关节软骨的蠕变性能
关节软骨生理变化
关节软骨生理变化关节软骨是一种特殊的组织，它存在于关节表面，起着减震、缓冲和保护关节的作用。
随着年龄的增长和生活方式的改变，关节软骨会发生生理变化，这些变化可能会影响我们的日常活动和健康。
本文将深入探讨关节软骨生理变化的原因、过程和影响。
1. 关节软骨的结构关节软骨是一种富含胶原蛋白的组织，由细胞、基质和水组成。
细胞主要包括软骨细胞和软骨母细胞，它们负责合成和维持软骨基质的正常结构和功能。
软骨基质主要由胶原蛋白、蛋白多糖和水组成，其中胶原蛋白赋予软骨韧性，蛋白多糖能够保持软骨的水分含量。
2. 关节软骨的生理变化原因关节软骨的生理变化主要受到以下几个因素的影响：a. 年龄随着年龄的增长，关节软骨会逐渐失去水分和蛋白质含量，导致软骨变薄和变硬。
这是由于软骨细胞功能的减退和细胞代谢的累积损伤导致的，同时，软骨基质的合成减少也是造成关节软骨生理变化的原因之一。
b. 缺血缺氧关节软骨是靠关节流体中的氧气和营养物质供应的，然而，由于关节的特殊结构和运动方式，关节软骨对氧气和营养的需求相对较高，容易发生缺血缺氧。
长期的缺血缺氧会导致软骨细胞功能异常和细胞死亡，从而引发关节软骨的生理变化。
c. 慢性损伤和炎症长期的关节过度使用、损伤和炎症会导致软骨细胞受损和基质结构破坏，进而影响软骨的正常功能。
损伤和炎症可导致关节软骨表面不光滑、软骨骨化和软骨软化等变化。
3. 关节软骨生理变化过程关节软骨生理变化是一个逐渐发展的过程，主要包括以下几个阶段：a. 软骨损伤和细胞变异长期的骨骼负荷和氧气供应不全会导致软骨损伤和细胞变异。
损伤后，软骨细胞会释放细胞因子和炎症介质，进一步加速软骨的退化和炎症反应。
b. 软骨退行性改变软骨退行性改变是软骨退化过程的结果，主要表现为软骨细胞数量减少、蛋白质合成减少、软骨基质退化和骨骼刺激反应。
软骨退行性改变会导致软骨表面不光滑，增加关节摩擦和磨损。
c. 软骨破坏和关节疾病长期的软骨退行性改变和关节磨损会导致关节软骨破坏和关节疾病的发生。
关节软骨生物力学特征
关节软骨生物力学特征
关节软骨是一种具有复杂生物力学性能的特殊组织。
它对于连接骨骼的骨头提供了极为重要的支持和缓冲作用。
以下是关节软骨的生物力学特征：
1. 压缩：关节软骨通常承受高压缩载荷。
在运动中，关节表面的骨头对软骨的压力很高，使得软骨需要具有较高的强度和弹性。
2. 弹性：关节软骨具有弹性，能够适应骨骼的运动和变化。
在弯曲和扭转时，软骨能够发生形变，但会恢复原状。
3. 摩擦力：关节软骨的表面非常光滑，能够减少骨头之间的摩擦力。
这种表面摩擦力也使得关节可以平稳地移动。
4. 吸震：关节软骨在接受冲击时具有吸震的作用。
在运动时，骨头之间的碰撞会产生冲击波。
软骨能够吸收这种冲击力，减少骨骼和关节的损伤。
5. 滑动：关节软骨的表面结构能够使骨头在运动时滑动，而不是摩擦。
这种滑动使得关节运动更加平稳，并且可以减少关节的磨损。
总之，关节软骨的生物力学特征极为重要，能够对骨骼的运动和保护发挥极大的作用。
关节软骨的蠕变性能
关节软骨是一种覆盖在关节表面的特殊结缔组织，由细胞、间质液和固相基质组成，其中固相基质主要由胶原纤维、蛋白多糖和水组成[1-3]。
软骨中没有血管组织，依靠组织中的液体随作用在组织上的外界载荷变化而流动来获取营养[4]。
关节软骨复杂的结构和组成决定了其独特的力学性质，其在关节活动中所起的不可替代作用使其粘弹性力学性质受到广泛研究。
蠕变实验是关节软骨粘弹性力学性能测试的一种重要实验方法，已经被一些学者展开了研究。
实验时，以不同种类的动物软骨或人体软骨作为研究对象，采用整体软骨对其简单修整制作为哑铃型标准试样进行实验，或对软骨不同部位切片进行实验。
如孟维春等人[5]和王成学等人[6]对关节软骨的蠕变力学行为进行了实验研究，获得了软骨宏观的蠕变变形曲线和蠕变规律。
