D01:10.133741.isml00103x.2007.s2.097 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 SuppL 2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 层状仿生生物活性人工软骨植入体的数字散斑相关分析 郑裕东)黄小山 魏广叶)刘国权)王 鹏2) 王迎军3) 徐 红3列 1)北京科技大学材料科学与工程学院.北京10⑩832)清华大学工程力学系.北京100084 3)华南理工大学材料学院生物材料研究所，广州510640 摘要制备了一种仿生层状人工软骨/骨复合植入体，可将软骨植入体与宿主软骨的连接转变为骨骨的界面结合，提高植 入软骨固定效果.采用数字散斑等方法对仿生层状人工关节软骨/骨复合植入体的生物力学性能进行研究，比较了松质骨， PVAW骨复合体以及PVA一BG复合体在不同载荷作用下的位移变化，并从微观变形角度探讨了人工软骨/骨复合植入体中软 骨层厚度对缓冲内部应力的作用 关键词人工软骨：力学性能：计算机辅助：信号处理 分类号TQ3366 关节软骨是人体骨骼的重要连接部位.因创 试技术，可广泛应用于振动、位移及应变的检测. 伤、炎症、退变、肿瘤切除等原因导致的关节软骨损 Horta等用DSCM来评价动物骨组织的应力一应变 伤和缺损在临床上极为常见，而关节软骨再生及修 行为7；BaB.K.和YaoX.F.等用DSCM研究了 复能力极为有限，一旦损伤后，难以自身修复.采用 猪股骨的微观生物力学，及骨组织在加载和卸载下 人工软骨替代材料修复初期大面积软骨病变和损伤 的应变率和弹性模量9，本工作主要采用数字散 是一种必不可少的治疗手段一习. 斑等方法对仿生层状人工关节软骨/骨复合植入体 成熟的关节软骨根据结构和功能变化可分为浅 的生物力学性能进行研究和比较，主要考察了在关 表层、中层、深层和钙化层.其不同层次的结构和功 节负载下，人工关节软骨/骨复合植入体内部应力场 能保证了软骨的生物力学性能和生理功能.根据天 和位移变化，以及关节软骨材料与骨界面结合情况， 然软骨的结构，已制备了一种仿生层状人工软骨/骨 并从微观变形角度研究了人工软骨层的厚度对缓冲 复合植入体到.可以解决现有水凝胶软骨材料难以 内部应力作用. 同时满足润滑性、生物活性和生物力学性能的问题， 使人工软骨材料在结构和功能上与天然软骨更接 1数字散斑图象相关分析原理 近.同时可将软骨植入体与宿主软骨的连接转变为 数字散斑分析是根据试样表面散斑图像在变形 骨一骨的界面结合，提高植入软骨固定效果 前后的相关性来确定时间位移和形变.物体表面的 人工软骨材料的生物力学性能是一个重要的问 散斑随着物体的变形而运动，分析变形前后的散斑 题.Stamme、顾正秋等对水凝胶软骨材料的压缩性 图，得到散斑沿“和v方向（即横向和纵向）的相对 能、剪切性能、疲劳性能等进行了比较. 位移和变形.设(x,y)是变形前的一点，(x,y M asanori Kobayashi等发现调节聚乙烯醇水凝胶含 是变形后的相应点，两者的关系为 水量可以有效地改变液体流动状态，从而控制力学 du 性能q.Goldsmith利用仿真拟合方法研究不同厚 x=叶u+axay (1) 度的PVA软骨材料的Poisson比.但对仿生层状人 tAy dy y=y十v+△x 工软骨/骨复合植入体的生物力学性能的研究尚未 用函数f川x,)表示变形前某一点(，)处 见报道. 数字散斑相关分析(digital speckle correlation 的灰度值，g(x:”,y)表示变形后对应点(xi,y) 处的灰度值，由概率与数理统计理论可知，两者的相 met hod,DSCM)根据试样表面散斑图像在变形前 关系数为 后的相关性来确定时间位移和形变的非接触全景测 C= 收稿日期：2007-10-15 作者简介：郑裕东(1966一)，女，教授，博士
层状仿生生物活性人工软骨植入体的数字散斑相关分析 郑裕东1) 黄小山1) 魏广叶1) 刘国权1) 王 鹏2) 王迎军3) 徐 红3) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2) 清华大学工程力学系, 北京 100084 3) 华南理工大学材料学院生物材料研究所, 广州 510640 摘 要 制备了一种仿生层状人工软骨/骨复合植入体, 可将软骨植入体与宿主软骨的连接转变为骨-骨的界面结合, 提高植 入软骨固定效果.采用数字散斑等方法对仿生层状人工关节软骨/ 骨复合植入体的生物力学性能进行研究, 比较了松质骨, PVA/ 骨复合体以及 PVA-BG 复合体在不同载荷作用下的位移变化, 并从微观变形角度探讨了人工软骨/ 骨复合植入体中软 骨层厚度对缓冲内部应力的作用. 关键词 人工软骨;力学性能;计算机辅助;信号处理 分类号 TQ 336.6 收稿日期:2007-10-15 作者简介:郑裕东( 1966—) , 女, 教授, 博士 关节软骨是人体骨骼的重要连接部位 .因创 伤、炎症、退变、肿瘤切除等原因导致的关节软骨损 伤和缺损在临床上极为常见, 而关节软骨再生及修 复能力极为有限, 一旦损伤后, 难以自身修复 .采用 人工软骨替代材料修复初期大面积软骨病变和损伤 是一种必不可少的治疗手段[ 1-2] . 