2.1  不同压缩量下成年和幼年关节软骨的滚压行为  图5显示了不同压缩量下成年软骨和幼年软骨棘轮应变随循环圈数的变化。可以看出随着循环的进行，成年软骨和幼年软骨的棘轮应变都呈现先快速增加后缓慢增加的趋势。在10%，20%压缩量的滚压下，幼年软骨棘轮应变要比成年软骨的棘轮应变高3%左右(P < 0.05)。在30%压缩量的滚压下，成年软骨的棘轮应变值为19%，而幼年软骨的棘轮应变值为23%，比成年软骨高4%(P < 0.05), 说明软骨的抵抗滚压能力由于年龄情况的不同而有所不同。

图6显示在滚压初期成年软骨的棘轮应变率要高于幼年软骨。初始时两组棘轮应变率都在较短的时间内很快减小到0.35%/循环。在第二个阶段，由于循环滚压载荷的作用使得关节软骨发生了硬化，关节软骨本身达到了软化恢复的动态平衡，到达了关节软骨材料所对应的稳态响应应变状态，在此阶段应变的增长率低并保持稳定，没有较大的起伏变化。最后分别维持在0.12%/循环(成年软骨)与0.15%/循环(幼年软骨)左右。由于关节软骨材料特性及实验条件所限，并没有出现一般材料的棘轮行为的第三阶段，也就是棘轮应变急剧增大阶段^[23]。

2.2  成年软骨和幼年软骨不同层区的棘轮行为  图7表示在压缩量为30%、滚压速率为3.34 mm/s时成年和幼年软骨不同层区的棘轮应变变化。可以看出对于软骨各层区而言，幼年软骨组应变均大于成年软骨，其差异也随着从浅表层到深层区深度的降低而逐渐的降低。对于成年与幼年软骨，3个层区的棘轮应变有大致相同的变化趋势，深层区棘轮应变变化幅度最小，浅表层应变变化幅度最大，中间层在两者之间。幼年软骨浅表层和中间层的棘轮应变达到了24%和15.5%，而成年软骨在浅表层和中间层的棘轮应变仅为19%和12.5%，差距分别为5%和3%(P < 0.05)，而深层区的棘轮应变成、幼年软骨两者相差不大。

图8显示了成年和幼年软骨不同层区的棘轮应变率。可以看出，幼年软骨在浅表层和中间层的应变率分别约为0.16%/循环和0.1%/循环，成年软骨在浅表层和中间层的应变率约为0.13%/循环和0.086%/循环，两组浅表层和中间层的应变率比较差异有显著性意义(P < 0.05)，显示出在成年、幼年软骨浅表层和中层区的棘轮效应有较大的差异。

2.3  滚压速率对成与幼年软骨棘轮应变及应变率的影响   图9表示了成年与幼年关节软骨在不同滚压速率下得到的棘轮应变。可发现两者棘轮应变在各自的滚压速率下均随循环圈数增加而增长，且均在滚压速率1.66 mm/s下棘轮应变值到达最大值；在滚压速率为6.68 mm/s时，成年、幼年软骨棘轮应变值最低；在滚压速率为3.34 mm/s时，成年、幼年软骨的棘轮应变值居中。经统计学分析显示，两组内不同滚压速率下的棘轮应变比较差异有显著性意义(P < 0.05)。实验结果显示，滚压速率会影响年龄不同软骨组织的棘轮效应。究其原因主要是：由于滚压速率的加快导致滚压装置与软骨接触时间少，从而不能充分的将软骨组织中的水分等液体排除，造成相应的应变变小。而当滚压速率变慢，滚压时间增长，滚压接触充分，液体流出变多，从而应变变大。幼年软骨组织较成年软骨更厚，软骨组织间排列并不密集，因此在多次循环滚压下其应变大于成年软骨的棘轮应变。

图10显示了不同滚压速率下成年软骨和幼年软骨的棘轮应变率变化。可以看出在3组滚压速率曲线中，成年软骨的初始棘轮应变率均比相应的幼年软骨棘轮应变率值要高，且其变化趋势均大致相同。在初始时，成年、幼年软骨棘轮应变率均快速降低，然后缓慢降低至稳定值。对此阶段的理论解释和在不同压缩量下成年和幼年关节软骨的滚压实验中的解释相同，不再赘述。

2.4  不同缺损尺寸对成年与幼年关节软骨棘轮效应的影响  制备了3种不同缺损尺寸的关节软骨试样，缺损尺寸宽度分别为1，2，4 mm，深度为1.2 mm，即微型缺损、常规缺损和最大缺损。在压缩量为30%、滚压速率为3.34 mm/s下时，研究不同缺损尺寸情况下成年与幼年关节软骨的棘轮行为。

