人體膝關(guān)節(jié)交叉韌帶生物材料力學(xué)特征實(shí)驗(yàn)研究

沙川華，張 濤，李 龍

膝關(guān)節(jié)在人體直立、行走、跳躍中起著十分重要的作用，結(jié)構(gòu)上需要穩(wěn)定性好，靈活性強(qiáng)。保障膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的韌帶關(guān)節(jié)囊網(wǎng)屬于內(nèi)源性穩(wěn)定裝置［7］，主要由關(guān)節(jié)囊、關(guān)節(jié)的各類韌帶構(gòu)成。膝關(guān)節(jié)交叉韌帶屬于韌帶關(guān)節(jié)囊網(wǎng)中重要組成部分，起著連接股骨下端與脛骨上端的作用，具有限制脛骨前、后移動的功能，在膝關(guān)節(jié)完成屈伸、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中常常處于被動牽拉狀態(tài)，容易發(fā)生損傷，并可能引起關(guān)節(jié)內(nèi)相關(guān)結(jié)構(gòu)的損傷，導(dǎo)致關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降，從而加速整個關(guān)節(jié)的病變［10］。進(jìn)行膝關(guān)節(jié)交叉韌帶生物材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，目的是探討其損傷的機(jī)理，為韌帶損傷的修復(fù)、置換等提供材料力學(xué)參數(shù)與理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與試件制備

1.1 韌帶提取

從6具成年男性（年齡25～35歲）新鮮尸體上截取12個正常無病變膝關(guān)節(jié)，解剖得到左、右前交叉韌帶與后交叉韌帶各6條，共計(jì)24條（圖1）。用格林氏液洗去表面滑液，修潔韌帶周圍軟組織后，根據(jù)前交叉韌帶分為較窄的前內(nèi)束與較寬的后外束、后交叉韌帶分為較寬的前外束與較窄的后內(nèi)束的觀點(diǎn)［2］，在ACL與PCL上定點(diǎn)、劃線（圖2、圖3），沿劃線在醫(yī)用顯微鏡（4×5倍）觀察下用解剖刀將 ACL分為 AMB與 PLB，PCL分為 ALB與 PMB①②人體膝關(guān)節(jié)交叉韌帶包括前交叉韌帶與后交叉韌帶，前交叉韌帶英文縮寫為“ACL”，后交叉韌帶英文縮寫為“PCL”。ACL的前內(nèi)束英文縮寫為“AMB”，ACL的后外束英文縮寫為“PLB”；PCL的前外束英文縮寫為“ALB”，PCL后內(nèi)束英文縮寫為“PMB”。［3］。

圖1 ACL與PCL實(shí)物圖Fighue 1.ACL and PCL

1.2 試件制備

使用四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院病理實(shí)驗(yàn)室德國萊卡恒冷切片機(jī)（型號CM3050S，圖4），制備標(biāo)準(zhǔn)試件，每張切片厚200μm，長25mm，寬10mm③根據(jù)文獻(xiàn)研究得知，ALB、PMB、AMB、PLB中的膠原纖維主要呈與韌帶長軸平行的狀態(tài)，故本實(shí)驗(yàn)制作冰凍切片時(shí)，采用順著韌帶纖維走向進(jìn)行。。挑選切片完整的AMB、PLB、ALB、PMB切片各20張，共計(jì)80張，應(yīng)力松弛試驗(yàn)與一維拉伸試驗(yàn)各用40張（圖5）。試件制備后，按側(cè)別、部位分別裝入濃度為3%中性福爾馬林溶液的絲口瓶中，密封置于4℃冰箱內(nèi)待用，試驗(yàn)在3天內(nèi)完成。

圖2 ACL分部示意圖Figure 2.Segment Schematic Diagram of ACL

圖3 PCL分部示意圖Figure 3.Segment Schematic Diagram of PCL

圖4 德國徠卡冰凍切片機(jī)（型號CM3050S）實(shí)物圖Figure 4.German Leica Frozen Slicer（Model CM3050S）

