【摘要】：咀嚼吞咽過(guò)程是指食物從攝入口腔開(kāi)始直到進(jìn)入胃部這一完整階段,該過(guò)程不僅僅是生物體獲取能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要保障,同時(shí)也影響食品加工、食品機(jī)械、醫(yī)療器械等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。在食品工業(yè)領(lǐng)域,咀嚼吞咽過(guò)程中生物體的感官感受是功能食品研發(fā)的重要性能指標(biāo);在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,咀嚼吞咽系統(tǒng)的力學(xué)分析有助于相關(guān)疾病的病理了解和臨床診療;在醫(yī)療器械領(lǐng)域,咀嚼吞咽過(guò)程中的生物組織的力學(xué)行為分析能夠?yàn)榱x齒種植系統(tǒng)、消化道膠囊診療機(jī)器人等醫(yī)療器械及系統(tǒng)的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)唾液混合攪拌的食品材料和口腔食道的生物組織材料都表現(xiàn)出明顯的粘彈特性,本文基于粘彈性理論,展開(kāi)粘彈性食品材料咀嚼吞咽過(guò)程中,口腔、食道的生物組織的力學(xué)行為研究。研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(1)以制備的瓊脂凝膠樣品為典型的粘彈性材料,通過(guò)質(zhì)構(gòu)實(shí)驗(yàn)對(duì)粘彈性材料的力學(xué)性能影響因素以及材料本構(gòu)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)瓊脂凝膠的力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng),當(dāng)應(yīng)變率變大時(shí),膠體的破裂強(qiáng)度和彈性模量都有所增加;基于應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn),建立了瓊脂凝膠的五元件廣義Maxwell模型,對(duì)松弛過(guò)程的應(yīng)力衰減有很好的預(yù)測(cè)效果。為后文的口腔、食道的生物力學(xué)研究提供了粘彈性食品材料的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型。(2)以牙齒、牙周膜、牙槽骨組成單牙咀嚼系統(tǒng),基于有限元方法模擬其咀嚼沖擊動(dòng)態(tài)過(guò)程。仿真結(jié)果表明:相比于各向同性,牙槽骨考慮為正交各向異性材料時(shí)會(huì)提高骨界面的應(yīng)力水平,但是同時(shí)也使系統(tǒng)的應(yīng)力分布更為均勻,更符合生物學(xué)特征;牙周膜由于超彈特性(高泊松比、低彈性模量),在咀嚼沖擊過(guò)程能夠以較大的形變吸收部分咀嚼過(guò)程產(chǎn)生的能量,起到延緩沖擊的作用;同時(shí)牙周膜也使得骨界面的應(yīng)力場(chǎng)更加順滑、應(yīng)力分布范圍更廣,有效減緩了牙根和牙槽骨結(jié)合面的應(yīng)力集中情況,提高了結(jié)合面的骨組織生物活性。(3)以下頜體和咀嚼肌組成下頜系統(tǒng),基于有限元方法模擬其咀嚼沖擊動(dòng)態(tài)過(guò)程。仿真結(jié)果顯示:在咀嚼過(guò)程中,咬肌的肌力最大,下頜骨的應(yīng)力集中主要發(fā)生在牙槽窩和下頜斜線(xiàn)區(qū)域;當(dāng)咀嚼力相同時(shí),咀嚼作用點(diǎn)的變化只會(huì)改變下頜咀嚼肌的肌力分配方式,對(duì)咀嚼肌的最大肌力影響不大。(4)將蠕動(dòng)簡(jiǎn)化為一定速度傳遞的正弦波,基于流體力學(xué)理論和潤(rùn)滑近似理論建立了牛頓流體在食道中蠕動(dòng)輸送的動(dòng)力學(xué)模型。代入不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解,在蠕動(dòng)收縮作用下,腔體內(nèi)的最大壓力產(chǎn)生于食團(tuán)末端,至食團(tuán)前端緩慢下降,從而形成壓差,促使食團(tuán)運(yùn)動(dòng),食團(tuán)的粘度越大,食道收縮區(qū)域的壓力越大;降低食團(tuán)粘度有利于提高蠕動(dòng)輸送效率,減小食道組織的壓力;而蠕動(dòng)波波幅增加時(shí)固然可以提高食團(tuán)的壓差,但是也會(huì)造成流線(xiàn)的循環(huán)封閉,并不一定能夠提高輸送效率。(5)將食道簡(jiǎn)化為等內(nèi)徑的柔性管道,以膠囊內(nèi)鏡或膠囊機(jī)器人為研究對(duì)象,以粘彈性模型為食道組織材料本構(gòu),不考慮膠囊變形,構(gòu)建剛性膠囊運(yùn)動(dòng)過(guò)程與食道組織的相互作用模型,基于該模型,結(jié)合理論和數(shù)值模擬方法對(duì)食道的應(yīng)力分布和摩擦阻力進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:膠囊運(yùn)動(dòng)速度和直徑尺寸增加時(shí)會(huì)造成運(yùn)動(dòng)過(guò)程中食道應(yīng)力和摩擦阻力的上升;膠囊外形端面的倒角參數(shù)對(duì)食道的應(yīng)力影響較小、對(duì)摩擦阻力影響較大;同時(shí)膠囊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,重力方向?qū)κ车澜M織的生物力學(xué)影響很小,主要影響的是膠囊運(yùn)動(dòng)路徑。論文研究了不同物性的食品材料在不同咀嚼吞咽形狀參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)下,口腔、食道生物組織的力學(xué)行為,為食品的研制、義齒設(shè)計(jì)和診療儀器的開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TS201.1;TH77
【圖文】：

