摘 要

组织工程支架是目前医学领域的一大研究和发展方向。软骨再生支架是组织工程的一大应用。它可以为软骨缺陷位置提供支撑和细胞附着点，它的存在可以大大优化软骨再生的情况以及再生软骨的质量。支架的选择是有条件的，它需要有合适的机械特性和生物相容性。本课题以下肢骨关节为研究基础，采用正常人的膝关节的CT扫描图，并进行3D建模。根据影像和机械调节理论来预测软骨再生所需的最佳支架的力学性能。实验需通过有限元（FE）分析方法研究组织和支架的行为，以确定支架的机械和临床要求，对设计出的软骨支架进行优化，从而适应特定位置的负载要求。

关键词：有限元；软骨支架；膝关节

Abstract

Tissue engineering scaffold is a major research and development direction in the medical field. Cartilage regeneration scaffold is a major application of tissue engineering. It can provide support and cell attachment points for cartilage defects, and its presence can greatly optimize cartilage regeneration and the quality of regenerated cartilage. The choice of stent is conditional, it needs to have suitable mechanical properties and biocompatibility. In this project, the lower extremity bone and joint are used as the research basis, and the CT scan of the knee joint of a normal person is used, and 3D modeling is performed. According to the imaging and mechanical adjustment theory to predict the mechanical properties of the best scaffold for cartilage regeneration. The experiment needs to study the behavior of tissue and scaffold through finite element (FE) analysis method to determine the mechanical and clinical requirements of the scaffold, and optimize the designed cartilage scaffold to adapt to the load requirements of a specific location.

Keywords: finite element; cartilage scaffold; knee joint

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究目的及主要内容 3

第2章 人体膝关节及关节软骨 4

2.1 膝关节解剖结构 4

2.2 膝关节软骨 7

第3章 三维膝关节及软骨实体模型建立 9

3.1 引言 9

3.2 CT数据 9

3.3 Mimics软件 10

3.4 膝关节及关节软骨模型的建立 10

3.4.1 使用Mimics19.0软件进行膝关节建模 10

3.4.2 用3-matic实现膝关节模型的优化并建立软骨模型 13

3.4.3 建模特点 15

第4章 有限元分析 16

4.1 有限元分析介绍 16

4.2 Abaqus软件 16

4.3 有限元分析 16

4.3.1 网格划分 16

4.3.2 材料属性分配 18

4.3.3 边界条件及载荷 20

4.3.4 有限元计算 22

第5章 结论 29

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

组织工程支架是医学领域的主要研发方向。它是一种细胞支架，由植入的生物材料组成，目的是利于种子细胞如间充质干细胞的增殖和分化。支架材料基本相当于人工细胞外基质。^[1][6]组织工程所涉及的材料十分广泛。可以将不同的材料应用于人体的不同细胞组织和器官部位，包括：骨骼，软骨，神经，皮肤等。支架是具有良好的生物相容性的材料。^[1][4][6]也就是说，它可以与组织的活细胞结合并最初替代组织的功能。

股骨下端、胫骨上端以及髌骨构成了人体膝关节，是最大而复杂的关节。它对人体下肢运动以及载荷支撑起到至关重要的作用。^[3][25]正因如此，膝关节也是最容易出现损伤和发生病变的关节。^[25]其中，又以膝关节软骨部位的损伤更为严重。近年来，由于运动创伤、交通意外、剥脱性骨软骨炎等引起的软骨损伤越来越常见，而类风湿关节炎、骨性关节炎、关节不稳等疾病也是引起的软骨损伤的重要原因。^[6][15]软骨的作用至关重要，它能承受载荷、缓冲压力、吸收震荡。^[15][25]相关研究表明：由于关节损伤和负重会引起关节软骨退化形成骨性关节病变，又称退行性骨性关节炎。不合理的膝关节运动会导致不合理的应力环境，从而使关节软骨病变恶化。^[15][17]软骨损伤和骨性关节炎（OA）会引起患者关节的疼痛和肿胀，甚至导致功能障碍。^[25]并且软骨损伤及关节退变会给患者的生活造成不便，而且软骨损伤是长期和慢性的疾病，会消耗大量的医疗资源。^[12]

据统计，全球有3%左右的人患有骨关节病，其中65岁以上人群的发病率达到80%。全世界约有3.55亿人患有不同的关节病。^[11]目前，我国约有80%的老年人骨关节有退化现象，40%的人有各种骨关节病变症状。^[11]40岁以上的人群46%左右有骨关节炎。^[11]运动创伤、交通意外等外界因素更是使膝关节软骨损伤已经成为一种常见的疾病。因此，解决膝关节软骨损伤问题意义重大。^[11]

然而，由于关节软骨的特性，软骨的再生相当困难，传统的医疗方式只能通过药物方式来缓解病变和患者的痛苦。关节软骨是一种高度分化的细胞组织，以一种特殊的胶原纤维构成其框架。它是一种致密的结缔组织。软骨细胞分布在这些纤维之间，维持着关节软骨的正常代谢。^[11]关节软骨起着支点的作用，能缓冲压力，并且起到润滑作用使关节不易磨损。^[8][18]然而关节软骨没有神经支配，也没有血管。^[25]关节软骨细胞的代谢活动要经由关节液来完成，它从关节液中获得营养成分，并将代谢产物排至其中。^[25]关节运动，即压力刺激，是关节软骨的代谢活动必要条件，这对维持关节软骨的正常结构至关重要。同理，关节软骨的再生也需要关节运动的刺激。

幸运的是，组织工程的发展，软骨损伤的修复成为现实。这一突破主要在两个方面。