圖5 冰凍切片試件實(shí)物圖Figure 5.Frozen Section Specimens

圖6 微觀力學(xué)測試儀實(shí)物圖Figure 6.Micromechanics Tester

2 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

兩項(xiàng)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集均在上海大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心“生物材料力學(xué)性能測試系統(tǒng)”完成，該系統(tǒng)計(jì)算機(jī)采樣速度為10次／s，并同步記錄載荷-位移曲線（圖6、圖7）。整個實(shí)驗(yàn)操作在室溫下（25℃左右）進(jìn)行，隨時(shí)用3%中性福爾馬林溶液保持試件濕潤。

圖7 計(jì)算機(jī)記錄“載荷-位移曲線”示意圖Figure 7.Computer Recorded Load-Displacement Curve

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 預(yù)調(diào)

將試件固定于測試儀器上，用游標(biāo)卡尺測量其初始長度，以1min應(yīng)變約為試件初始長度10%的速度將其拉伸至4%應(yīng)變長度，同速卸載休息10min，重復(fù)3次。

2.2.2 應(yīng)力松弛試驗(yàn)

將預(yù)調(diào)后的試件在0～3s內(nèi)分別產(chǎn)生2%、4%、6%、8%的階躍應(yīng)變，然后保持應(yīng)變150s，同步記錄載荷-時(shí)間關(guān)系曲線，計(jì)算分析ACL與PCL不同部分的應(yīng)力-時(shí)間特征、彈性響應(yīng)特征，反映其對載荷的力學(xué)反應(yīng)。

2.2.3 一維拉伸試驗(yàn)

將預(yù)調(diào)后的試件以10mm／min的應(yīng)變速度將其拉伸至破壞，記錄載荷-位移關(guān)系曲線后，轉(zhuǎn)化為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，反映ACL與PCL不同部分抗拉伸的能力。

3 理論分析與數(shù)據(jù)處理

3.1 理論分析

生物材料的應(yīng)力σ＝P／Ao，其中，P為加在試件上的載荷，Ao為試件原始截面積；應(yīng)變ε＝ΔL／L，ΔL為試件伸長值，L為原長。轉(zhuǎn)換各組的載荷-時(shí)間曲線為應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系，載荷-位移曲線為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)Fung YC擬線性粘彈性理論，生物軟組織在一維拉伸時(shí)的應(yīng)力變化歷程表達(dá)為 :

式中:G（t）是歸一化松弛函數(shù)；σe（ε）是組織的彈性響應(yīng)。由于試驗(yàn)中加載速度是常數(shù)，若令其為a，則ε＝at，＝a，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可選擇:

代（2）、（3）入（1）并令t-τ＝u

拉伸剛度“K”是指試件抵抗變形的能力，即引起該試件變形時(shí)所需要的力，以試件在某個變形狀態(tài)下對應(yīng)的載荷作為其拉伸剛度。

彈性模量“E”是指試件在外力作用下產(chǎn)生單位彈性應(yīng)變所需應(yīng)力，用以衡量試件產(chǎn)生彈性變形難易程度，值越大，使其發(fā)生彈性變形的應(yīng)力也越大［6］。

3.2 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［5］，計(jì)算數(shù)據(jù)的“”，并進(jìn)行左、右ACL與PCL相同部分之間比較，ACL不同部分之間比較，PCL不同部分之間比較，同側(cè)ACL與PCL不同部分之間比較。不同組間差異顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)，多組間比較采用單因素方差分析，組間比較采用“sidak”和“tamhane’s T2”法比較，結(jié)果 P＜0.05為顯著性差異，P＜0.01為非常顯著性差異。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 左、右膝關(guān)節(jié)ACL與PCL比較

比較結(jié)果表明，人類膝關(guān)節(jié)ACL與PCL相同部分之間均沒有明顯的側(cè)別差異（P＞0.05），分析原因主要有兩點(diǎn):第一，由于胚胎發(fā)育時(shí)雙側(cè)膝關(guān)節(jié)韌帶組織結(jié)構(gòu)來源相同，均由髁間的隔障發(fā)生形成［11］，其組織結(jié)構(gòu)均主要由膠原纖維為主的致密結(jié)締組織構(gòu)成［1，12］，故其力學(xué)性能應(yīng)基本相同；第二，人類在直立行走、支撐站立、各類運(yùn)動中，雙側(cè)下肢受力均等，負(fù)荷差異不大，需要的穩(wěn)定性條件也基本相同，故保障膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的韌帶裝置的生物力學(xué)特征也就不會有明顯的側(cè)別差異。