正如我们所知，关节软骨精细的结构按照胶原纤维分布排列方式可以分为三层，浅表层位于软骨表层，并组成滑动表面，胶原纤维与关节表面平行，软骨细胞长轴向与关节表面平行；中间层的纤维与表面呈一定角度交错分布，深层的胶原纤维基本垂直于表面分布，且直径更粗。
软骨的力学性能就是由其复杂的结构和组成决定的，而且，关节软骨的非线性和各向异性特性，不仅体现在它的结构和组成，而且体现于它的生物力学性质中。
因此，调查研究软骨不同层区的力学行为是非常重要的。
数字图像相关方法因其具有测量光路简单，对测量环境的要求较低，测量精度高，易操作且非接触并对被测物体没有附加质量等特点而日益成为实验力学领域一种重要测试方法[7-9]。
尤其是其非接触性及全场测量的特点对关节软骨组织的力学性能测试非常适合。
本文以猪膝关节软骨为对象，采用非接触式数字相关技术，研究了非围限压缩载荷作用下软骨不同层区的蠕变行为；通过图像处理，分析了软骨不同压缩应力下的变形特征。
1实验材料与方法1.1实验材料实验标本取自8个月猪的股骨远端滑车处的新鲜关节软骨（见图1），屠宰时间6个小时以内将软骨沿关节表面弧度的法线方向切割，用手术刀对每组材料进行修理，以达到实验标准试样。
关节软骨的结构特点
关节软骨的结构特点关节软骨是指覆盖在关节骨头表面的一层白色、透明、均匀的软骨组织。
它具有以下结构特点：1. 构成：关节软骨主要由细胞和细胞外基质两部分组成。
细胞主要有软骨细胞和软骨母细胞，其中软骨母细胞是软骨细胞的前体细胞，能够合成和分泌软骨基质。
细胞外基质主要由胶原纤维、黏多糖和水组成。
2. 细胞：软骨细胞是关节软骨的主要细胞类型，它们生活在软骨基质中的小空腔中，称为软骨细胞腔。
软骨细胞具有合成和分泌软骨基质的功能，同时也能够分解和吸收老化的软骨组织。
软骨细胞是一种固定细胞，通常不会移动。
3. 细胞外基质：关节软骨的细胞外基质主要由胶原纤维、黏多糖和水组成。
胶原纤维是关节软骨最重要的结构成分，它们形成网状结构，为软骨提供了强度和弹性。
黏多糖是一种复杂的高分子物质，能够吸附大量的水分子，使软骨具有良好的润滑性和减震功能。
4. 血液供应：关节软骨是一种无血管组织，它们没有自己的血液供应。
营养和氧气主要通过关节滑液和周围软骨提供。
关节滑液是一种透明黏稠的液体，能够滋养和润滑关节软骨表面，减少摩擦。
5. 结构特点：关节软骨具有光滑、均匀、透明的外观。
它的表面光滑度是由软骨细胞和胶原纤维的排列方式决定的。
关节软骨的厚度和形状因人而异，不同关节的软骨形态也有所差异。
关节软骨通常比较厚，以增加关节的稳定性和减少关节的压力。
6. 功能：关节软骨在关节运动中起到了重要的作用。
它能够减少关节骨头之间的摩擦，提供平滑的关节表面，使关节运动灵活顺畅。
同时，关节软骨还能够吸收和分散关节运动产生的冲击力，起到减压和减震的作用。
总结起来，关节软骨具有细胞和细胞外基质两部分组成，细胞包括软骨细胞和软骨母细胞，细胞外基质主要由胶原纤维、黏多糖和水组成。
关节软骨没有血液供应，依靠关节滑液和周围软骨提供营养和氧气。
关节软骨的结构特点包括光滑、均匀、透明的外观，厚度和形状因人而异。
关节软骨的功能主要是减少摩擦、提供平滑的关节表面，以及吸收和分散关节运动产生的冲击力。
关节软骨的基本结构介绍
关节软骨的基本结构介绍一、简单定义：关节软骨表面光滑，能减少相邻两骨的摩擦，缓冲运动时产生的震动。
二、关节软骨形态特征：关节软骨在大体上看表面光滑，均匀一致，是一层透明组织，平均厚度2一4mm一般在关节凸面中心和凹面周围较厚。
在关节滑液的作用下，关节软骨间的摩擦系数非常小，仅有0.002，比钢轴承的活动容易100倍。
儿童关节软骨发白，年轻人呈蓝白色，老年人呈黄棕色；扫描电镜下观察，关节软骨表面呈波纹状，有沟峰交错结构.有利干滑液在软骨表面上滞留，更好地起到润滑作用。