成熟的关节软骨根据结构和功能变化可分为浅 表层 、中层 、深层和钙化层 .其不同层次的结构和功 能保证了软骨的生物力学性能和生理功能.根据天 然软骨的结构, 已制备了一种仿生层状人工软骨/骨 复合植入体 [ 3] .可以解决现有水凝胶软骨材料难以 同时满足润滑性 、生物活性和生物力学性能的问题, 使人工软骨材料在结构和功能上与天然软骨更接 近.同时可将软骨植入体与宿主软骨的连接转变为 骨-骨的界面结合, 提高植入软骨固定效果 . 人工软骨材料的生物力学性能是一个重要的问 题.S tamme 、顾正秋等对水凝胶软骨材料的压缩性 能、 剪 切 性 能 、疲 劳 性 能 等 进 行 了 比 较[ 4-5] . M asanori Kobayashi 等发现调节聚乙烯醇水凝胶含 水量可以有效地改变液体流动状态, 从而控制力学 性能[ 6] .Goldsmith 利用仿真拟合方法研究不同厚 度的 PVA 软骨材料的 Poisson 比 .但对仿生层状人 工软骨/骨复合植入体的生物力学性能的研究尚未 见报道. 数字散斑相关分析( digital speckle co rrelation method, DSCM) 根据试样表面散斑图像在变形前 后的相关性来确定时间位移和形变的非接触全景测 试技术, 可广泛应用于振动、位移及应变的检测. Horta 等用 DSCM 来评价动物骨组织的应力-应变 行为[ 7] ;Bay B.K .和 Yao X .F .等用 DSCM 研究了 猪股骨的微观生物力学, 及骨组织在加载和卸载下 的应变率和弹性模量[ 8-9] .本工作主要采用数字散 斑等方法对仿生层状人工关节软骨/骨复合植入体 的生物力学性能进行研究和比较, 主要考察了在关 节负载下, 人工关节软骨/骨复合植入体内部应力场 和位移变化, 以及关节软骨材料与骨界面结合情况, 并从微观变形角度研究了人工软骨层的厚度对缓冲 内部应力作用. 1 数字散斑图象相关分析原理 数字散斑分析是根据试样表面散斑图像在变形 前后的相关性来确定时间位移和形变.物体表面的 散斑随着物体的变形而运动, 分析变形前后的散斑 图, 得到散斑沿 u 和v 方向( 即横向和纵向) 的相对 位移和变形.设( x, y ) 是变形前的一点, ( x ＊, y ＊) 是变形后的相应点, 两者的关系为 x ＊=x +u +Δx u x +Δy u y y ＊=y +v +Δx v x +Δy v y ( 1) 用函数 f( x i , yi) 表示变形前某一点( xi , yi ) 处 的灰度值, g( x ＊ i , y ＊ j )表示变形后对应点( x ＊ i , y ＊ j ) 处的灰度值, 由概率与数理统计理论可知, 两者的相 关系数为 C = 第 29 卷 增刊 2 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 Suppl.2 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.s2.097
Vol.29 Suppl 2 郑裕东等：层状仿生生物活性人工软骨植入体的数字散斑相关分析 113。 gi.x)-a (2) 其中，0≤C≤1：C=1时两者完全相关；C=0时两 者完全不相关.分母分别为两者的均方根，分子为 两者的相关矩，f和g分别为f(x,y)和g(xi, y)的平均值.只要两者相关，则以位移为变量的 相关函数C(4,v)曲面为一单峰曲面.当位移u, 图2 PVA-BG骨层状复合体样品图（上层为BG PVA复合水凝 胶，下层为松质骨) ⅴ分别固定时，C则为一正态分布曲线.利用散斑 这种特性.，DSCM对事件变形前后的两幅散斑图进 2.2DSQM测试 行分析，获得物体受载后的场和v场变形场信 在试样表面喷洒大量白色喷漆，再喷洒适量黑 息10 色喷漆，使黑色斑点比较均匀分布在白色喷漆上，静 本工作用于DSCM分析的试验装置如图1所 放2后，进行受载压缩试验.试样加载速度相同， 示，主要由试件、加载装置，光源、CCD、图像卡、监 均为0.O5mm/min.采用冷光源照射表面，调节两 视器、计算机及软件等组成.计算机及软件主要由 个光源角度使光照均匀，视场明亮后，应用CCD摄 图像采集、相关运算、数据处理等软件模块组成.在 像头摄取载荷作用下试样变形过程表面的散斑图 加载装置中，利用CCD摄取软骨材料表面携带的变 像.采用清华大学工程力学系开发的DSCM软件进 形信息的散斑场，并进行相关计算，分析其变形场. 行相关分析.计算试样在压缩方向的等位移曲线图 光源 章 (v场位移图.运算区域为一个400象素边长的正 方形.步长为40象素. 加载 CCD 图像卡 斑图 3结果与讨论 监视器 微型计算机 (1)松质骨的位移相关分析. 对猪股骨部位松质骨、PVA/骨复合体、PVA/ 图1数字散斑相关方法测量示意图 PVA一BG/骨层状复合体分别进行数字散斑相关分 2实验 析.图3是样品分别在25和15kN的载荷加压下 CCD摄取的散斑图.从图上可以看到，白点和黑点 21仿生层状人工软骨/骨复合植入体的制备 分布比较均匀，清晰度较好，光亮强度均匀合适，满 取猪股骨处松质骨，加工为15mm×15mm× 足后续处理条件.对此散斑图用DSCM软件进行处 10mm的块状，除去骨细胞、骨髓、胶原等有机质，在 理.