4.2 ACL與PCL各部分比較

為了解ACL與PCL各部分生物材料力學(xué)特征，將2項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了如下處理:

1）AMB與PLB比較；2）ALB與PMB比較；3）AMB與ALB比較；4）PLB與PMB比較；5）ALB與PLB比較；6）AMB與PMB比較。

4.2.1 應(yīng)力松弛試驗(yàn)

4.2.1.1 “應(yīng)力-時(shí)間”特征

試驗(yàn)中分別記錄ACL與PCL各部分在第1s和第100s時(shí)刻的受力大小，計(jì)算各部分的應(yīng)力松弛率①1s應(yīng)力松弛率＝（原始力-1s力）／原始力，100s應(yīng)力松弛率＝（原始力-100s力）／原始力。原始力為電腦同步記錄的最大載荷；1s力為電腦同步記錄的最大載荷相應(yīng)時(shí)間后1s的載荷；100s力為電腦同步記錄的最大載荷相應(yīng)時(shí)間后100s的載荷。，并對其進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn)。經(jīng)方差分析，F(xiàn)檢驗(yàn)，確定用“sidak”方法進(jìn)行成對比較，t檢驗(yàn)，結(jié)果為:1）PMB1s應(yīng)力松弛率最大，其次為PLB、ALB，AMB最小。PMB高度顯著性大于其他3部分（P＜0.01）；PLB高度顯著性大于 AMB與 ALB（P＜0.01），高度顯著性小于 PMB（P＜0.01）；ALB高度顯著性大于 AMB（P＜0.01），高度顯著性小于PMB（P＜0.01）；AMB呈高度顯著性小于其他3部分（P＜0.01）；2）PMB100s應(yīng)力松弛率最大，其次為PLB、AMB，ALB。PMB高度顯著性大于其他3部分（P＜0.01）；AMB與PMB、ALB之間有高度顯著性差異（P＜0.01）；PLB與 PMB、ALB之間有高度顯著性差異（P＜0.01）；PLB高度顯著性大于 AMB與 ALB（P＜0.01），高度顯著性小于PMB（P＜0.01）；ALB高度顯著性小于其他3部分（P＜0.01），高度顯著性小于 PMB（P＜0.01）；AMB高度顯著性小于PLB與PMB（P＜0.01），高度顯著性大于 ALB（P＜0.01（表1）。

表1 ACL與PCL各部分1s、100s應(yīng)力松弛率比較一覽表Table 1 Comparison of 1sand 100sStress Relaxation Rate for Various Parts of ACL and PCL（，%）

表1 ACL與PCL各部分1s、100s應(yīng)力松弛率比較一覽表Table 1 Comparison of 1sand 100sStress Relaxation Rate for Various Parts of ACL and PCL（，%）

注:AMB與PLB、ALB、PMB之間比較:＃＃表示P＜0.01；PLB與AMB、ALB、PMB之間比較:◆◆表示P＜0.01；ALB與 AMB、PLB、PMB之間比較:●●表示P＜0.01；PMB與 AMB、PLB、ALB之間比較:◇◇表示P＜0.01。

名稱1s 100s AMB 4.65±1.98●●◇◇ 33.99±12.90●●◇◇PLB 14.85±13.04●●◇◇ 40.40±15.36●●◇◇ALB 9.52±8.22＃＃◆◆ 32.46±13.66＃?！簟鬚MB 15.56±10.96＃?！簟?51.09±19..60＃?！簟?/p>