图11显示了不同缺损尺寸时成年、幼年关节软骨不同层区的棘轮应变变化。可以看出，无论是成年软骨还是有年软骨，1 mm微型缺损关节软骨棘轮应变数值和趋势与完整无缺损软骨大致相同，微型缺损软骨处没有明显的应力集中现象；在2 mm缺损尺寸下，幼年软骨浅表层棘轮应变高达24.6%，成年软骨为20%；在4 mm缺损尺寸下，幼年和成年软骨浅表层的棘轮应变分别达到了29%和25%，均要高于软骨的正常棘轮应变值。 对于中间层和深层区而言，在2 mm和4 mm缺损状态下，成年与幼年软骨的棘轮应变值均比同样条件下完整软骨的棘轮应变值要高。

在人们的日常生活和健身中膝关节软骨有着重要的承重作用，其主要的承受载荷形式就是滚压滑动与压缩。软骨在人们日常活动时能将载荷缓冲，均匀地将载荷传递到软骨下骨，对关节有着重要的保护作用，因此软骨是疾病和损伤的易发部位^[1]。软骨被破坏以后的自我恢复能力弱，一旦受损就会对人们生活造成非常大的困扰^[2-3]。因此，研究关节软骨在生理载荷作用下的宏微观性能及修复方案具有重要意义^[4-5]。

关节软骨由胶原蛋白和软骨纤维组成^[6-7]，可以分成浅表层、中间层和深层区，其中浅表层仅占软骨厚度的20%左右，中间层约占50%，而深层区则占到30%，观察发现不同层区的软骨细胞形状也是不相同^[8]。随着软骨深度的变化，其各主要成分水、蛋白多糖、Ⅱ型胶原等含量也随之改变。如图1所示为关节软骨分层结构示意图^[9]。

软骨的生长发育离不开载荷的作用，其在生长过程中会经常承受循环压缩载荷的作用。在循环压缩载荷作用下，软骨产生的累计形变和棘轮变形，会导致其应力损伤或者病变，而机械疲劳较易引发骨关节炎^[10]，骨关节炎等疾病会造成软骨的退化和机械性能的丧失。

国内外专家学者对关节软骨在不同力学环境及循环压缩载荷下的受力情况做了不少研究。吕雪莹^[11]研究了猪膝关节软骨的动态力学性能测试，得到了成年猪膝关节软骨在3种应变率下的动态应力应变曲线，并对3条曲线进行了分析比较，采用霍普金森压杆实验得到软骨的动态力学特性。王亚博^[12]发现损伤的软骨不能通过适当的形变分配其所承受的载荷，从而会影响到软骨对营养的汲取，进而导致软骨细胞功能下降。同时从另一角度分析得知在上述情况下，蛋白聚糖、水会从软骨组织中逸出，导致软骨硬度发生变化，增加软骨发生损伤的风险，而这些风险在正常完整的关节活动中也会发生。以往学者所做实验均集中在循环压缩载荷对软骨的作用^[13-22]，同时有关软骨年龄因素对软骨力学特性影响的研究和软骨在复杂受力环境下的特性研究不深入。

实验利用滚压装置进行滚压循环载荷下软骨棘轮行为的研究，可以模拟人在不同运动状态下膝关节软骨的生物力学特性。同时考虑到年龄不同的关节软骨其结构排列、组织形式及细胞形态等都是不同的，这些因素不仅对关节软骨的力学特性有影响，也会影响到软骨细胞的生长代谢，在组织层次上也会影响到正常的力学-生物传导等。考虑到上述原因，实验开展了成年软骨和幼年软骨在不同滚压条件下的实验，同时利用非接触式数字图像技术，其优势在于通过把被测对象的图像作为检测和传递信息的手段，从图像中提取有用信息进而获得待测参数，研究通过图像采集点的坐标变化，从而计算出受载前后软骨的应变，还可利用其强大的图像功能进一步观察软骨的微观形态。实验有助于分析预测软骨损伤或损伤加剧的风险等情况，不仅能为关节软骨损伤的预防和治疗提供建议，同时为用于软骨缺损修复的组织工程材料提供了力学参考。

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1.1  设计  生物力学实验。

1.2  时间及地点  实验于2018年4至7月在天津理工大学机械工程学院生物力学实验室完成。

1.3  材料  成年软骨试样是从6-8个月大猪股骨远端滑车部位获取，幼年软骨试样是从出生三四周的幼年猪股骨远端滑车部位获取，见图2，可以看出幼年猪股骨的长度约为成年猪股骨的一半，体积约为其1/3。成年猪和幼年猪软骨试样均来自本地屠宰场。沿着垂直于关节表面方向切割，获得软骨试样。通过测量获得，成年软骨厚度在1.5-2.0 mm，幼年软骨的厚度为2.0-3.0 mm。

1.4  方法  实验开展主要采用的是滚压加载装置，见图3。该装置由计算机控制系统与机械加载系统组成，计算机控制系统主要是通过步进电机来控制与其相连的丝杠进行运动，从而达到调节滚轮的滚动速度、滚动次数以及滚轮每次在加载物上所行进的距离。机械部分主要由丝杠、滚轮、齿轮齿条、楔形块等部分组成，滚轮两侧各带一齿轮在齿条上进行纯滚动，以保证滚轮能够对加载物以恒定的速度进行滚动加载。实验时，软骨试样被固定在夹具上，滚轮在电机的驱动下在试样表面沿水平方向进行往复运动，以施加循环滚压载荷。

