软组织水化的机械电化学和双相溶胀理论的比较

椎间盘和关节软骨等生物组织主要由间质液、胶原纤维和带负电荷的蛋白多糖组成。由于蛋白聚糖的固定电荷，组织内的总离子浓度高于周围滑液中的总离子浓度（阳离子浓度较高，阴离子浓度较低）。过量的离子颗粒导致渗透压差，导致组织肿胀。在过去的十年中，已经开发了包括这种机制的几种机械电化学模型。由于这些模型复杂且计算昂贵，因此只能从几何上分析相对较小的问题。此外，目前还没有包含这种机械电化学理论的商业有限元工具。Lanir（生物流变学，24（第173–187页，1987）假设在力学研究中可以忽略关节软骨中的电解质通量。Lanir的假设暗示软骨的膨胀行为仅由固体变形和流体流动决定。因此，可以通过在标准双相方程中添加变形相关压力项来描述响应。基于这一理论，我们建立了一个双相溶胀模型。这项研究的目的是测试拉尼尔关于一系列材料特性的假设。我们比较了两相膨胀模型和约束压缩和一维膨胀的全机械电化学模型预测的变形行为。研究表明，根据材料特性，双相溶胀模型在机械或化学扰动后组织中的应力和应变方面的表现与机械电化学模型基本相同。因此，在离子通量本身不是研究对象的情况下，双相溶胀模型可以替代更复杂的机械电化学模型。我们建议使用拇指规则来估计两个模型之间的相关性，以解决特定问题。