilage model is assumed isotropic and homogeneous, thereby greatly simplifying the true tissue characteristics. The aim was to investigate the validity of previous model assumptions for indentation testing. Fibril-reinforced poroviscoelastic cartilage (FRPVE) model including realistic tissue characteristics was used to simulate indentation tests. The effects of cartilage inhomogeneity, anisotropy, and indentation velocity on the indentation response were evaluated, and scaling factors from the FRPVE analysis were derived. Subsequently, the validity of scaling factors obtained using the traditional and the FRPVE analyses was studied by calculating indentation moduli for bovine cartilage samples, and comparing these values to those obtained experimentally in unconfined compression testing. Collagen architecture and compression velocity had significant effects on the indentation response. Isotropic elastic analysis gave significantly higher (30–107%) Young's moduli for indentation compared to unconfined compression testing. Modification of Hayes’ scaling factors by accounting for cartilage inhomogeneity and anisotropy improved the agreement of Young's moduli obtained for the two test configurations by 14–28%. These results emphasize the importance of realistic cartilage structure and mechanical properties in the indentation analysis. Although it is not possible to fully describe tissue inhomogeneity and anisotropy with just the Young's modulus and Poisson's ratio, accounting for inhomogeneity and anisotropy in these two parameters may help to improve the in vivo characterization of tissue using arthroscopic indentation testing.     

关节软骨的微摩擦接触力学特性

目的使用修饰后的原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)探针研究关节软骨的微摩擦接触力学性能。方法使用微操作器对AFM氮化硅探针进行修饰处理,具体操作为在探针上粘贴玻璃微球作为针尖,然后使用修饰后的探针研究人体和牛关节软骨的微摩擦接触力学性能。结果人体和牛软骨的粗糙度分别为(68.63±6.22)、(50.16±6.47)nm,随着载荷的增大,人体和牛软骨的摩擦力逐渐增大。当探针滑动速度从0增加到100μm/s时,试样与探针之间的摩擦力增速很快;当速度从100μm/s增加到300μm/s时,摩擦力上升缓慢。结论软骨表面具有明显的纤维状结构,软骨的粗糙度与测量范围直接相关。随着速度或载荷的增大,人体和牛软骨的摩擦力增大,变化范围相同。探讨关节软骨在微摩擦试验中的力学和摩擦学性能表现,对于认识软骨损伤机制和医用人工关节抗磨材料的开发具有重要意义。     

聚乙烯醇/羟基磷灰石复合水凝胶修复膝关节软骨缺损的组织相容性

背景：将羟基磷灰石与聚乙烯醇水凝胶复合之后应用于软骨缺损修复中,可在软骨连接部位产生良好的生物活性,有效促进骨细胞的生长,提高植入材料的稳定性和生物活性。 目的：观察聚乙烯醇/羟基磷灰石复合水凝胶修复兔膝关节软骨缺损的组织相容性。 方法：取20只新西兰大白兔,随机分为空白对照组(n=6)与实验组(n=14),构建单侧膝关节软骨缺损模型,空白对照组不予以修复,实验组予以聚乙烯醇/羟基磷灰石复合水凝胶修复。术后4,8,12周获取膝关节标本进行大体观察及组织学观察。 结果与结论：空白对照组关节软骨面在术后12周内始终未得到修复,软骨下缺损存在肉芽组织充填现象,组织学也未见明显修复。实验组术后4周可见聚乙烯醇/羟基磷灰石复合水凝胶填充于缺损处,与周围软骨组织之间连接紧密,且存在清晰的界限,未出现细胞长入情况;至12周时,聚乙烯醇/羟基磷灰石复合水凝胶呈白色、半透明状,表面平坦,与周围软骨组织之间存在清晰界限,两者交界面存在软骨细胞大量增殖现象,与周围组织发生紧密结合,二者之间无间隙,底部与软骨下骨紧密连接,并存在骨样组织长入。表明聚乙烯醇羟基磷灰石复合水凝胶修复兔膝关节软骨缺损具有良好的组织相容性。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

关节软骨不同层区的率相关性能研究

目的 采用不同加载速率对关节软骨进行非围限压缩试验,探究其不同层区的率相关性能。方法 采用新鲜猪关节软骨作为研究对象,结合非接触式数字图像相关技术,测试不同加载率下软骨不同层区的力学性能。结果 在恒定加载率作用下,取相同压缩应力时,软骨浅表层的压缩应变最大,深层区压缩应变最小,中间层压缩应变鉴于表层与深层之间;沿软骨厚度方向,从浅表层到深层,软骨的泊松比逐渐增大;不同加载率作用下,软骨的压缩应力 应变曲线不重合,说明关节软骨的压缩力学性能具有率相关性;随着加载速率的增大,软骨的弹性模量呈增大的趋势;取相同压缩应力时,加载率越大,不同层区的压缩应变都减小。结论 关节软骨沿厚度方向,从浅表层到深层的压缩应变逐渐减小,泊松比逐渐增大,软骨不同层区的力学性能具有率相关性。实验研究可为临床软骨疾病预防、治疗提供理论依据,同时对人工软骨力学评价具有重要意义。     

miR-564在关节软骨损伤修复中作用机制的研究进展

关节软骨损伤修复一直是关节外科的热点和难点,最新研究表明,miR-564可能在关节软骨损伤修复中起着至关重要的作用。miR-564是位于第3号染色体上的非编码RNA,其功能主要是通过影响mRNA的稳定性和翻译进而参与基因表达的转录后调节,因此未来有望通过调控miR-564实现关节软骨损伤的原位修复。本文就miR-564的结构、功能及在关节软骨损伤修复中的作用机制作一综述。     

Comparison of medial and lateral posterior femoral condyle articular cartilage wear patterns

Background

While degenerative changes to the articular cartilage of the anterior and distal portions of the femoral condyles have been well studied in the literature, the changes that occur on the posterior femoral condyle are not as clear. The purpose of this study was to assess the difference in articular cartilage thickness between the medial and lateral posterior femoral condyles in knees undergoing unicompartmental knee arthroplasty.