● 摘要
膝关节骨关节炎是人体膝关节的一种常见疾病，可以导致患者膝关节的疼痛、肿胀、僵硬等症状，并会不断恶化和发展，最终导致运动能力的丧失。由于目前人们还无法将其完全治愈，临床上对于膝关节骨关节炎的治疗，主要以减轻疼痛、缓解症状为目标，利用手术的方法恢复膝关节的正常功能。因此对于这一问题，一方面需要进一步明确相关的致病因素，做好预防工作，从而防范于未然，另一方面也要探求更为有效的治疗手段，不断改善治疗效果。
生物力学因素在膝关节骨关节炎的预防和治疗过程中发挥着重要作用。本研究从生物力学的角度，对与之相关的若干问题进行了探讨，为更好地预防和治疗膝关节骨关节炎提供了生物力学方面的依据。
本研究的主要内容包括：
（1）建立跪姿膝关节的有限元模型。
依据志愿者膝关节的磁共振图像，建立跪姿情况下膝关节的有限元模型。模型包括股骨、胫骨、髌骨、关节软骨、半月板以及韧带，较为精确地反映了膝关节的几何特征。同时根据各解剖结构的力学特性，半月板采用正交各向异性的材料属性，韧带采用超弹性材料属性，从而较好地反应膝关节的力学特性。
建模过程中，解决了一些具体的技术问题，并对相应的建模方法进行了详细的说明和介绍。利用这一模型，可以计算和分析膝关节各部分的应力分布，特别是能够获取软骨内部应力等难以通过实验手段测量的参数，为后续研究膝关节骨关节炎发生与治疗过程中的生物力学问题奠定了基础。
（2）分析比较跪姿和站姿两种工况下膝关节力学参数的差异。
在跪姿膝关节模型的基础上，建立站姿膝关节的有限元模型。模型的几何特征依据同一名志愿者以完全相同的扫描参数所采集的磁共振影像，采用相同的建模方法，并赋予完全相同的材料属性，从而避免个体差异与研究手段的不同所造成的影响，以便较为准确地比较站姿和跪姿两种工况下膝关节受力状态的差异。
有限元分析的结果显示：对于相同大小的载荷，跪姿情况下膝关节软骨的最大应力会大于站姿情况下膝关节软骨的最大应力。这表明，软骨最大应力的升高可能是跪姿工况下膝关节骨关节炎发病风险较高的原因。这意味着，对于跪姿工况，应当要尽量减小人体负载以降低膝发生关节骨关节炎的风险。
（3）模拟利用软骨修复植入体修复软骨局部缺损的情况，并研究移植体上的软骨厚度与周围软骨厚度的匹配程度对术后软骨应力分布的影响。
在已建立的膝关节有限元模型的基础上，计算软骨缺损情况下膝关节的应力分布。并分别模拟利用具有不同软骨厚度的植入体对缺损进行修复的情况，比较这些情况之间的差异。结果表明，当软骨出现局部损伤后，在损伤的周围区域会产生较高的应力，而安置软骨移植体后，膝关节正常的力学环境得到了较好的恢复。而移植体上的软骨厚度与周围软骨厚度的匹配程度对术后软骨应力分布具有重要的影响：当植入体软骨厚度小于周围软骨厚度时，在植入体上以及植入体的对侧软骨应力会明显升高；当植入体软骨厚度大于周围软骨厚度时，在植入体周围的软骨上的应力也会升高。并且植入体软骨厚度不足所引起的应力升高的幅度大于植入体软骨厚度过厚所引起的应力升高的幅度。这些结果表明，进行移植体选取时，应尽量使其软骨厚度与周围软骨厚度一致，而在无法精确地匹配周围软骨厚度的情况下，则建议选取软骨厚度较厚的植入体来进行手术。
（4）利用大鼠尾吊模型，探索内皮细胞生长因子（VEGF，vascular endothelial growth factor）对废用性骨丢失的对抗作用。
膝关节植介入手术的失效原因之一是植入体的松动。为了确保植入体同周围的骨组织充分整合，需要维持一定的力学刺激来避免废用性的骨丢失。但另一方面，为了促进术后恢复并延长植入体的使用寿命，又需要减小力学载荷甚至完全制动。这就形成了一对矛盾。本研究考虑到血供以及体液的分布对骨重建的潜在作用，以尾吊大鼠作为废用性骨丢失的动物模型，研究了VEGF对骨重建的作用。结果表明，VEGF可以在一定程度上对抗废用性骨丢失。这一结果印证了血供可能对骨重建有重要作用，进而提示我们在已有的对抗措施的基础上，可以考虑通过改善血供的方式，进一步提高废用性骨丢失的对抗效果，从而避免骨丢失引起的植入体松动。
综上所述，本研究从生物力学的角度，对膝关节骨关节炎预防和治疗过程中的若干问题进行了分析，分别得出了：跪姿工况应减小力学负载、软骨修复手术应力求植入体上软骨厚度等于或大于周围软骨厚度、以及改善血供可在一定程度上对抗废用性骨丢失这三个结论。但是，本工作仅仅对这些问题进行了初步的探索，在今后的研究中，还需要对不同的工况以及不同的手术规划等问题还有待更加细致的分析，对于血供与骨重建之间的相互作用机制也有待进一步的探索和阐释。