计算从25kN载荷加压到15kN载荷时正方形 空气中干燥.用砂纸打磨表面，使表面平整，用超声 区域内各点的象素位移变化即”值和v值及其相 清洗器清洗，去除里面的骨屑，放入模具中待用.配 关度 制PVA(25%水溶液；取适量生物活性玻璃(BG), 通过DSCM软件计算出各温度下的两张散斑 加入适量无水乙醇中，在60℃超声波分散30min. 图象素的值、v值、纵向位移、横向位移及相关度 将均匀的BG分散液加入PVA水溶液中，充分搅拌 后，得到ⅴ向即压缩方向象素的位移，用数字散斑 并用超声波分散30min.将PVA溶液或PVA一BG 辅助作图软件画出ⅴ场等位移曲线图. 溶液在骨样上分层流延复合1山，在一20℃下冷冻 图4是松质骨的等位移曲线图，其中横纵坐标 8~12h,然后将冷冻成型体在室温下解冻4~6h,反 是象素坐标，象素位移比例尺为10.01415mm.图 复4次，分别得到PVA/骨复合体、PVA-BG/骨层 中每一条曲线均为等位移线，表示载荷变化后，每条 状复合体（如图2所示），水凝胶软骨层厚度为1mm 曲线上的点所发生的位移都相等.曲线右端的数字 和3mm,用于进行DSCM测试. 表示当载荷变化后该曲线上的点所发生的位移.曲 线图右方的横条表示位移线的颜色所代表的位移大
∑ ms i =1 ∑ ms j =1 [ f ( xi , yj) -f] [ g( x ＊ i , y ＊ j ) -g] ∑ ms i =1 ∑ ms j =1 [ f ( xi , yj) -f] 2 ∑ ms i =1 ∑ ms j =1 [ g( x ＊ i , y ＊ j ) -g] 2 ( 2) 其中, 0 ≤C ≤1 ;C =1 时两者完全相关;C =0 时两 者完全不相关.分母分别为两者的均方根, 分子为 两者的相关矩, f 和 g 分别为 f ( xi , yi ) 和 g ( x ＊ i , y ＊ i ) 的平均值.只要两者相关, 则以位移为变量的 相关函数 C( u, v )曲面为一单峰曲面.当位移 u, v 分别固定时, C 则为一正态分布曲线.利用散斑 这种特性, DSCM 对事件变形前后的两幅散斑图进 行分析, 获得物体受载后的 u 场和 v 场变形场信 息[ 10] . 本工作用于 DSCM 分析的试验装置如图 1 所 示 , 主要由试件、加载装置 、光源、CCD 、图像卡 、监 视器、计算机及软件等组成 .计算机及软件主要由 图像采集、相关运算 、数据处理等软件模块组成 .在 加载装置中, 利用 CCD 摄取软骨材料表面携带的变 形信息的散斑场, 并进行相关计算, 分析其变形场 . 图 1 数字散斑相关方法测量示意图 2 实验 2.1 仿生层状人工软骨/骨复合植入体的制备 取猪股骨处松质骨, 加工为 15 mm ×15 mm × 10 mm 的块状, 除去骨细胞 、骨髓 、胶原等有机质, 在 空气中干燥.用砂纸打磨表面, 使表面平整, 用超声 清洗器清洗, 去除里面的骨屑, 放入模具中待用 .配 制 PVA( 25 %) 水溶液 ;取适量生物活性玻璃( BG) , 加入适量无水乙醇中, 在 60 ℃超声波分散 30 min . 将均匀的 BG 分散液加入 PVA 水溶液中, 充分搅拌 并用超声波分散 30 min .将 PVA 溶液或 PVA-BG 溶液在骨样上分层流延复合[ 11] , 在 -20 ℃下冷冻 8 ～ 12h, 然后将冷冻成型体在室温下解冻 4 ～ 6 h, 反 复 4 次, 分别得到 PVA/骨复合体 、PVA -BG/骨层 状复合体( 如图 2 所示) , 水凝胶软骨层厚度为 1 mm 和 3 mm, 用于进行 DSCM 测试. 图 2 PVA-BG/ 骨层状复合体样品图( 上层为BG/ PVA 复合水凝 胶, 下层为松质骨) 2.2 DSCM 测试 在试样表面喷洒大量白色喷漆, 再喷洒适量黑 色喷漆, 使黑色斑点比较均匀分布在白色喷漆上, 静 放 2 h 后, 进行受载压缩试验 .试样加载速度相同, 均为 0.05 mm/min .采用冷光源照射表面, 调节两 个光源角度使光照均匀, 视场明亮后, 应用 CCD 摄 像头摄取载荷作用下试样变形过程表面的散斑图 像 .采用清华大学工程力学系开发的 DSCM 软件进 行相关分析 .计算试样在压缩方向的等位移曲线图 ( v 场位移图) .运算区域为一个 400 象素边长的正 方形, 步长为 40 象素. 3 结果与讨论 ( 1) 松质骨的位移相关分析. 对猪股骨部位松质骨、PVA/骨复合体 、PVA/ PVA-BG/骨层状复合体分别进行数字散斑相关分 析 .图 3 是样品分别在 2.5 和 15 kN 的载荷加压下 CCD 摄取的散斑图.从图上可以看到, 白点和黑点 分布比较均匀, 清晰度较好, 光亮强度均匀合适, 满 足后续处理条件.对此散斑图用 DSCM 软件进行处 理 .计算从 2.5kN 载荷加压到 15 kN 载荷时正方形 区域内各点的象素位移变化即 u 值和 v 值及其相 关度. 通过 DSCM 软件计算出各温度下的两张散斑 图象素的 u 值、v 值 、纵向位移、横向位移及相关度 后, 得到 v 向即压缩方向象素的位移, 用数字散斑 辅助作图软件画出 v 场等位移曲线图 . 图 4 是松质骨的等位移曲线图, 其中横纵坐标 是象素坐标, 象素位移比例尺为 1∶0.014 15 mm .图 中每一条曲线均为等位移线, 表示载荷变化后, 每条 曲线上的点所发生的位移都相等.曲线右端的数字 表示当载荷变化后该曲线上的点所发生的位移.曲 线图右方的横条表示位移线的颜色所代表的位移大 Vol.29 Suppl.2 郑裕东等 :层状仿生生物活性人工软骨植入体的数字散斑相关分析 · 113 ·
