软骨动态与粘弹性力学测试的非接触式替代方法

一、软骨的力学承载特性

软骨是一种承受动态载荷的组织。日常活动如行走，会使软骨承受 1-6 兆帕的较大应力，峰值应力甚至可达 12 兆帕。这些应力以 0.01-2 Hz的频率周期性作用于软骨，成年人的软骨每年通常要承受多达 400 万次的循环载荷。

二、研究背景与技术研发

骨关节炎影响约 14% 成年人，关节软骨力学动态特征的研究对疾病防治至关重要。尔湾康科迪亚大学 Gabriela Espinosa 博士在深造期间受激光多普勒测振技术启发，于 Kyriacos Athanasiou 教授支持下与Polytec公司合作，研发出表征软骨力学特性的相关技术。

该技术经论文证实，检测结果与传统方法高度一致，且具有非接触、无损的优势，能减少样本损耗、降低成本，还大幅缩短检测耗时、提升研究效率。其可通过检测圆盘状试样的一阶和二阶共振频率提取动态模量 G*，结合相位 / 时间延迟测量获取损耗模量 G'' 和储能模量 G'，单一工具即可满足软骨替代物力学表征的多项监管检测要求。

Espinosa 博士计划将该方法用于评估组织工程软骨与天然膝关节软骨的相似度。

三、软骨动态力学特性的研究价值

软骨的动态力学特性与人体日常活动密切相关，同时在维持组织稳态中发挥着关键作用，因此成为软骨研究领域持续开展的核心研究内容，也是研发动态环境下软骨功能替代与再生技术的关键所在。

四、传统软骨检测方法的局限性

科研人员通常采用粘弹性测试条件下的准静态力学测量方法，如应力松弛试验、蠕变压痕试验，对软骨及其替代物进行评估；也会通过动态力学测试获取动态模量，偶尔还会借助该测试分析粘弹性特征。

但这些力学测试方法大多具有破坏性，这不仅限制了部分研究方向的开展，还需要大量可用于检测的软骨组织样本。

毫无疑问，非接触式的动态力学测试方法会受到软骨研究领域科研人员的广泛关注。本研究证实，激光多普勒测振技术的一大核心优势是能够实现非接触、无创的测量，这一关键特性使其有望成为生物科学领域一种极具价值的测量手段。

五、研究核心目的与实验基础设计

本研究的核心目的，是探究将测振技术作为非接触式动态力学测试方法，与准静态力学测试、生化分析方法在关节软骨表征中的应用效果对比。

为此，研究人员分别采用传统方法和测振技术，对取自膝关节髁、髌骨、滑车沟和半月板的软骨外植体进行特征分析，并对两种方法的检测结果展开对比研究。

本次测振实验采用 PSV-500-B Xtra 扫描式激光测振仪，将软骨组织外植体置于压电致动器上进行动态激励，通过该激光测振仪的函数发生器向压电致动器输入各实验对应的激励信号。

软骨组织在动态激励下发生形变，激光测振仪则对软骨组织上表面的轴向位移进行检测。

六、激光测振实验具体操作流程

研究人员在覆盖软骨试样和压电致动器的区域设置了包含 100-150 个测点的网格，以此确定检测点位。需要重点说明的是，本次实验同时对软骨试样和压电致动器的相关数据进行了采集。

在首轮检测中，研究人员对试样进行 10 至 100000 Hz的扫频测试，通过识别试样速度数据中的峰值，确定其一阶和二阶共振频率。

此环节中，压电致动器的相关数据仅用于验证其共振频率不会对软骨试样的共振频率检测造成干扰。

为排除刚体运动产生的峰值干扰，研究人员通过观察共振频率下的动态变形形态，验证了弯曲振动模式的存在。

相关视频片段通过 PSV 软件还原了软骨试样一阶和二阶振动模式的动态过程。

研究人员依据美国材料与试验协会（ASTM International）关于通过振动法测定圆盘状试样动态力学性能的标准，计算出各软骨试样的动态模量 G*。

具体方法为：分别根据一阶、二阶共振频率计算动态模量，再将两个结果取平均值，得到每个试样的动态模量 G * 最终值。

完成上述检测后，研究人员采用 500 Hz的正弦激励测定软骨组织的粘弹性特征。

实验中，正弦参考信号（黑色）驱动压电致动器产生响应（蓝色），二者的相位偏移体现在黑色与蓝色虚线的差值上；软骨组织的周期性形变以红色呈现，其与压电致动器信号的相位差为 δ。

研究人员通过 PSV 软件对数据进行傅里叶逆变换，将频域数据转换为时域数据。该分析过程需同时结合压电致动器和软骨试样的相关数据，以测量二者对参考信号响应的相位差 δ。

已知相位差的正切值为粘性与弹性贡献的比值，即损耗模量与储能模量的比值。结合动态模量 G和相位差 δ，可通过以下公式计算储能模量 G' 和损耗模量 G''：

G' = G cos δ

G'' = G* cos δ

七、后续实验与数据统计分析

由于激光测振技术为无损检测，完成测振实验后的软骨试样可继续用于传统的破坏性力学测试，从而实现测振技术检测结果与传统方法检测结果的关联性分析。本次研究后续对软骨试样开展了应力松弛试验、蠕变压痕试验及生化分析。

本研究的相关表格统计了无损测振技术测得的动态模量 G*、储能模量 G'、损耗模量 G''，与软骨研究中传统破坏性检测方法所得结果的斯皮尔曼等级相关系数 ρ，明确了二者相关性的强弱及显著性。

表格中数值代表相关系数 ρ（即相关性强弱），颜色代表显著性水平，带有对角线的白色单元格表示相关结果未达到统计学显著水平。

八、研究成果与应用价值

本研究成功验证了激光测振技术在软骨动态力学特性非接触式测量中的可行性。研究测得的软骨动态力学特性与准静态力学特性、生化特性均存在多项相关性，为揭示循环载荷下的软骨功能机制提供了重要依据。同时，基于激光测振技术的检测精度足以区分膝关节不同部位软骨的粘弹性特征差异。

这项研究不仅在短时间内明确了软骨准静态特性、粘弹性特性与动态特性之间的关联，还为软骨的高通量无损检测提供了切实可行的方法，该方法非常适用于软骨发育生物学、组织工程及转化医学等领域的研究应用。

更多研究细节可参阅相关论文：https://lnkd.in/gh2ek6kB