機(jī)尋求連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值解。相比于實(shí)驗(yàn)分析，有限元方法以其直觀、快速的優(yōu)點(diǎn)成為生物力學(xué)研究的重要手段。1.2.1 咀嚼過(guò)程生物力學(xué)的研究進(jìn)展有限元方法自上個(gè)世紀(jì)七十年代開(kāi)始應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)[20,21]，經(jīng)過(guò)將近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)成為生物力學(xué)研究的重要手段。2000 年，來(lái)自德國(guó)明斯特大學(xué)的 Dirk Vollmer 等人[22]對(duì)下頜骨標(biāo)本進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)，得到了下頜骨在機(jī)械載荷作用下的位移和應(yīng)變等數(shù)據(jù)，同時(shí)利用有限元方法在相同的條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了模擬。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬下的頜骨應(yīng)變模式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配。說(shuō)明了有限元作為非侵入式的手段能夠用以預(yù)測(cè)人類(lèi)下頜骨復(fù)雜的生物力學(xué)行為。2005 年日本九州大學(xué) Qian Lihe 等[23]針對(duì)豬下頜骨上的牙周組織進(jìn)行了侵入實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明牙周膜在外力作用下表現(xiàn)出非線(xiàn)性的粘彈特性。此后，結(jié)合數(shù)字成像得到的牙齒、牙周膜和牙槽骨的幾何數(shù)據(jù)，建立了如圖 1-1 所示的有限元模型，以實(shí)驗(yàn)得到的牙周膜應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)作為有限元的材料輸入從而對(duì)牙齒受載下的位移場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了分析。

圖 1-2 奧克蘭學(xué)者建立的咀嚼有限元模型斯坦布爾理工大學(xué)的 Meral Tuna 等[25]基于牙周膜在牙齒移作用，施加軸向和側(cè)向的集中力載荷（見(jiàn)圖 1-3），通過(guò)數(shù)值位移變化和應(yīng)力分布規(guī)律。仿真位移變化與實(shí)驗(yàn)的牙齒松動(dòng)時(shí)在牙周膜的作用下，牙根和牙槽骨的應(yīng)力場(chǎng)較為順滑，而義。圖 1-3 Tuna 建立的數(shù)值模型班牙塞維利亞大學(xué)的 Maria S. Commisso 等[26]為了解決下頜

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本文編號(hào)：2712532