生物材料的應(yīng)力松弛率與其粘性大小成正相關(guān)關(guān)系，松弛率越大，表明粘性越大，在承受較大負(fù)荷的持續(xù)作用時(shí)，將具有較好調(diào)整負(fù)荷的能力，從而減少對施加其上產(chǎn)生的長期應(yīng)力，達(dá)到保護(hù)生物材料自身的需要［12］。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較得知，PLB與PMB在1s和100s時(shí)刻的應(yīng)力松弛率均明顯大于AMB與ALB，表明PLB與PMB無論是瞬時(shí)粘性，還是被拉長后的粘性均強(qiáng)于AMB與ALB。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示:PLB與PMB無論在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動瞬間，還是在較長時(shí)間持續(xù)運(yùn)動中，均具有較好的自我調(diào)整能力，能夠承受關(guān)節(jié)運(yùn)動對其產(chǎn)生的較大牽拉、扭轉(zhuǎn)等負(fù)荷，適應(yīng)較長時(shí)間工作的應(yīng)力需要。有研究表明，在伸膝關(guān)節(jié)的最后20°時(shí)往往還伴有內(nèi)旋運(yùn)動［3］。筆者認(rèn)為，PLB與PMB粘性較強(qiáng)，是其能夠承受這種獨(dú)特運(yùn)動形式的材料學(xué)原因之一②本課題主要從生物材料力學(xué)的角度對交叉韌帶不同部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對其組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)構(gòu)造等方面與材料學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系等方面的研究有待今后進(jìn)一步深入。。此外，從膝關(guān)節(jié)韌帶損傷的臨床表現(xiàn)看，PLB與PMB相對來說也比AMB與ALB發(fā)生率低［8］，可能也是因?yàn)楹笳叩恼承暂^差，其材料應(yīng)變的適應(yīng)能力相對不足的緣故。

4.2.1.2 彈性響應(yīng)特征

試驗(yàn)中分別記錄ACL與PCL各部分處于2%、4%、6%、8%的階躍應(yīng)變，保持應(yīng)變150s，同步記錄載荷-時(shí)間關(guān)系曲線。在同一階躍應(yīng)變下，ACL與PCL 各部分瞬時(shí)彈性響應(yīng)均呈現(xiàn)非線性關(guān)系。計(jì)算ACL與PCL不同部分若干試件處于2%、4%、6%、8%的階躍應(yīng)變的，經(jīng)方差分析，F(xiàn)檢驗(yàn)，確定用“tamhane’s T2”法，進(jìn)行成對比較，t檢驗(yàn)。結(jié)果為:1）在拉伸至2%時(shí)，瞬時(shí)彈性響應(yīng)ALB明顯大于 AMB、PLB（P＜0.05）；2）在拉伸至4%時(shí)，瞬時(shí)彈性響應(yīng)ALB明顯大于AMB（P＜0.05），ALB高度明顯大于PLB（P＜0.01）；3）在拉伸至6%和8%時(shí)，瞬時(shí)彈性響應(yīng)ALB均明顯大于 AMB（P＜0.05），ALB均明顯大于PLB（P＜0.05，表2）。

表2 ACL與PCL各部分瞬時(shí)彈性響應(yīng)比較一覽表Table 2 Comparison of Instantaneous Elastic Response for Various Parts of ACL and PCL （，MPa）

表2 ACL與PCL各部分瞬時(shí)彈性響應(yīng)比較一覽表Table 2 Comparison of Instantaneous Elastic Response for Various Parts of ACL and PCL （，MPa）

注:AMB與PLB、ALB、PMB之間比較:＃表示P＜0.05；PLB與AMB、ALB、PMB之間比較:◆表示P＜0.05，◆◆表示P＜0.01；ALB與AMB、PLB、PMB之間比較，●表示 P＜0.05；●●表示P＜0.01；PMB與 AMB、PLB、ALB之間比較，◇表示P＜0.05。

應(yīng) 變2% 4% 6% 8%AMB 0.0641±0.0602● 0.1900±0.1408● 0.3467±0.2540● 0.4759±0.3662●PLB 0.0495±0.0385● 0.1644±0.1195●● 0.3422±0.2598● 0.5394±0.4242●ALB 0.2753±0.2763◇◆ 0.4939±0.3628◇◆◆ 0.7105±0.4582◇◆ 0.9424±0.5784◇◆PMB 0.1803±0.3095 0.5585±0.9715 0.9899±1.7238 1.4445±1.0038

“瞬時(shí)彈性響應(yīng)”是指生物材料在外力作用下產(chǎn)生拉伸變形時(shí)瞬間產(chǎn)生的應(yīng)力。數(shù)據(jù)比較顯示，AMB在2%時(shí)的瞬時(shí)彈性響應(yīng)明顯大于PLB，說明前者在拉伸的初始階段對使其變形所施加的力反應(yīng)較強(qiáng)；ALB在4%時(shí)的瞬時(shí)彈性響應(yīng)明顯大于AMB與PLB，ALB在6%和8%時(shí)的瞬時(shí)彈性響應(yīng)均明顯大于AMB，說明ALB即使隨著材料的被拉伸長度的增加，仍然會保持對使其變形所施加的力呈現(xiàn)較強(qiáng)的應(yīng)力特征。RaceA等研究表明，ALB的橫截面積是PMB的2倍，其堅(jiān)韌性和強(qiáng)度是PMB的1.5倍［14］，是否就是ALB瞬時(shí)彈性響應(yīng)較大的原因，有待進(jìn)一步研究確定。