同时在加载过程中，应用非接触式数字图像技术来分析软骨试样不同层区的应变场变化。采用纳米氧化铁颗粒(直径为100 nm)作为示踪标记点，将其均匀涂抹在切开的关节软骨剖面上，利用非接触式数字图像技术对加载过程中的试样进行拍照，采集图像；通过采用图像处理软件对图像进行处理，获得软骨不同层区的位移和应变量。以图4中浅表层的应变计算为例，在初始滚压加载前取图像(a)中目标点A(团聚直径25-35 μm)作为参考点，在滚压加载后拍摄图像(b)上得到变形后相对应的点A’。然后根据深度的变形及记录的坐标数据可以计算并确定其应变，计算公式如式(1)所示。

ε_z=(z´-z)/h                                  (1)

以幼年软骨和成年软骨为对象开展了循环滚压加载实验，考察了压缩量、滚压速率和缺损尺寸对软骨棘轮变形的影响。具体的加载条件如表1-3所示，加载圈数为150圈。考虑到实验误差，每组实验采用3个独立试样进行重复实验，实验结果取平均值。

1.5  主要观察指标  循环滚压载荷作用下成年及幼年关节软骨的棘轮行为。

3.1  既往他人在该领域研究的贡献和存在的问题  膝关节在日常活动、体育锻炼中常受到载荷的作用，因此是疾病和损伤的常发部位。正确力学环境对关节软骨的生长发育及损伤治疗有重要作用^[24-26]。

之前对膝关节软骨做过的研究主要集中在单轴拉伸、压缩载荷下的准静态和动态性能研究^[27-30]，同时关于软骨年龄因素对软骨学特性影响的研究也很少。关节软骨的生理载荷除了拉伸、压缩载荷外，滚压载荷也是其重要的一种生理载荷形式。因此，在滚压载荷下研究关节软骨的宏、微观力学性能是非常重要的。此方面国内外研究较少，因此需要做更多细致的工作。

3.2  该文区别于他人他篇的特点  在前人研究的基础上，此次实验进行了滚压循环载荷下软骨棘轮行为的研究，可以模拟人在不同运动状态下膝关节软骨的生物力学状态，并考虑了软骨年龄因素对软骨棘轮行为的影响，设置了成年与幼年软骨实验。同时利用非接触式数字图像技术的优势，能更好的计算软骨应变，保证结果的准确性。

3.3  该文分析的局限性  实验样本均来自动物且处于离体状态，与体内实验有差距。并且实验没有在细胞和纤维层面进行更深入的研究，所以实验探索有一定的局限性。

结论：成、幼年软骨材料属性有差别，幼年软骨表现出比成年软骨更强的黏弹性，且幼年软骨组织较成年软骨更厚；幼年软骨在浅表层和中层区抵抗滚压载荷的能力相对较差，因此较大压缩量的滚压环境应尽量避免出现在幼年软骨的生长过程中；软骨在较大压缩量和滚压速率的情况下棘轮应变均较大。因此，在日常活动中人们在健身时应选择合适的活动、强度和时间。在较大缺损尺寸状态下，软骨棘轮应变值均比同样条件下的完整软骨棘轮应变值要高，因此在软骨出现损伤时应尽量避免较为剧烈的活动。在临床治疗上膝关节术后患者应避免膝关节的剧烈活动。

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文题释义：

非接触数字相关技术：非接触式测量方法以前主要有光学式和气动式两种，实验采用光学式图像采集系统。图像测量技术作为一种新兴的非接触测量方法有着独特的优越性，它通过把被测对象的图像作为检测和传递信息的手段，从图像中提取有用信息进而获得待测参数，研究通过图像采集点的坐标变化从而计算出受载前后软骨的应变。

棘轮效应：材料受到拉伸或压缩时，如果力大于材料的屈服强度，那么材料就会发生塑性变形。在非对称应力控制循环加载下，材料反向变形大小就会小于初始变形，进而产生了残余应变，如此反复而产生的沿应力方向上塑性变形累积的现象，这种现象即称为棘轮效应。

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1 在前人研究的基础上，实验进行了滚压循环载荷下软骨棘轮行为的研究，可以模拟人在不同运动状态下膝关节软骨的生物力学状态，并考虑了软骨的年龄因素对软骨棘轮行为的影响，设置了成、幼年软骨实验。同时利用非接触式数字图像技术的优势，能更好的计算软骨应变，保证结果的准确性。

2 实验表明，幼年软骨表现出比成年软骨更强的黏弹性，且幼年软骨组织较成年软骨更厚。软骨在较大压缩量和滚压速率的情况下，棘轮应变均较大。在较大缺损尺寸状态下，软骨棘轮应变值均比同样条件下的完整软骨的棘轮应变值要高。

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