1、關(guān)節(jié)軟骨是一種覆蓋在關(guān)節(jié)表面的特殊結(jié)締組織，由細(xì)胞、間質(zhì)液和固相基質(zhì)組成，其 中固相基質(zhì)主要由膠原纖維、蛋白多糖和水組成VI。軟骨中沒(méi)有血管組織，依靠組織中的 液體隨作用在組織上的外界載荷變化而流動(dòng)來(lái)獲取營(yíng)養(yǎng)。關(guān)節(jié)軟骨復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和組成決定 了其獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)，其在關(guān)節(jié)活動(dòng)中所起的不可替代作用使其粘彈性力學(xué)性質(zhì)受到廣泛研 究。蠕變實(shí)驗(yàn)是關(guān)節(jié)軟骨粘彈性力學(xué)性能測(cè)試的一種重要實(shí)驗(yàn)方法，已經(jīng)被一些學(xué)者展開(kāi)了 研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)，以不同種類的動(dòng)物軟骨或人體軟骨作為研究對(duì)象，采用整體軟骨對(duì)其簡(jiǎn)單修 整制作為啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或?qū)浌遣煌课磺衅M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如孟維春等人和王 成學(xué)等人對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的蠕變力學(xué)行為進(jìn)

2、行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了軟骨宏觀的蠕變變形曲線和 蠕變規(guī)律。正如我們所知，關(guān)節(jié)軟骨精細(xì)的結(jié)構(gòu)按照膠原纖維分布排列方式可以分為三層， 淺表層位于軟骨表層，并組成滑動(dòng)表面，膠原纖維與關(guān)節(jié)表面平行，軟骨細(xì)胞長(zhǎng)軸向與關(guān)節(jié) 表面平行;中間層的纖維與表面呈一定角度交錯(cuò)分布，深層的膠原纖維基本垂直于表面分布， 且直徑更粗。軟骨的力學(xué)性能就是由其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和組成決定的，而且，關(guān)節(jié)軟骨的非線性 和各向異性特性，不僅體現(xiàn)在它的結(jié)構(gòu)和組成，而且體現(xiàn)于它的生物力學(xué)性質(zhì)中。因此，調(diào) 查研究軟骨不同層區(qū)的力學(xué)行為是非常重要的。數(shù)字圖像相關(guān)方法因其具有測(cè)量光路簡(jiǎn)單，對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求較低，測(cè)量精度高，易操 作且非接觸并對(duì)被測(cè)物體

3、沒(méi)有附加質(zhì)量等特點(diǎn)而日益成為實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域一種重要測(cè)試方法 9尤其是其非接觸性及全場(chǎng)測(cè)量的特點(diǎn)對(duì)關(guān)節(jié)軟骨組織的力學(xué)性能測(cè)試非常適合。本文以豬膝關(guān)節(jié)軟骨為對(duì)象，采用非接觸式數(shù)字相關(guān)技術(shù)，研究了非圍限壓縮載荷作用 下軟骨不同層區(qū)的蠕變行為；通過(guò)圖像處理，分析了軟骨不同壓縮應(yīng)力下的變形特征。1實(shí)驗(yàn)材料與方法1.1實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)標(biāo)本取自8個(gè)月豬的股骨遠(yuǎn)端滑車處的新鮮關(guān)節(jié)軟骨（見(jiàn)圖1），屠宰時(shí)間6個(gè)小 時(shí)以內(nèi)將軟骨沿關(guān)節(jié)表面弧度的法線方向切割，用手術(shù)刀對(duì)每組材料進(jìn)行修理，以達(dá)到實(shí)驗(yàn) 標(biāo)準(zhǔn)試樣。本實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行四組不同壓縮應(yīng)力下的蠕變實(shí)驗(yàn)，每組加工一個(gè)試樣，并放在盛有 生理鹽水的培養(yǎng)皿中備用（見(jiàn)圖2）。圖1豬股骨

4、關(guān)節(jié)軟骨圖2新鮮軟骨試件樣本Fig.1 Articular cartilage of pig knee Fig.2 Sample of cartilage1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法實(shí)驗(yàn)儀器采用凱爾電子萬(wàn)能疲勞試驗(yàn)機(jī)和采集圖像的CCD攝像系統(tǒng)（上海大學(xué)研制）及 數(shù)字圖像相關(guān)處理軟件。凱爾電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)中有專門(mén)做蠕變實(shí)驗(yàn)的軟件，通過(guò)調(diào)節(jié)軟 件參數(shù)可控制實(shí)驗(yàn)的精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存于軟件中。CCD攝像系統(tǒng)用于采集 軟骨在蠕變過(guò)程中的圖像，成像系統(tǒng)最小可視范圍為0.8 mm X 0.6mm，微米量級(jí)的位移分 辨率。數(shù)字圖像相關(guān)軟件用于處理所采集到的圖像。本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)溫度是室溫，恒定壓縮應(yīng)力為0

5、.1MPa、0.5MPa、1MPa和2MPa，蠕變時(shí)間 為60min。四組樣本分別使用游標(biāo)卡尺測(cè)其長(zhǎng)寬厚并記錄，取其中一組樣本放在試驗(yàn)機(jī)夾具 上加緊，調(diào)整CCD攝像鏡頭使軟骨盡可能清晰的呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的顯示器上，在軟骨側(cè)面均勻 的涂抹納米顆粒，納米顆粒起到示蹤劑的作用來(lái)觀察軟骨各層的變形，在凱爾試驗(yàn)機(jī)軟件系 統(tǒng)中設(shè)定作用于軟骨上的力、達(dá)到該力的加速度、保持該力的時(shí)間以及試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的其他安 全參數(shù)，在采集圖像的軟件系統(tǒng)中設(shè)定采集圖片的時(shí)間間隔及圖片的張數(shù)及保存的位置，圖 片的張數(shù)應(yīng)保證將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都能拍到直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。本實(shí)驗(yàn)每隔2秒拍一張圖片，共取 1800張圖片，力的加速度為0.01KN/S；考慮到實(shí)驗(yàn)的誤差性，每個(gè)試樣在相同的實(shí)驗(yàn)條件下 重復(fù)使用兩次，第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將試樣放在生理鹽水中浸泡1h以便恢復(fù)其性能，當(dāng)試 樣恢復(fù)后，再進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。圖3顯示了非圍限壓縮載荷作用下關(guān)節(jié)軟骨不同層區(qū)蠕變行為 測(cè)試的示意圖。coiiip