4.2.1.3 歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)

歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)的表達(dá)公式為“G（t）＝Clnt＋D”［9］，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出 AMB、PLB、ALB、PMB的常數(shù)C、D，代入公式，得到其歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)（表3）。

表3 ACL與PCL各部分歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)一覽表Table 3 Normalized Stress Relaxation Function for Various Parts of ACL and PCL

4.3 一維拉伸試驗(yàn)

通過一維拉伸破壞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)繪出ACL與PCL各部分應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖，由此圖得到AMB、PLB、ALB、PMB的拉伸剛度、彈性模量、破壞應(yīng)力、破壞應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)①拉伸剛度與彈性模量的確定:交叉韌帶各部分均為粘彈性組織，從本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出的拉伸圖形表明，ACL與PCL不同部分在變形為10%時(shí)，均呈現(xiàn)出較好的線性狀態(tài)，故確定此時(shí)刻的載荷為“拉伸剛度”，而以此時(shí)刻的應(yīng)力均數(shù)除以應(yīng)變得到的數(shù)值為“彈性模量”。，了解其抗拉伸能力。此外，通過該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)還能夠計(jì)算得到AMB、PLB、ALB、PMB的常數(shù)，并推導(dǎo)本構(gòu)方程。

4.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出的 AMB、PLB、ALB、PMB“應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系”曲線均表現(xiàn)出共同的特征:應(yīng)力隨著應(yīng)變增大達(dá)到一定值后，又逐漸減小。拉伸應(yīng)力在5%應(yīng)變段內(nèi)改變較小，在6%～12%應(yīng)變段，拉伸應(yīng)力隨應(yīng)變增大而增大，達(dá)到12%后，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增長，呈現(xiàn)逐漸減小的現(xiàn)象（圖8～圖11）。

圖8 AMB“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系曲線圖Figure 8.AMB"Stress-Strain"Curve

圖9 PLB“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系曲線圖Figure 9 PLB"Stress-Strain Relationship

圖10 ALB“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系曲線圖Figure 10.ALB"Stress-Strain"Curve

圖11 PMB“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系曲線圖Figure 11.PMB Stress-Strain Curve

ACL與PCL與人體其他關(guān)節(jié)的韌帶一樣，主要為膠原纖維，這類纖維在受力初期均會表現(xiàn)出各部分的膠原纖維排列成波浪狀，膠原與蛋白多糖基質(zhì)和間隙液相互作用，共同承受應(yīng)力應(yīng)變而不易引起組織損傷。然而，隨著應(yīng)變增加，部分屈曲較小的膠原纖維在受力早期即被拉直，隨應(yīng)變的增加出現(xiàn)了較大的應(yīng)力松弛甚至局部破壞，拉伸剛度迅速減小，較小的應(yīng)力增加也能產(chǎn)生很大的應(yīng)變增量，組織開始變形甚至破壞［4］。故為了防止膝關(guān)節(jié)的ACL與PCL各部分出現(xiàn)損傷，在下肢完成各種運(yùn)動，或者承重時(shí)，一定要注意運(yùn)動強(qiáng)度、運(yùn)動持續(xù)時(shí)間等要素的把握，盡量避免長時(shí)間的持續(xù)受力，也應(yīng)注意加強(qiáng)膝關(guān)節(jié)周圍肌力的訓(xùn)練，增強(qiáng)其對保持關(guān)節(jié)穩(wěn)定性效果，達(dá)到保護(hù)關(guān)節(jié)韌帶的作用。

