关节软骨的构造非常精巧和科学,以应对功能上的差异。胶原纤维组成软骨的基本框架,软骨细胞在纤维间呈漫衍分布,浅表层细胞呈梭形,中层和深层细胞为卵圆形或圆形,软骨细胞是维持关节软骨正常代谢的唯一单位。关节软骨内不含神经组织,也没有运输营养物质的血管、淋巴管,因此软骨细胞必须依赖关节液在软骨内外的交换来完成获取营养、排出代谢废的生理活动。外力或退行性病变引发关节损伤后无法修复。传统的关节损伤疗法不能产生在结构、功能方面与正常软骨相媲美的透明软骨。随着组织工程进入临床,使其有希望成为解决这一问题最有效的途径。但由于植入的人工软骨与宿主软骨力学性能的差异造成修复区细胞的力学环境及周围流场发生改变,且频现高应力区。必将引起软骨细胞基因表达发生改变,无法正常代谢,从而造成修复失效。本文分别研究了静压载荷和循环压缩载荷作用下,修复区关节软骨和软骨细胞的力学环境及流场变化。主要的研究方法和仿真结果如下:应用COMSOL软件建立缺损软骨修复的整体模型,及软骨细胞微观模型。宿主软骨考虑其固液双相特性、纤维增强特性、弹性模量随软骨深度变化、渗透率随深度及应变变化等材料属性。本文数值模拟研究不同弹性模量的人工软骨对缺损修复区的软骨及软骨细胞力学环境的影响。模拟结果表明,随着载荷作用时间增加,固体基质的液体压力和等效应力均增加,修复区的接合面处应力集中最为明显。可能会造成基质微观结构及细胞的应力损伤,造成修复失效。经验证较小弹性模量的人工软骨(如0.3MPa)对修复区的整体力学环境性能有所改善,且可减小结合面处的应力集中程度。研究表明,在软骨细胞单位中细胞周基质对软骨细胞具有保护作用,可避免细胞受到过大的应力刺激。使用不同弹性模量的人工软骨修复缺损时,对各层软骨细胞的应力分布均有影响,浅表层和中间层细胞应力均增大,浅表层尤为显著;深层细胞应力略减小。缺损修复对各层区细胞周围的流场分布及液体流速和细胞所受的液体压力也有影响,即改变了软骨细胞依靠液体流动供给营养的方式。通过分析,可以明确临床修复中引起修复失效的潜在力学因素。因此,跨尺度研究软骨缺损修复区细胞的力学环境具有重要的临床意义。