但不同年龄和不同关节，甚至同一关节不同区域都存在关节软骨且厚度有差异；成人的关节软骨组织学上可分为4层:表层、移行层、辐射层和软骨基质钙化层，钙化层下面是骨组织.钙化层与软骨下骨组织统称为软骨下骨板，软骨下骨板不仅起支持作用，而且还参与软骨与骨髓腔之间的营养交换。
三、软骨构造软骨组织由软骨细胞、基质及纤维构成，软骨表面光滑，呈淡蓝色，有光泽，根据软骨组织中所含纤维成分的不同，可将软骨分为透明软骨、弹性软骨和纤维软骨（主要分布在腰椎之间）三种。
软骨细胞由浅层向深层逐渐由扁平转变至椭圆或圆形，这些软骨细胞维持着关节软骨的正常代谢。
关节软骨没有神经也没有血管，其营养成分必须从关节液中取得，而其代谢出来的废物也必须排至关节液中。
所以可以说，关节液提供的营养成分决定了关节软骨的正常运作，也决定了人体关节的健康和正常使用。
滑膜分泌的滑液中的营养成分靠关节面之间的挤压进入软骨。
所以，关节软骨的营养不仅取决于滑膜分泌正常的滑液，还取决于关节的运动。
关节的运动能使滑液中的营养成分挤压进入软骨中。
四、关节软骨主要功能1.承受力学负荷:人的一生中社会活动都离不开关节软骨的正常功能。
关节软骨能将作用力均匀分布，使承重面扩大。
这样，不但能最大限度地承受力学负荷，还能保护关节软骨不易损伤。
2.润滑作用：关节软骨非常光滑，关节运动时不易磨损，并且，活动灵活、自如。
受压状态下关节软骨胶原纤维结构的电镜观察
有 形状 的改变 ， 而没 有体 积 的 变化 ； 变 阶段 ， 骨 进 一 步 变 扁 ， 分 从 软 骨 内流 出 ， 骨 体 积 减 蠕 软 水 软 小 。伴 随着软 骨形 态 的改 变 ， 内部结 构 也 同时 发 生 变 化 。本 文 主要 观察 了受 压 后 关 节 软 骨 内 其
温， 取股 骨 头外上 区关 节 软 骨 ， 径 ６ ｍ， 至 软骨 下 骨 。 直 ｍ 深
方 法
将 ｌ ２件软 骨标 本 随机 分 成 ６ ， 螺 旋 测微 器分 别 测量 软 骨厚 度 ， ０ 、０ 、０ 、０ 、 组 用 按 ％ １％ ２ ％ ３ ％ ４ ％ 、０ ０ ５ ％的 比例计 算 出压 缩后 的 软 骨厚 度 。用 带 有 直 径 ３ ｍ 压 头 的 螺旋 测 微 器 对 软 骨 施 压 ， ａ ｒ 将 软 骨标 本压 缩 到预 定厚 度 ， 于 ５ 置 ％的戊 二 醛 固定 液 中 固定 ４ｈ 经二 甲砷 酸 钠 缓 冲液 冲洗 ， ８， 置 液氮 冷冻 ｌｍｎ 切割 样 品 ， 甲砷 酸 钠 缓 冲 液 冲 洗 ， 、％ 锇 酸 固定 ，０ ～１０ 乙 醇 逐 级 脱 Ｏ ｉ， 二 ０１ ５％ ０％ 水， 经二 氧化碳 邻 界点 干 燥 和导 电处 理 后 ， 由苏州 大学 医学 院 电镜 室扫 描 电镜 观察 摄 片 。
头软骨标 本进行分组加 载 ， 扫描 电镜观察胶 原纤 维结构 。结果 而加重 ， 甚至断裂 。结论
【 关键词 】 关节软骨 ； 胶原 纤维 ；压力 ；扫描 电镜
胶 原纤 维是 关 节软 骨 的 主要成 分 之一 ， 通 光 镜无 法 了解 其 结构 。关 节 软 骨 承 受 压 力 负荷 普 时 软骨 内胶 原 纤维 结构 变 形 ， 收能 量 ， 冲应 力 。本 实验 对 压力 负荷 下 正 常关 节 软骨 的胶 原 纤 吸 缓 维 结构 进行 扫 描 电镜观 察 ， 了解其 变 化 。
材料的蠕变性能了解材料在高温下的变形特性和性能
材料的蠕变性能了解材料在高温下的变形特性和性能材料的蠕变性能：了解材料在高温下的变形特性和性能材料在高温下的变形特性和性能是一个在材料科学和工程中十分重要的研究领域。
随着现代工业的发展和对高温环境下材料性能要求的提高，对材料的蠕变行为和性能进行深入研究变得尤为重要。
本文将探讨材料在高温环境下的蠕变变形特性和性能。
一、蠕变行为和蠕变性能的定义蠕变行为是指材料在高温下受到持续加压作用后所产生的时间依赖的塑性变形。
