肩关节软骨应力松弛实验研究

肩关节软骨应力松弛实验研究 1999年第4o卷第1,2期试验技术与试验机 肩关节软骨应力松弛实验研究 …麴老;{i. 鐾 /,摘要 . ]b 子./ 本文报道了对正常国人新鲜尸体肩关节软骨进行应力松弛实验的结果.测定了肩 关节软 得出了肩关节软骨应力松弛骨应力和时间相关的不同效应.研究了其粘弹性性能,数据及曲 线 1引言 软骨是一种多孔的粘弹性材料,其力学 性能一直被许多生物力学工作者和医学工作 者所关注.因为关节软骨的结构及力学性能 与骨不同,它的独特力学性质对关节及骨骼 系统的力学行为有重要的作用,它即使力在 关节中均匀传递,又提供了良好的关节面,使 关节灵活运动,少受磨损. 本文的研究对象为正常国人因急性头部 外伤致死的成人新鲜尸体肩关节软骨.对其 进行应力松弛实验研究,旨在了解健康人肩 关节软骨的应力松弛性能,以期为人工 替代材料提供力学性能参数. 2材料与方法 本实验所用10个试样分别取自lO具因 急性外伤致死的新鲜尸体,年龄21,26岁 均为男性.死者死亡后l,2小时之内解剖 取下脓骨头,立即装入塑料袋密封后置于低 温冰箱内保存.实验前取出,在常温下解功: 后,用特殊的骨刀沿脏骨头细微裂纹方向修 整成厚为21,2.6mm,长为15nma,宽为 14rran的试样1O个. 应力松弛实验是研究固体生物材料牯弹 性的重要方法它示在常应变作用下,应 力随时间的变化历程. 肩关节软骨应力松弛实验是在日本岛津 公司AG一10TA自动控制电子万能试验机上 进行的.试验机配有一35屯,250?可调环 境温箱.本实验模拟人体温在36.5?01? 的温度场下进行.将标本装于盛有PH值为 74的生理盐水有机玻璃缸内,放置于试验 机工作台上,计算机程序控制驱动机器横梁 下降使标本受压应变.计算机可自动控制应 力,应变增加速度和使应力,应变保持恒定. 达到预先设定的时间后,自动停机,打印出实 验数据和曲线. 3应力松弛实验 本实验程序设定以30%/w.in的应变增 加速度对试样加载,当应变达到10.37%,载 荷达到lkN,应力为0.0t~73GPa时使应变保 持恒定,应力随时间的改变不断下降.程序 设定从时间t(O)开始,每1s采集一个数据, 采集3O个数据,之后每6s采集一个数据,采 集20个数据,之后每70s采集一个数据,采 集50次;共采集lO0个数据,历时3650s.应 力松弛曲线下降十分缓慢.停止实验.将10 个试样的应力松弛数据进行曲线拟台如图所 示. 关节戢督城船弛曲戟 4讨论 软骨是一种多孔的粘弹性材料,组织间 隙为液体所充满,在应力作用下,液体可在组 织中流进或流出,软骨的力学性能随液体的 含量而变化,事实上液体(下转第76页) 1999年第40卷第1,2期试验技术与试验机 数J(t)反映试样某一时刻的伸长与原长之 比,l~lJJ(t)=L(t)lL(O).由桡骨的实验结果 可得到J(t)的一组实验值』屯,见图2所示. J刳2挠骨归一蠕业出敫曲线 根据其随时间的变化规律亦设: J(t)=C+de'' 由最小二乘法确定c,d值,令 甲(Cxd)_ .主(,(t)一] 一, + . d= 正则方程{':'., ;三ce一+(e)一.eJ实(3) 将实验数据代人(2),(3)式,解出c= 005148,d=O.2739,将Cxd值代人(1)式得: J(t)=0.05148+0.2739e(4) (4)武代表了桡骨的蠕变特性. 4结论 本实验结果表明,桡骨蠕变最初600s蠕 变较快,之后应变缓慢上升7200s基本趋于 平衡. 预调结果表明,桡骨试样有滞后现象,所 以必须对试样进行预调处理后再进行实验. 不同试样之间桡骨在同一应力水平下蠕 变量有一定差异,这是生物材料的性质决定 的,它受诸如年龄,性别,健康状况等因素影 响. 参考文献 1)挈思竞主编^休解剖学(第二版)北京:^咒卫生 50 出版杜.1985(1】):45— 2橱挂通吴文用蝙着骨力学.北京:科学出版扯 .I989(II):53 (上接第74页)在应力下的流动似乎是这种 无血管组织取得营养的主要途径.因此研究 其应力,应变的关系不仅对于解软骨传递 载荷的特性有必要,而且对于了解组织的健 康状况也是非常重要的 实验结果表明,关节软骨具有良好的牯 弹性,肩关节软骨应力松弛主要发生在最初 1O分钟之内,之后应力缓慢下降.关节软骨 在很短时间内迅速松弛是由于组织中液体被 挤压出,液体由组织中流出而造成的.毛 照宪等(1977)也发现关节软骨在受压时有类 似快速应力松弛现象0l. 参考文献 【郏思竟主编.^体解音=f学北京:人堤卫生出版社. 】978(第一版).46 2橱桂通,吴立周编着骨力学.北京:科学出版社. 1989(第一版).95—96 3冯元横生物力学.北京:科学出版社1983(第一 版),76,8