。114 北京科技大学学报 2007年增刊2 图3骨样在(a2.5kN和(b)15kW载荷下的散斑图 小，以象素来表示.从图4可以看出，等位移线排列 磨损的作用.采用数字散斑相关分析可以从微观变 不均匀，形变较大，存在明显应力集中；且离受力点 形角度研究人工软骨层的厚度对缓冲内部应力作 远近对形变影响不大，说明材料不均匀.当载荷从 用.图5是不同水凝胶厚度的PVA/骨复合体的v 25增加到15kN后，象素发生的最大位移是 场位移图.在水凝胶厚度小于1mm时（图5(a), 0.024mm,最小位移是一0010mm,说明在平行与 当载荷从2.5增加到15kN后，在离受力点距离0.5 垂直受力方向均有位移.形变较大 mm处，位移为0.016mm,距离3.5mm处，位移为 0.002mm.随着离受力点越远，等位移线密度减小， 3 即由受力变形而产生的位移越小，试样内部传递载 3.0 荷力减少.此外等位移线较均匀排列，应力集中区 0° 域减少，产生非线性变形和粘弹性.说明人工软骨 00100 20 .R 0.006 0 层对应力有缓冲和均衡作用. 1.0 水凝胶厚度为3mm时（见图5(b),等位移线 0020 0.5 排列更为均匀、平行，密度减小，无应力集中.当载 荷从25增加到15kN后，在离受力点距离05mm 0.5 1.01.5 2.0 长度mm 处，位移为0.032mm,距离3.5mm处，位移为 0.006mm.说明受力均匀，随着离受力点越远，试 图4松质骨的，场位移图 样内部的受力和形变减小，表明水凝胶厚度较大， (2)不同厚度PVA/骨复合体的数字散斑相关 对应力的衰减和缓冲作用大 分析. (3)PVA一BG/骨复合体的位移相关图分析 关节软骨组织承受骨骼传导的负荷，起到缓冲 生物活性PVA一BG人工软骨由生物活性玻璃 挤压应力和剪切应力以及减小关节面运动时摩擦和 与水凝胶复合，其两相结构可能引起PVA一BG/骨 35 0.0160 35 0.0150 0.0320 3.0 0.0140 3.0 0.0300 0.0130 0.0280 0.0120 2.5 0.0260 0.0110 0.0240 2.0 00100 2.0 0.0220 0.0090 0.0200 0.0080 0.0070 15 0.0180 0.0160 0.0060 00140 1.0 0.0050 1.0 0.0120 0.0040 0.0100 0.5 0.0030 0.5 0.0080 0.0020 0.0060 0.5 1.0 1.52.0 25 05 2.0 长度mm 长度mm 图5VW骨复合体的v场位移图：(d水凝胶厚度小于1mm(b)水凝胶厚度为3mm
图 3 骨样在( a) 2.5 kN 和( b) 15 kN 载荷下的散斑图 图 5 PVA/ 骨复合体的 v场位移图:( a) 水凝胶厚度小于1 mm;( b) 水凝胶厚度为 3 mm 小, 以象素来表示.从图 4 可以看出, 等位移线排列 不均匀, 形变较大, 存在明显应力集中;且离受力点 远近对形变影响不大, 说明材料不均匀.当载荷从 2.5 增加到 15 kN 后, 象素发生的最大位 移是 0.024mm, 最小位移是 -0.010 mm, 说明在平行与 垂直受力方向均有位移, 形变较大 . 图 4 松质骨的 v 场位移图 ( 2) 不同厚度 PVA/骨复合体的数字散斑相关 分析 . 关节软骨组织承受骨骼传导的负荷, 起到缓冲 挤压应力和剪切应力以及减小关节面运动时摩擦和 磨损的作用 .采用数字散斑相关分析可以从微观变 形角度研究人工软骨层的厚度对缓冲内部应力作 用 .图 5 是不同水凝胶厚度的 PVA/骨复合体的 v 场位移图.在水凝胶厚度小于 1 mm 时( 图 5( a) ) , 当载荷从2.5 增加到15 kN 后, 在离受力点距离 0.5 mm 处, 位移为 0.016 mm, 距离 3.5 mm 处, 位移为 0.002 mm .随着离受力点越远, 等位移线密度减小, 即由受力变形而产生的位移越小, 试样内部传递载 荷力减少 .此外等位移线较均匀排列, 应力集中区 域减少, 产生非线性变形和粘弹性.说明人工软骨 层对应力有缓冲和均衡作用 . 水凝胶厚度为 3 mm 时( 见图 5( b) ) , 等位移线 排列更为均匀 、平行, 密度减小, 无应力集中.当载 荷从 2.5 增加到 15 kN 后, 在离受力点距离 0.5 mm 处, 位移为 0.032 mm, 距离 3.5 mm 处, 位移为 0.006 mm .说明受力均匀, 随着离受力点越远, 试 样内部的受力和形变减小 .表明水凝胶厚度较大, 对应力的衰减和缓冲作用大 . ( 3) PVA-BG/骨复合体的位移相关图分析. 生物活性 PVA-BG 人工软骨由生物活性玻璃 与水凝胶复合, 其两相结构可能引起 PVA-BG/骨 · 114 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 2