蠕变性能则是指材料在高温和持续应力作用下的变形能力和稳定性。
二、蠕变的影响因素1. 温度：温度是影响材料蠕变的最主要因素之一。
随着温度的升高，材料的蠕变速率也会增加。
2. 应力：应力对蠕变行为的影响非常显著。
较高的应力会导致材料的蠕变速率增加，而较低的应力则会减缓蠕变速率。
3. 材料性质：材料的化学成分、晶体结构、晶粒大小和其他微观结构对蠕变行为具有重要影响。
4. 外界环境：包括气氛、气压、湿度等外界环境条件也可能对材料的蠕变行为产生影响。
三、蠕变的分类根据材料蠕变的表现形式，可以将蠕变分为三类：稳态蠕变、短期蠕变和析出蠕变。
1. 稳态蠕变：稳态蠕变是指在高温下，应力保持恒定的情况下，材料发生的持续性蠕变变形。
2. 短期蠕变：短期蠕变指的是在高温下，应力作用于材料后的快速变形，主要发生在应力较高的状况下。
3. 析出蠕变：析出蠕变是指材料在高温下，由于过饱和度增加而形成的析出相，导致材料出现孔洞、裂纹等变形现象。
四、材料的蠕变性能评估为了评估材料的蠕变性能，需要进行蠕变试验以获取相关数据。
1. 蠕变试验：蠕变试验是评估材料蠕变性能最常用的方法。
通过施加一定的压力和温度，测量材料在时间变化下的变形情况。
2. 蠕变参数：通过蠕变试验得到的数据可以计算得到一系列蠕变参数，如蠕变速率、流变曲线、应力松弛等，来揭示材料的蠕变特性。
3. 蠕变寿命：蠕变寿命是指材料能够承受蠕变变形直至破坏的时间。
通过蠕变试验数据，可以预测材料在实际使用中的蠕变寿命。
运动生物力学复习资料.
一、名词解释：相向动作：当人体以初始条件冲量矩为零和动量矩为零进入腾空状态时，由于肌群的收缩使身体两部分朝着相反的方向转动的动作形式。
骨应力：是指物体某一截面上单位面积所受的力，包括正应力和剪应力。
骨应变：是描述受载物体结构形变的物理量，它包括单位长度的变化与结构单元体角度的变化。
长度的变化称为线应变，角度的变化称为剪应变。
应力松弛：当物体突然发生应变时，若应变保持一致，则相应的应力会随时间的增加而下降。
蠕变：当物体突然发生应力时，若应力保持保持一定，则相应的应变会随时间的增加而增加。
滞后：在加载或卸载荷合过程中，应力应变关系不相同，受力和恢复的状态不同。
人体重心：是人体各环节收到地球引力的合力作用点。
刚体：是这样一种质点组，组内任意两质点的距离都保持不变。
支撑面：支撑面包括支撑点的接触面积和这些支撑点边缘所围成的面积。
稳定角：重心垂直投影线(重力作用线)和重心支撑面边缘的连线间的夹角。
转动惯量：描述物体转动时保持原来运动能力的物理量。
转动惯量（I）=质量（m）X转动半径(r)的平方收缩元：代表肌节中的肌动蛋白微丝及肌球蛋白微丝。
兴奋时可产生张力，是主动张力。
并联弹性元：代表肌束膜及肌纤维膜等结缔组织。
当被牵拉时产生弹力，是被动张力。
串联弹性元：代表肌微丝、横桥闰盘及两端的腱结构。
当收缩元兴奋后，使肌肉具有弹性。
静息长度：收缩元表现最大张力时的长度称肌肉的静息长度。
平衡长度：肌肉被动张力为零时，肌肉所能达到的最大长度。
运动生物力学：研究人在体育活动中生命现象及其运动规律和物体机械运动规律的学科。
流体：在静止流体中只要有切向力的作用不管多么小，在足够大的时间内均为可以产生任意大的变形，这种变形就是我们所说的流动，因此，能流动的物质为流体。
有固定体积。
无固定形状，只能承受压力不能承受拉力。
包括气体和液体，具有粘滞性和流动性。
环节质心位置：一般采用环节质心半径系数的概念，即近侧端关节中心至环节质心的距离与环节长度的比值。
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关节软骨是一种覆盖在关节表面的特殊结缔组织，由细胞、间质液和固相基质组成，其中固相基质主要由胶原纤维、蛋白多糖和水组成[1-3]。
