本文關(guān)鍵詞：離體生物組織激光焊接工藝試驗(yàn)研究

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【摘要】：生物組織激光焊接技術(shù)(Laser Biological Tissue Welding, LTW)作為一種微創(chuàng)手術(shù)具有操作簡單、手術(shù)時(shí)間短、傷口愈合快、炎癥反應(yīng)輕、疤痕不明顯等優(yōu)點(diǎn),是一種很具潛力的組織縫合替代技術(shù)。但是目前大多數(shù)生物組織激光焊接研究都集中在激光輻照后的慢性組織學(xué),缺乏系統(tǒng)分析激光參數(shù)和其他相關(guān)因素對組織焊接吻合效果的影響規(guī)律；另外由于焊接參數(shù)多,生物組織差異大,導(dǎo)致激光焊接技術(shù)的可重復(fù)性較低,組織融合的潛在機(jī)理尚不明確。本文結(jié)合ANSYS數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究的手段,主要探索了激光參數(shù)(如功率、光斑、激光輸出方式、掃描方式等)和添加劑等因素對離體皮膚組織切口的焊接吻合效果,并給出生物組織激光焊接的作用機(jī)理和參數(shù)優(yōu)化方案,以提高激光焊接技術(shù)在生物組織切口吻合應(yīng)用的可重復(fù)性和安全性。本文首先基于生物組織中的皮膚特性,系統(tǒng)總結(jié)了激光與生物組織的相互作用及激光在生物組織中熱傳輸理論,為生物組織激光焊接的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究提供了可選擇、可控制的重要參量。其次應(yīng)用生物熱傳輸理論,采用ANSYS有限元法,搭建了皮膚的兩層結(jié)構(gòu)模型,施加高斯分布激光熱源,計(jì)算了不同激光功率、光斑、熱源移動(dòng)速度和掃描方式下,模型的溫度響應(yīng)情況,包括峰值溫度、溫度場分布和時(shí)間行為等。結(jié)合數(shù)值模擬的激光參數(shù)選擇,采用自主設(shè)計(jì)的生物組織激光焊接試驗(yàn)平臺(tái)對離體皮膚組織進(jìn)行工藝試驗(yàn)研究,綜合考慮了激光功率、添加劑、掃描方式和激光輸出方式一系列因素對組織切口的焊接吻合效果。最終在數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,提出了生物組織焊接機(jī)理和參數(shù)優(yōu)化方案。研究結(jié)果表明：生物組織切口受激光輻照而吻合的主要原因是組織與激光的熱作用使內(nèi)部溫度升高至60～80℃,膠原和蛋白發(fā)生變性和凝結(jié)；BSA具有加速組織切口吻合,減少不可逆熱損傷的作用；相比于連續(xù)激光,大功率下的脈沖激光,焊接時(shí)間減少30～40%,有助于提高焊接效率；在5W脈沖激光、脈寬50ms、光斑半徑0.2mmm、焊接速度200mm/s(直線掃描)作用下,切口經(jīng)BSA處理,其焊接成功率接近100%,具有高重復(fù)性,切口抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)38.2N·cm-2。
【關(guān)鍵詞】：激光 組織焊接 數(shù)值模擬 溫度 蛋白
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R454.2
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 1 緒論9-15
• 1.1 生物組織激光焊接技術(shù)9
• 1.2 生物組織激光焊接研究概況9-13
• 1.2.1 國外研究概況10-12
• 1.2.2 國內(nèi)研究概況12-13
• 1.3 主要研究內(nèi)容和方法13-15
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容13
• 1.3.2 研究方法13-15
• 2 生物組織特性與熱傳輸理論15-23
• 2.1 皮膚結(jié)構(gòu)15
• 2.2 生物組織的熱物理性能15-16
• 2.3 生物組織的光學(xué)特性16-18
• 2.4 生物組織的熱傳輸理論18-20
• 2.4.1 激光與生物組織的相互作用18-19
• 2.4.2 生物組織的熱傳輸方程19-20
• 2.5 熱損傷模型20-22
• 2.6 小結(jié)22-23
• 3 生物組織激光焊接的數(shù)值模擬23-40
• 3.1 ANSYS中有限元法的數(shù)值求解步驟23-28
• 3.1.1 定義單元類型24
• 3.1.2 建立組織的求解模型24
• 3.1.3 確定模型熱物理和光學(xué)性能參數(shù)24-25
• 3.1.4 網(wǎng)格劃分25
• 3.1.5 確定邊界條件和初始條件25-26
• 3.1.6 確定加載熱源模型和求解參數(shù)26-27
• 3.1.7 設(shè)置求解時(shí)間和時(shí)間步長27
• 3.1.8 求解27
• 3.1.9 輸出結(jié)果27-28
• 3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析28-39
• 3.2.1 激光功率變化引起的組織溫度響應(yīng)28-31
• 3.2.2 激光光斑尺寸變化引起的組織溫度響應(yīng)31-35
• 3.2.3 熱源移動(dòng)速度變化引起的組織溫度響應(yīng)35-37
• 3.2.4 激光掃描方式變化引起的組織溫度響應(yīng)37-39
• 3.3 小結(jié)39-40
• 4 離體生物組織激光焊接的試驗(yàn)研究40-61
• 4.1 生物組織激光焊接試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)40-43
• 4.1.1 確定激光波長40
• 4.1.2 設(shè)計(jì)激光焊接生物組織試驗(yàn)平臺(tái)40-43
• 4.2 試驗(yàn)方法43-44
• 4.3 操作步驟44-45
• 4.4 數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證45-46
• 4.5 試驗(yàn)分析46-57
• 4.5.1 不同功率激光照射下的焊接試驗(yàn)46-48
• 4.5.2 添加劑對組織焊接效果的影響48-52
• 4.5.3 激光掃描方式對組織焊接效果的影響52-54
• 4.5.4 連續(xù)和脈沖激光照射下的焊接試驗(yàn)對比54-57
• 4.6 生物組織激光焊接機(jī)理和參數(shù)優(yōu)化方案57-60
• 4.7 小結(jié)60-61
• 5 總結(jié)與展望61-63
• 5.1 總結(jié)61
• 5.2 展望61-63
• 致謝63-64
• 參考文獻(xiàn)64-69
• 附錄69

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