Vol.29 Suppl 2 郑裕东等：层状仿生生物活性人工软骨植入体的数字散斑相关分析 115。 复合体的内部受力和形变的变化.图6是不同厚度 当PVA-BG厚度为3mm时，由于水凝胶厚度 的PVA-BG/骨v场位移图.在软骨层厚度小于1 较大，对应力的衰减和缓冲作用大，故在受力方向， mm时图6(a)),当载荷从25增加到15kN后，象 位移等高线较均匀排列，非线性变形减小，无明显应 素发生的最大位移是0.021mm,最小位移是0.004 力集中.当载荷从2.5加压到15kN后，在离受力 mm,仅在一个方向有位移，形变减小.与松质骨的 点距离0.5mm处，位移为0.025mm,距离3.5mm 位移图相比，位移等高线密度明显减小，均匀性提 处，位移为0.006mm.随着离受力点越远，试样内 高，反映了内部的形变由于人工软骨的作用而减小. 部的受力和形变减小，但PVA和生物活性玻璃两 但仍存在应力集中区域，这与非均质的两相复合材 相的存在，位移等高线均匀性较图6(b)小，密度增 料，在压应力作用下由于相界面的存在而产生的非 加. 线性形变有关. 4.0 3.5 3.5 0.0200 0.0190 3.0 00220 3.0 0.0180 00190 00 2.5 888 0.02 000 00190 0.0180 0.014 0.0130 ww/ 20 00i70 2.0 0.0160 0.0120 15 0.0110 15 0.015 00140 0.0100 0.013 0.0090 0 0.012 0.0080 0.011 8 0.0070 0.010 0.5 0.0060 0.5 0.009 0.0050 0003 0.0040 00 0.5 1.0152.02.5 30 00 1.0 152.0 长度mm 长度mm 图6 PVA-BG骨的v场位移图(a)PVA-BG厚度小于1mm(b)PVA-BG厚度为3mm 对比松质骨、PVA/松质骨复合体、PVA-BG/松 由此可见数字散斑技术在分析测试骨与人工软骨的 质骨复合体的ⅴ场位移图可以看出，松质骨的位移 生物力学性能上是很好的一种测试方法，不再局限 线为不均匀非线性关系，密度较大，且存在明显应变 于普通的力学测试方法只能得到一个点的位移，而 集中区，试样位移变化量为0.034mm.在相同厚度 是可以观察到试样整个压缩面的微观位移场变化. 下，PVA/松质骨复合体的等位移线比PVA一BG/松 A:(Hydrogels:1 mm) 质骨复合体均匀，试样位移变化量分别为0.014和 B:(Hydrogels:3 mm) 0.017mm.从图中可以看到先接触压力的地方位移 2.0 变化大，等位移线密集，其形变较大：离受力点远处， 随着传递载荷力的减少，应变减小，等位移线密度减 Ao 小，说明在相同载荷下，复合体的内部受力和形变均 Bo 小于松质骨，证实了人工软骨对应力起了缓冲和衰 15 1 3 5 7 减作用.其中PVA一BG/松质骨复合体存在部分应 BG的质量分数% 变集中和明显非线性变化，与在压应力作用下非均 图7 PVA-BG/骨复合体的模量变化 质的PVA与BC两相界面的存在而产生的非线性 形变有关 4结论 当水凝胶软骨层厚度增加时，等位移线均呈较 均匀的线性变化，密度减小，其中软骨层厚度分别 采用数字散斑技术通过测试人工软骨材料在整 为1和3 mm PVA/松质骨复合体的位移变化量分 个压缩面的微观位移场变化，可分析人工软骨的受 别为0014和0.026mm,PVA一BG/松质骨复合体 力状态和均匀性.在压缩载荷作用下，由于软骨材 的位移变化量分别为0.017和0.019mm.说明在 料的缓冲作用，PVA/骨复合植入体受力均匀，随着 同等载荷作用下，厚度较大的样品位移形变量大，刚 离受力点越远，试样内部的受力和形变减小.并且 性减小，但对载荷的缓冲能力强，与软骨/骨复合体 水凝胶厚度较大，对应力的衰减和缓冲作用大 的应力应变曲线和模量的计算结果吻合（见图7）. PVA一BG/松质骨复合体存在部分应变集中和
复合体的内部受力和形变的变化.图 6 是不同厚度 的PVA-BG/骨 v 场位移图.在软骨层厚度小于 1 mm 时( 图 6( a) ) , 当载荷从 2.5 增加到 15 kN 后, 象 素发生的最大位移是 0.021 mm, 最小位移是 0.004 mm, 仅在一个方向有位移, 形变减小.与松质骨的 位移图相比, 位移等高线密度明显减小, 均匀性提 高, 反映了内部的形变由于人工软骨的作用而减小 . 但仍存在应力集中区域, 这与非均质的两相复合材 料, 在压应力作用下由于相界面的存在而产生的非 线性形变有关. 当 PVA-BG 厚度为 3 mm 时, 由于水凝胶厚度 较大, 对应力的衰减和缓冲作用大, 故在受力方向, 位移等高线较均匀排列, 非线性变形减小, 无明显应 力集中.当载荷从 2.5 加压到 15 kN 后, 在离受力 点距离 0.5 mm 处, 位移为 0.025 mm, 距离 3.5 mm 处,位移为 0.006 mm .随着离受力点越远, 试样内 部的受力和形变减小 .但 PVA 和生物活性玻璃两 相的存在, 位移等高线均匀性较图 6( b) 小, 密度增 加 . 