低温保存对关节软骨压缩模式下生物力学性能的影响

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.52MB 59 页 15积分

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摘要

随着人口老龄化日趋加剧，骨关节疾病已越来越多地威胁着人类身心健康,成

为“21 世纪人类最大杀手之一”。关节软骨移植是修复关节软骨损伤的非常可靠的

手段之一，但一般都采用自体移植。目前有关关节软骨异体移植还不是太成熟，

可能是经深低温保存后关节软骨的生物力学特性有所变化，最终导致关节软骨移

植效果不理想。

本课题的目的是采用动态热机械分析法，对低温处理后关节软骨的各个参数

进行分析，探讨经过冷冻处理的关节软骨的生物力学特性变化规律，并优化低温

保存工艺，尽量保证移植前关节软骨生物力学特性的完整性。本文主要工作如下：

1) 使用动态热机械分析仪对关节软骨的热应力曲线、应力-应变曲线和应力松弛

曲线进行测定，并进行分析，分别求得关节软骨的热膨胀系数曲线，杨氏模量

对比曲线以及应力松弛归一化曲线；

2) 当低温保护剂浓度较低，或者不使用低温保护剂时，关节软骨的线应变值会在

-20℃左右发生突变，而低温保护剂浓度较高时，则可以避免突变的发生；当降

温速率太大时，突变前后的应变差较大，这说明，低温膨胀可能已经造成关节

软骨内部组织损伤，由于膨胀所产生的应力来不及释放，可能会带来严重的低

温断裂问题；

3) 随着 3种低温保护剂浓度的增大，杨氏模量也随之升高；慢速降温的关节软骨

的杨氏模量大于快速降温软骨的杨氏模量；相同的低温保护剂浓度，3种低温

保护剂中 DMSO 的杨氏模量最高，其次是甘油，丙二醇的杨氏模量最低；

4) 低温保护剂浓度越大，松弛速度越慢；10%DMSO 处理的样品与新鲜关节软骨

的应力松弛曲线最为接近，其次为甘油和丙二醇；降温速率越大，应力松弛速

度越快，三种降温速率中，1℃/min 处理过的样品的应力松弛曲线最接近新鲜

关节软骨的应力松弛曲线。

关键词：关节软骨；热膨胀；杨氏模量；应力应变；应力松弛

ABSTRACT

With aging populations, human health is increasingly threatening by various

diseases of articular cartilage which have become ‘one of the biggest killers in the 21st

century’. Although the transplantation of articular cartilage has been taken as one of the

most reliable treatments for damage repair, autotransplantations are generally needed.

For the deep cryopreservation process may cause change of biomechanical properties,

allotransplantations of articular cartilage are still far from widespread use.

Various parameters of articular cartilage after cryogenic treatments were studied by

dynamic thermal mechanical analysis method and the change rule of biomechanical

properties after freezing treatments was discussed. Moreover, the optimization of

cryopreservation process was purposed for preserving the integrity of biomechanical

properties before the transplantation of articular cartilage.

1) This paper standies the curves of thermal stress, curves of stress - strain and curves

of stress relaxation of articular cartilage by dynamic mechanical thermal analyzer.

Respectively, we got the curves of coefficient of thermal expansion, the contrast

curves of Young's modulus and the normalized curves of stress relaxation.

2) When the concentration of CPA is low, or do not use the CPA ,the linear strain of

articular cartilage will be mutated at about -20 ℃. But high concentration of CPA

can avoid. If the cooling rate is too high，mutation of the strain difference before

and after is higher.This may cause tissue damage within the articular cartilage,

because it is too late to release the stress which was generated by expansion.

3) With the increasing of concentration, the Young's modulus also will be increased.

The Young's modulus of the samples dealt with low cooling rate are bigger than

high cooling rate . The Young's modulus of samples dealt with DMSO are highest

followed by glycerol and propylene glycol when the concentration of CPA are

equal.

4) High concentration can also make the relaxation slower .The stress-relaxation

curves of samples dealt with low cooling rate are the closest to fresh articular

cartilage.The stress-relaxation curves of samples dealt with 10% DMSO are closest

to fresh articular cartilage, followed by glycerol and propylene glycol.

Key words: Articular cartilage, Thermal expansion, Young's modulus,

Stress-Strain，Stress relaxation

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§ 1.1 关节软骨的形态结构与功能 ..........................................................................1

§ 1.2 低温保存关节软骨生物力学特性的国内外研究现状 ..................................3

§ 1.3 立题意义及背景 ..............................................................................................7

§ 1.4 课题目的及主要研究内容 ...............................................................................7

第二章关节软骨的冻结膨胀行为及其影响因素 .........................................................8

§ 2.1 试验设备与方法 ..............................................................................................8

§ 2.1.1 实验仪器 ................................................................................................8

§ 2.1.2 实验材料 .............................................................................................. 11

§ 2.1.3 实验方法 ...............................................................................................11

§ 2.1.4 数据处理方法 ......................................................................................12

§ 2.2 实验结果与分析 .............................................................................................13

§ 2.2.1 新鲜关节软骨的热应变曲线图谱 .......................................................13

§ 2.2.2 降温速率对新鲜关节软骨冻结过程热膨胀的影响 ...........................14

§ 2.2.3 低温保护剂浓度对关节软骨冻结过程热膨胀的影响 .......................16

§ 2.2.4 不同低温保护剂对关节软骨冻结过程热膨胀的影响 .......................20

§ 2.3 本章小结 ........................................................................................................24