软骨中没有血管组织，依靠组织中的液体随作用在组织上的外界载荷变化而流动来获取营养[4]。
关节软骨复杂的结构和组成决定了其独特的力学性质，其在关节活动中所起的不可替代作用使其粘弹性力学性质受到广泛研究。
蠕变实验是关节软骨粘弹性力学性能测试的一种重要实验方法，已经被一些学者展开了研究。
实验时，以不同种类的动物软骨或人体软骨作为研究对象，采用整体软骨对其简单修整制作为哑铃型标准试样进行实验，或对软骨不同部位切片进行实验。
如孟维春等人[5]和王成学等人[6]对关节软骨的蠕变力学行为进行了实验研究，获得了软骨宏观的蠕变变形曲线和蠕变规律。
正如我们所知，关节软骨精细的结构按照胶原纤维分布排列方式可以分为三层，浅表层位于软骨表层，并组成滑动表面，胶原纤维与关节表面平行，软骨细胞长轴向与关节表面平行；中间层的纤维与表面呈一定角度交错分布，深层的胶原纤维基本垂直于表面分布，且直径更粗。
软骨的力学性能就是由其复杂的结构和组成决定的，而且，关节软骨的非线性和各向异性特性，不仅体现在它的结构和组成，而且体现于它的生物力学性质中。
因此，调查研究软骨不同层区的力学行为是非常重要的。
数字图像相关方法因其具有测量光路简单，对测量环境的要求较低，测量精度高，易操作且非接触并对被测物体没有附加质量等特点而日益成为实验力学领域一种重要测试方法[7-9]。
尤其是其非接触性及全场测量的特点对关节软骨组织的力学性能测试非常适合。
本文以猪膝关节软骨为对象，采用非接触式数字相关技术，研究了非围限压缩载荷作用下软骨不同层区的蠕变行为；通过图像处理，分析了软骨不同压缩应力下的变形特征。
1实验材料与方法
1.1实验材料
实验标本取自8个月猪的股骨远端滑车处的新鲜关节软骨（见图1），屠宰时间6个小时以内将软骨沿关节表面弧度的法线方向切割，用手术刀对每组材料进行修理，以达到实验标准试样。
本实验共进行四组不同压缩应力下的蠕变实验，每组加工一个试样，并放在盛有生理盐水的培养皿中备用（见图2）。
图 1 猪股骨关节软骨图2新鲜软骨试件样本
Fig.1 Articular cartilage of pig knee Fig.2 Sample of cartilage
1.2实验设备与方法
实验仪器采用凯尔电子万能疲劳试验机和采集图像的CCD摄像系统（上海大学研制）及数字图像相关处理软件。
凯尔电子万能试验机系统中有专门做蠕变实验的软件，通过调节软件参数可控制实验的精度，实验结束后实验数据自动保存于软件中。
CCD摄像系统用于采集软骨在蠕变过程中的图像，成像系统最小可视范围为0.8 mm × 0.6mm，微米量级的位移分辨率。
数字图像相关软件用于处理所采集到的图像。
本实验的实验温度是室温，恒定压缩应力为0.1MPa、0.5MPa、1MPa和2MPa，蠕变时间为60min。
四组样本分别使用游标卡尺测其长宽厚并记录，取其中一组样本放在试验机夹具上加紧，调整CCD摄像镜头使软骨尽可能清晰的呈现在计算机的显示器上，在软骨侧面均匀的涂抹纳米颗粒，纳米颗粒起到示踪剂的作用来观察软骨各层的变形，在凯尔试验机软件系统中设定作用于软骨上的力、达到该力的加速度、保持该力的时间以及试验机系统的其他安全参数，在采集图像的软件系统中设定采集图片的时间间隔及图片的张数及保存的位置，图片的张数应保证将整个实验过程都能拍到直到实验结束。
本实验每隔2秒拍一张图片，共取1800张图片,力的加速度为0.01KN/s；考虑到实验的误差性，每个试样在相同的实验条件下重复使用两次，第一次实验结束后，将试样放在生理盐水中浸泡1h以便恢复其性能，当试样恢复后，再进行重复实验。
图3显示了非围限压缩载荷作用下关节软骨不同层区蠕变行为测试的示意图。
图 3 关节软骨不同层区蠕变行为测试的示意图Fig.3 Schematic diagram of creep experiment for cartilage。