图 6 PVA-BG/ 骨的 v 场位移图:( a) PVA-BG厚度小于 1 mm;( b) PVA-BG 厚度为 3 mm 对比松质骨 、PVA/松质骨复合体 、PVA-BG/松 质骨复合体的 v 场位移图可以看出, 松质骨的位移 线为不均匀非线性关系, 密度较大, 且存在明显应变 集中区, 试样位移变化量为 0.034 mm .在相同厚度 下, PVA/松质骨复合体的等位移线比 PVA-BG/松 质骨复合体均匀, 试样位移变化量分别为 0.014 和 0.017mm .从图中可以看到先接触压力的地方位移 变化大, 等位移线密集, 其形变较大 ;离受力点远处, 随着传递载荷力的减少, 应变减小, 等位移线密度减 小, 说明在相同载荷下, 复合体的内部受力和形变均 小于松质骨, 证实了人工软骨对应力起了缓冲和衰 减作用.其中 PVA-BG/松质骨复合体存在部分应 变集中和明显非线性变化, 与在压应力作用下非均 质的 PVA 与 BG 两相界面的存在而产生的非线性 形变有关 . 当水凝胶软骨层厚度增加时, 等位移线均呈较 均匀的线性变化, 密度减小 .其中软骨层厚度分别 为 1 和 3 mm PVA/松质骨复合体的位移变化量分 别为 0.014 和 0.026 mm, PVA-BG/松质骨复合体 的位移变化量分别为 0.017 和 0.019 mm .说明在 同等载荷作用下, 厚度较大的样品位移形变量大, 刚 性减小, 但对载荷的缓冲能力强, 与软骨/骨复合体 的应力应变曲线和模量的计算结果吻合( 见图 7) . 由此可见数字散斑技术在分析测试骨与人工软骨的 生物力学性能上是很好的一种测试方法, 不再局限 于普通的力学测试方法只能得到一个点的位移, 而 是可以观察到试样整个压缩面的微观位移场变化. 图 7 PVA-BG/ 骨复合体的模量变化 4 结论 采用数字散斑技术通过测试人工软骨材料在整 个压缩面的微观位移场变化, 可分析人工软骨的受 力状态和均匀性 .在压缩载荷作用下, 由于软骨材 料的缓冲作用, PVA/骨复合植入体受力均匀, 随着 离受力点越远, 试样内部的受力和形变减小 .并且 水凝胶厚度较大, 对应力的衰减和缓冲作用大. PVA-BG/松质骨复合体存在部分应变集中和 Vol.29 Suppl.2 郑裕东等 :层状仿生生物活性人工软骨植入体的数字散斑相关分析 · 115 ·
。116 北京科技大学学报 2007年增刊2 明显非线性变化，与在压应力作用下非均质的PVA cartilage PVA hydrogel.Biomed Mater Eng.1998.8(1):75 与BG两相界面的存在而产生的非线性形变有关. [6 Kobayashi M.Toguchid J,Oka M.Prelimirary study of polyvinyl alcohoHhydrogel (PVA-H)artificial meniscus.Bioma 但当水凝胶厚度较大时，对应力的衰减和缓冲作用 terials.2003.24:639 大，在受力方向，位移等高线较均匀排列，非线性变 J.Bmostow W.Martinez G.et al.Characterization of 形减小，无明显应力集中. bones by speckle interferometry.JMed Eng Technol,2003.27: 49 参考文献 [8 Bay B K.A method for the measurement of detailed strain distri- [1]Mayme R.Cartilage collagens:W hat is their function and are they butions within trabecular bone.J Orthop Res,1995,13:258 involved in articular disease Arthitis Rheum.1989.32(1):241 [9 Yao X F,Yeh H Y.Zhao H P.Dynamic response and fracture [2]Nordin M.Frankel V H,Guo B F.Clinical Orthopaedics Biome- characterization of polymer-clay nanocomposites with mode-I chanics.Shanghai Far East Publishing Company,1993 crack.J Compos Mater.2005.39(16):1487 【3引郑裕东，姚学蜂，杨槐，等。仿生多层结构软骨植入材料的制备 10 Yao X F,Meng L B.Jin JC.Yeh H Y.Full-field deformation 方法.中国专利.