关节软骨退变性疾病的发生及进展与异常应力载荷的关系非常密切。在探索关节软骨退变性疾病的发病、进展及改善措施时，首先应当清楚异常应力载荷作用下关节软骨退变的机理。软骨组织在遭受异常力学载荷当时发生的组织完整性的破坏模式，将影响到软骨以后的退变发展过程。因此有必要确切了解异常力学载荷下关节软骨的即时损伤反应。 考虑到关节软骨构成的特点：软骨组织由软骨细胞及基质两部分构成，外加应力载荷对软骨组织的损伤作用也将体现在细胞损伤和基质损伤两方面。软骨细胞处于基质胶原纤维保护之中，可以认为在软骨组织对抗外加力学载荷时不起作用，软骨组织的抗压缩能力来自于基质部分。因此在研究外加应力载荷对软骨组织的损伤作用时，必须清楚基质的力学状态。 本课题基于以上考虑，利用精密的力学设备进行以下研究：一、“应力载荷-软骨变形规律”研究。在通过实验获得牛关节软骨物性参数的基础上进一步探索不同应力载荷模式下软骨基质的力学状态。二、“异常应力载荷-软骨即时损伤反应”研究。探索牛关节软骨在不同的异常应力模式下软骨细胞及基质的损伤反应。另外对在有限元分析软件ANSYS5.6中建立膝关节3D有限元模型进行了方法学探索。 一、软骨的“力学载荷-组织形变”(材料学性质)研究 第四军医大学博士学位论文 H 对牛肩关节软骨进行周界约束压缩实验，并将实验结果按照两相理论进行拟和，以获得软骨的两个物性参数：聚集模量H＾和通透系数ho，实验结果表明，牛肩关节软骨在恒定外加应变下呈现应力松弛特点，实验数据可以用有限变形理论成功的拟和，根据拟和结果得到 H。－0．53土0．07Mp8，ho＝5．SX10－16＋05X10‘16ffi4N”Is＊ 日 结合有限变形理论对关节软骨在应力松弛实验中的间质液体承担压力的比例PN，t＊叶t）进行分析。结果表明，PO，t＊a＊）在应力松弛阶段不断下降：在应力松弛初期，液体静压承受了绝大部分总应力，因相基质基本不承担应力。随着外加载荷的持续作用，液体静压比例不断下降，固相基质承受的压力比例上升。表明软骨组织具有流动依赖的材料学性质及时间依赖性；在承受外加力学载荷时，固相基质及液相基质的力学作用处于动态变化之中。 日 通过非限制性压缩实验对不同加载速率应力载荷下原位关节软骨的变形规律进行了探索。结果表明牛肩关节软骨在快速压缩（应力坡度50Mp3·S”’，峰值应力 3．ZMp3）下呈线弹性特点，表现出高出 H。许多倍的弹性模量（E＝17．43MPa）。牛肩关节软骨在慢速压缩（应力坡度0．ZMPa1”’，峰值应力0尸SMPa）下呈非线性应力．应变关系，弹性模量随应变而变化。引入瞬时弹性模量Ek）后计算表明软骨的刚度随应变的增大而上升。牛肩关节软骨在快速压缩下表现出的刚度比慢速压缩下的刚度高。结合周界约束压缩实验结果，提示在不同加载速率的应力载荷下，软骨组织团相基质及液相基质承受的应力负荷比例有很大差异。以胶原结构为力学主体的固相基质在高加载速率力学载荷下承担很少的压力，但却会受过高的基质间液压力的影响而产生很高的张力。在低加载速率下，固相基质承担压力的比例较高，但基质间液压力比例较低。 二、“异常应力载荷．软骨即时损伤反应”研究。 利用活组织荧光染色技术及扫描电镜技术在实验条件下探索动物关节 4 第四军医大学博士学位论文软骨对高加载速率及低加载速率的异常应力载荷的即时损伤反应。在两种恒定应力速率下，对高体新鲜牛肩关节软骨组织块施加单次亚撞击应力负荷旧I组）及循环撞击负荷uI组X应力峰值变化范围从 ZMPa到 11 Mpa，随后行组织块培养。通过FDA／PI双荧光染色法观察软骨细胞损伤的程度及分布模式。通过SEM行胶原结构超微观察；采用改良的DMB染液法测定组织块受载后每日的基质GAG释放率以确定基质损伤程度。 H 低加载速率的应力载荷对关节软骨细胞的损伤作用非常明显，体现在软骨细胞的死亡程度及空间分布上：当应力峰值达到SMPa时，随着应力峰值的增大，软骨细胞除了死亡比例上升外，分布也更加广泛。应力峰值超过一定阈值（gwa）时，死亡细胞涉及了软骨全层，应力峰值达11 MPa时软骨细胞死亡比例接近 40％。但是低加载速率的应力负荷对软骨胶原网状结构的影响不很明显。即使加载负荷的应力峰值达到了 11 MPa，在扫描电镜下仍然观察不到胶原纤维的排列异常及断裂现象。 p 高加载速率的应力负荷对关节软骨细胞及基质都可以造成即时损伤，但主要是以软骨基质结构的损伤为主，体现在以下方面。①软骨胶原纤维排列异常及结构破坏：循环撞击组同正常组及亚撞击组相比，胶原纤维排列异常密集、整齐，呈现出明显的垂直走向，失去了松弛感；承载超过一定阈值（峰值应力巧＊Pa）的标本局部可出现纤维断裂，较为集中的断裂区域可以出现明显的横行裂纹。②基质GAG?