第三章关节软骨的压缩杨氏模量及其影响因素 .......................................................25

§ 3.1 实验设备与方法 ............................................................................................25

§ 3.1.1 实验仪器 ..............................................................................................25

§ 3.1.2 实验材料 ..............................................................................................25

§ 3.1.3 关节软骨的应力应变曲线 ...................................................................26

§ 3.1.4 实验方法 ..............................................................................................26

§ 3.2 未经洗脱时低温保护剂对关节软骨杨氏模量的影响 .................................27

§ 3.2.1 未经低温冷冻的影响 ..........................................................................27

§ 3.2.2 经过低温冷冻的影响 ...........................................................................28

§ 3.3 洗脱低温保护剂对关节软骨的杨氏模量的影响 .........................................30

§ 3.3.1 未经低温冷冻的影响 ..........................................................................30

§ 3.3.2 经低温冷冻的影响 ...............................................................................32

§ 3.4 洗脱低温保护剂对关节软骨杨氏模量的影响 .............................................33

§ 3.5 本章小结 ........................................................................................................34

第四章关节软骨压缩模式下的应力松弛及其影响因素 ...........................................36

§ 4.1 实验仪器与材料 ............................................................................................36

§ 4.1.1 实验仪器 ..............................................................................................36

§ 4.1.2 实验材料 ..............................................................................................36

§ 4.1.3 关节软骨压缩模式下的应力松弛曲线 ..............................................37

§ 4.1.4 关节软骨压缩模式下的应力松弛曲线归一化 ..................................38

§ 4.1.5 实验方法 ..............................................................................................38

§ 4.2 实验结果与分析 ............................................................................................39

§ 4.2.1 低温保护剂浓度对关节软骨压缩模式下的应力松弛性能的影响 ..39

§ 4.2.2 降温速率对关节软骨压缩模式下的应力松弛性能的影响 ..............42

§ 4.2.3 低温保护剂种类对关节软骨压缩模式下的应力松弛性能的影响 ..44

§ 4.2.4 应力松弛归一化曲线的 Maxwell 方程拟合 ......................................45

§ 4.3 本章小结 ........................................................................................................47

第五章结论与展望 .......................................................................................................48

§5.1 结论 ...............................................................................................................48

§5.2 展望与建议 .....................................................................................................48

参考文献 .........................................................................................................................50

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................55

致谢 ...............................................................................................................................56

第一章绪论

随着人口老龄化日趋加剧，骨与关节疾病已越来越多地威胁着人类身心健康,

它已成为“21 世纪人类最大杀手之一”。统计数据显示,我国关节疾病患者数量已

经高达 1亿以上。在 50 岁以上中老年人人群中,关节疾病的患者数量已经达到 80%。

事实上，骨关节疾病是一大家族，它包含着遗传的、先天的、免疫的，还包括炎

症、创伤、退变、肿瘤等等上百种骨与关节疾病。它们共同的特点是，不论哪种

原因，一旦骨关节得病，很难获得彻底治愈。

传统的治疗方法，如微裂骨，软骨下钻孔等，只暂时的缓解疼痛等症状，未

能达到关节软骨的生理性修复，故远期效果不理想。关节软骨移植是修复关节软

骨损伤的非常可靠的手段，但关节软骨供体来源较少，保存效果不好，一直是关

节软骨的异体移植不得推广的主要原因。近年来，低温冻存的异体骨软骨移植因

具有来源较广、免疫原性低、时限灵活、可与人工关节联合使用等优点，而受到

许多研究者的重视。已有很多实验研究表明，异体骨关节软骨组织中的软骨细胞

在经历深低温冻存移植后，仍可以保持一定的活性[1]。但也有很多实验研究表明，

经深低温保存的关节软骨的生物力学特性有所变化。关节软骨在人体内扮演着缓

冲力作用的功能，如果其生物力学特性与正常关节软骨相比有所变化，那它提供

的力学功能就有所削弱，或者说，经深低温保存后的关节软骨效果不理想[2-5]。在

进行软骨移植之后，关节软骨仍承受着来自身体各个方向的冲击，如果移植后的

关节软骨本身并不完整，关节软骨有可能会再次病变。因此研究深低温保存方法

中各个参数对关节软骨的生物力学特性的影响是非常必要的。

§ 1.1 关节软骨的形态结构与功能

关节软骨为透明软骨，覆盖在构成活动关节的两相对骨面。它是一种特殊的结

缔组织，由软骨细胞和软骨基质组成，没有血管，神经和淋巴管，其营养主要来

源与软骨下血管和滑液。关节软骨的生理功能包括均匀的传递载荷，减少接触应

力缓冲震荡，为关节活动提供低摩擦，低磨损的光滑界面[6]。

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摘要随着人口老龄化日趋加剧，骨关节疾病已越来越多地威胁着人类身心健康,成为“21世纪人类最大杀手之一”。关节软骨移植是修复关节软骨损伤的非常可靠的手段之一，但一般都采用自体移植。目前有关关节软骨异体移植还不是太成熟，可能是经深低温保存后关节软骨的生物力学特性有所变化，最终导致关节软骨移植效果不理想。本课题的目的是采用动态热机械分析法，对低温处理后关节软骨的各个参数进行分析，探讨经过冷冻处理的关节软骨的生物力学特性变化规律，并优化低温保存工艺，尽量保证移植前关节软骨生物力学特性的完整性。本文主要工作如下：1)使用动态热机械分析仪对关节软骨的热应力曲线、应力-应变曲线和应力松弛曲线进行测定，并进行...

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