专利号ZL200510012257X,2007 measurement of fiber composite pressure vessel using digital [4]Stammen J A.Williams S.Ku D N.Guldberg R E.Mecharical speckle correlation method Pdymer Testing 2005.24:245 properties of a novd PVA hydrogel in shear and unconfined com- 11]Zheng Y D Wang Y J,Chen X F,et aL Preparation and charac- pression.Biomaterials 2001,22:799 terization of poly (vinyl alcohol)-hydmxylapatite hybrids hydro [5]Gu Z Q,Xiao J M.Zhang X H.The development of artificial gels.J Compos Mater.2007.41:2071 Full-field deformation measurement of bionic artificial cartilage/bone composites us- ing digital speckle correlation method ZHENG Yudong,HUANG Xiooshan,WEI Guangye,LIU Guoquan,WANG Peng?, WANG Yingjun,XU Hong 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Department of Engineering Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084 China 3)School of Materials Science and Engineering.South China University of Technology.Guangzhou 510641.Chin ABSTRACT The bionic bioactive artificial cartilage/bone composites implants were prepared by casting bioac- tive hy drogels onto the cancellous bone according to the structures of nature cartilage.This new kind of cartilage implants could improve the inferior connection of the implants with host cartilage by means of bone-bone interfa- cial interaction.The digital speckle correlation method was used to investigate the bio-mechanical properties of the artificial cartilage/bone composites.The micro-deformation of the cancellous bone,PVA/bonecomposites and PVA-BG/composite under different compressed loads were compared,which could show the cushion action of the artificial cartilage in the range of microscale. KEY WORDS artificial cartilage;mechanical property;computer assisted;signal processing
明显非线性变化, 与在压应力作用下非均质的 PVA 与 BG 两相界面的存在而产生的非线性形变有关 . 但当水凝胶厚度较大时, 对应力的衰减和缓冲作用 大, 在受力方向, 位移等高线较均匀排列, 非线性变 形减小, 无明显应力集中 . 参 考 文 献 [ 1] Mayne R.Cartilage collagens:What is their function and are they involved in articular disease ? Arthitis Rheum, 1989, 32( 1) :241 [ 2] Nordin M, Frankel V H, Guo B F .Clinical Orthopaedics Biomechanics.S hanghai Far East Publishing Company, 1993 [ 3] 郑裕东, 姚学峰, 杨槐, 等.仿生多层结构软骨植入材料的制备 方法.中国专利.