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挛缩膝关节髌韧带轴向应力 |
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韧带的轴向应力－应变关系以及温度对它们的影响进行了探讨。
材 料 和 方 法
一、实验动物分组及模型制备
家兔40只，雌雄不拘，兔龄5～6月，体重2.1～2.4千克。随机均分为正常组和制动组，每组
20只，以左后肢作为试验侧。
将制动组兔的左后肢从腹股沟到趾头行石膏管型固定，膝关节伸直180°位，踝关节背屈60°
位，制动6周。
二、观察内容和测试指标
1.股胫角测量：行拉伸试验前，先测量动物试验侧的股胫角，具体方法如下：将左侧大腿平
放固定在桌面上，小腿悬空，在小腿上施加一0.5牛顿·米的初始力矩使膝关节被动屈曲， 稳定后
测量股骨外髁分别引线至股骨大转子和外踝，二线之间的夹角即为股胫角。 2.拉伸试验：用
空气栓塞法处死动物，分离试验侧膝关节，剥离肌肉、筋膜等组织，迅速获取髌骨－髌韧带－胫
骨组合体标本。标本取出后，首先用游标卡尺测量髌韧带在无应力状态下的初始长度，测量标志：
从髌韧带的髌骨远端至其胫骨附着处近端。共3次，求平均值。参照Yamamoto等〔5,6〕的方法，使
用软组织截面面积测微仪测量髌韧带的截面面积。将组合体固定在特制的夹具上,髌韧带长轴方向
与胫骨成45°角，以使髌韧带长轴与其胶原纤维的走向基本一致〔5,6〕。 然后再把夹具固定在
CSS-1102C型电子万能试验机上,使试件的纵轴与其受力方向相一致。整个试件与夹具都浸泡在特
制的恒温水箱中，其中充满0.9%的NaCl溶液。将水箱温度调至所需的37±0.5℃或42±0.5℃，待试
件浸泡10分钟后，以5 mm/min的加载速率、在0～5 MPa应力范围内对试件进行预调5次，记录应力
－应变一一对应的数据， 此时实验数据基本稳定。然后正式进行拉伸试验。
结 果
一、股胫角测量结果
正常组兔膝关节屈曲范围均超过90°，将其股胫角均记为90°。制动组兔膝关节的股胫角在
133.5°～145.0°之间，说明制动6周后，膝关节活动范围明显受限，表现为伸直型膝关节挛缩。
二、髌韧带本构方程的建立
1.髌韧带应力、应变的计算：在软组织的拉伸试验中，与血管、皮肤和肌肉等软组织相比，
韧带、肌腱等在拉伸过程中变形相对较少，因此常采用Lagrange应力。假设髌韧带的截面面积
为So，所受载荷为F，变形前后髌韧带的长度分别为Lo、L，那么髌韧带的
Lagrange应力：T＝F/So
(1)
伸长度： λ＝L/Lo
(2)
Green应变： E=(λ2-1)/2
(3)
2.髌韧带本构关系的确立〔7〕：根据实验数据类型， 引一维应变能ρoW作为一维应变E的
函数，它对应变E求导，得到一维应力S.
S= σ(ρoW)/ σE T=λS
(4)
ρoW=1/2·X1·exp〔X2(E2-E*2)〕
(5)
其中X1、X2是材料常数，E*是相应于某一选定的应力S*时的应变与
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