4.3.2 抗拉伸能力

拉伸剛度、彈性模量、破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變均能夠反映生物組織承受拉伸負(fù)荷的能力。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，確定 AMB、PLB、ALB、PMB的4項(xiàng)指標(biāo)（表4）。經(jīng)方差分析、F檢驗(yàn)，結(jié)果有2點(diǎn):1）ACL與PCL各部分的拉伸剛度、彈性模量、破壞應(yīng)力均沒有顯著性差異（P＞0.05）；2）PLB與PMB的破壞應(yīng)變明顯大于AMB與ALB（P＜0.05）。

表4 ACL與PCL不同部分抗拉伸能力參數(shù)一覽表Table 4 Anti－tensile Capacity Parameters for Different Parts of ACL and PCL （）

表4 ACL與PCL不同部分抗拉伸能力參數(shù)一覽表Table 4 Anti－tensile Capacity Parameters for Different Parts of ACL and PCL （）

注:AMB與PLB、ALB、PMB之間比較:＃表示P＜0.05；PLB與 AMB、ALB、PMB之間比較:◆表示P＜0.05；ALB與AMB、PLB、PMB之間比較:●表示P＜0.05；PMB與AMB、PLB、ALB之間比較:◇表示P＜0.05。

拉伸剛度（N） 彈性模量（Mpa） 破壞應(yīng)力（Mpa） 破壞應(yīng)變（%）AMB 0.3786±0.2304 5.3744±4.2092 0.7416±0.4807 13.47±4.79◆◇PLB 0.6422±0.4305 7.5879±5.3867 1.2504±0.9950 19.81±8.32?！馎LB 0.6553±0.4661 10.8190±8.2478 1.2518±0.7752 12.82±3.61◆◇PMB 0.5965±0.6517 9.1417±8.6321 1.4196±1.0039 19.04±10.35?！?/p>

ACL與PCL不同部分的破壞應(yīng)力均取其發(fā)生破壞的那一時(shí)刻的載荷／初始橫截面積計(jì)算得到。從統(tǒng)計(jì)學(xué)比較結(jié)果看，ACL與PCL不同部分的拉伸剛度、彈性模量、破壞應(yīng)力沒有顯著性差異，表明來源相同、組織結(jié)構(gòu)相似的生物材料只要處于生理受力范圍內(nèi)力學(xué)特征相同。破壞應(yīng)變?yōu)椴牧系纳扉L值／原始長度，PLB與PMB的破壞應(yīng)變較大，表明其受力后伸長值較大，延展性較好，抗拉伸能力較強(qiáng)，此結(jié)果進(jìn)一步從材料力學(xué)角度證實(shí)了PLB與PMB較AMB與ALB在運(yùn)動損傷發(fā)生率方面會存在一定差異。

4.3.3 本構(gòu)方程

本構(gòu)方程是表示固體中應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的方程，是對生物材料在外力作用下響應(yīng)的數(shù)學(xué)描述，有助于人們對生物材料特性的本質(zhì)認(rèn)識和深入分析［15］。先將AMB、PLB、ALB、PMB的應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入函數(shù)公式:“σe（ε）＝A（eBε-1）與G（t）＝Clnt＋D”計(jì)算得到常數(shù)“A”、“B”、“C”、“D”，然后再代入下列方程，即可得到ACL與PCL不同部分的本構(gòu)方程。

表5 ACL與PCL不同部分本構(gòu)方程常數(shù)一覽表Table 5 Constitutive Equation Constants for Different Parts of ACL and PCL

5 結(jié)論

1.ACL與PCL各部分生物材料力學(xué)特性沒有側(cè)別差異，主要是由于其組織結(jié)構(gòu)來源相同、雙側(cè)下肢功能相同所致。

2.AMB與ALB較之PLB與PMB更容易發(fā)生損傷，與其材料粘彈性、破壞應(yīng)變等力學(xué)特性方面的差異有關(guān)。

3.在材料對負(fù)荷的瞬時(shí)彈性響應(yīng)方面，AMB在被拉伸的初始階段對使其變形所施加的外力反應(yīng)較強(qiáng)；ALB隨著材料的被拉伸長度的增加，對使其變形所施加的力反應(yīng)呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的現(xiàn)象。

4.ACL與PCL的不同部分拉伸剛度、彈性模量、破壞應(yīng)力沒有顯著性差異，表明來源相同、組織結(jié)構(gòu)相似的生物材料只要處于生理受力范圍內(nèi)，材料力學(xué)特征基本相同。

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