专利号 ZL200510012257X, 2007 [ 4] S tammen J A, William s S, Ku D N, Guldberg R E .Mechani cal properties of a novel PVA hydrogel in shear and unconfined compression.Biomaterials, 2001, 22:799 [ 5] Gu Z Q, Xiao J M, Zhang X H .The development of artificial cartilage PVA hydrogel.Biomed Mater Eng, 1998, 8( 1) :75 [ 6] Kobayashi M , Toguchid J, Oka M .Preliminary study of polyvinyl alcohol-hydrogel ( PVA-H ) artificial meniscus.Biomaterials, 2003, 24:639 [ 7] Hort a J, Brostow W, Martinez G, et al.Characterization of bones by speckle in terf erometry .JMed Eng Technol, 2003, 27: 49 [ 8] Bay B K .A method for the measurement of detailed strain distribu tions w ithin trabecular bone .J Orthop Res, 1995, 13:258 [ 9] Yao X F, Yeh H Y, Zhao H P .Dynamic response and fractu re characterization of polymer-clay nanocomposites w ith mode -I crack.J Compos Mater, 2005, 39( 16) :1487 [ 10] Yao X F, Meng L B, Jin J C , Yeh H Y.Full-field def ormation measurement of fiber composit e pressure vessel using digital speckle correlation method.Polymer Testing, 2005, 24:245 [ 11] Zheng Y D Wang Y J, C hen X F, et al.Preparation and characterization of poly ( vinyl alcohol)-hydroxylapatite hybrids hydrogels.J Compos Mater, 2007, 41:2071 Full-field deformation measurement of bionic artificial cartilage/bone composites using digital speckle correlation method ZHENG Y udong 1) , HUANG X iaoshan 1) , WEI Guangye 1) , LIU Guoquan 1) , WANG Peng 2) , WANG Y ingjun 3) , XU Hong 3) 1) School of Mat erials Science and Engineering, University of S cience and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing 100084, China 3) School of Mat erials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, C hina ABSTRACT The bionic bioactive artificial cartilage/bone composites implants w ere prepared by casting bioactive hy drogels onto the cancellous bone according to the structures of nature cartilage.This new kind of cartilage implants could improve the inferior connection of the implants with host cartilage by means of bone-bone interfacial interaction .The digital speckle correlation method w as used to investig ate the bio-mechanical properties of the artificial cartilage/bone composites .The micro-deformation of the cancellous bone, PVA/bonecomposites and PVA-BG/ composite under different compressed loads w ere compared, w hich could show the cushion action of the artificial cartilage in the range of microscale. KEY WORDS artificial cartilage;mechanical property ;computer assisted ;signal processing · 116 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 2