發(fā)布時間：2017-05-01 11:09

  本文關鍵詞：影響骨重建的力—電特性分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：骨能夠感受它所處的外部環(huán)境,并對外部環(huán)境的改變作出反應,這個過程被稱為骨重建。現(xiàn)在普遍認為影響骨重建的主要因素有骨內(nèi)應力、骨內(nèi)液體壓力、骨內(nèi)流體剪應力和流動電勢等,因此研究骨受動態(tài)荷載作用時的力-電特性,不僅是了解應力和電刺激骨生長和吸收的前提步驟,也是實現(xiàn)骨重建和治療的理論基礎。研究骨的力-電特性、骨生長與力和電的關系,可以從微觀的角度去理解骨生長和重建的機理,在醫(yī)學上有著廣泛的應用前景,有助于各種骨代謝疾病的研究和新的骨代謝疾病治療方案的提出。本論文以此為出發(fā)點研究了骨受動態(tài)荷載作用時骨內(nèi)液體的壓力分布、骨小管內(nèi)的流體剪應力和流動電勢。本論文的研究內(nèi)容主要有:建立了單個骨單元的環(huán)形圓柱體模型,考慮單個骨單元受軸向循環(huán)載荷作用,并且考慮了哈佛氏管中血壓振蕩的影響,將骨單元中的孔隙液體壓力和流體流動速度與血壓聯(lián)系了起來,這是本論文的一個創(chuàng)新點。固體骨架看作是橫觀各向同性的多孔材料,而且固體基質(zhì)和間隙液體都被看作是可壓縮的,應用多孔介質(zhì)彈性理論,分析了骨單元中的孔隙液體壓力分布和流體流動速度。得到了骨單元中的孔隙液體壓力和流體流動速度的解析解,并分析了軸向應變幅值、軸向載荷頻率和滲透率等參數(shù)對孔隙液體壓力和流體流動速度的影響。研究了當單個的骨單元受外部的循環(huán)軸向荷載和血壓共同作用時骨小管內(nèi)的流體流動特點、流體的剪應力和骨小管中的電場分布及流動電勢。在本論文中創(chuàng)新性的考慮了骨小管中的骨細胞以及電粘性效應,而且還創(chuàng)新性的研究了骨細胞突起表面所受的流體剪應力。在骨小管這個微管系統(tǒng)中可以將骨小管中的液體看作是不可壓縮的,然后基于不可壓縮流體的納維-斯托克斯方程,我們得到了骨小管內(nèi)液體的流動速度分布、流體剪應力分布和骨小管中的電場分布及流動電勢,并且研究了軸向應變幅值、軸向載荷頻率、血壓幅值、血壓頻率和滲透率等參數(shù)對骨小管內(nèi)的流體流動速度、流體剪應力和骨小管中的電場分布及流動電勢的影響。根據(jù)電場和流體的控制方程,采用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics,通過COMSOL中的MEMS模塊建立多物理場模型,選擇計算了一種松質(zhì)骨細觀模型在一定壓力驅(qū)動下產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)流動電勢,并且分析了壓力、Zeta電勢、離子數(shù)濃度等參數(shù)對該模型流動電勢的影響。依照松質(zhì)骨的四種細觀結構,通過3D打印機打印出放大尺寸的模型,打印材料為PLA。然后利用落錘沖擊實驗研究了不同微觀結構的松質(zhì)骨結構模型在沖擊荷載作用下的動態(tài)力學性能。并且用高速攝影機記錄了不同模型受沖擊力作用時的破壞特點。
【關鍵詞】：骨 骨單元 多孔介質(zhì)彈性理論 流體剪應力 流動電勢 動態(tài)力學特性
【學位授予單位】：暨南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：R68;R318.01
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-20
• 1.1 本文的研究背景及意義10-13
• 1.2 國內(nèi)外研究進展綜述13-17
• 1.2.1 骨的力電特性研究進展綜述13-16
• 1.2.2 松質(zhì)骨力學性能的研究進展綜述16-17
• 1.3 本文研究內(nèi)容17-18
• 1.4 本文的創(chuàng)新點18-20
• 第二章 骨單元中的孔隙液體壓力和流體速度20-62
• 2.1 引言20-21
• 2.2 骨的微觀結構21-23
• 2.2.1 密質(zhì)骨的微觀結構21-22
• 2.2.2 松質(zhì)骨的微觀結構22-23
• 2.3 骨單元理論模型的建立23-27
• 2.4 模型的求解27-39
• 2.5 數(shù)值參量39-40
• 2.6 結果和討論40-62
• 2.6.1 兩種不同邊界條件下的孔隙液體壓力和流體速度40-43
• 2.6.2 軸向應變幅值對骨單元中孔隙液體壓力和流體速度的影響43-45
• 2.6.3 軸向載荷頻率對骨單元中孔隙液體壓力和流體速度的影響45-48
• 2.6.4 血壓幅值對骨單元中孔隙液體壓力和流體速度的影響48-50
• 2.6.5 血壓頻率對骨單元中孔隙液體壓力和流體速度的影響50-53
• 2.6.6 滲透率對骨單元中孔隙液體壓力和流體速度的影響53-55
• 2.6.7 孔隙率對骨單元中孔隙液體壓力和流體速度的影響55-58
• 2.6.8 骨單元中孔隙液體壓力和流體速度隨時間的變化58-62
• 第三章骨小管中的流體剪應力和流動電勢62-104
• 3.1 引言62-63
• 3.2 骨的力電效應機理63-68
• 3.2.1 骨的壓電效應機理63-65
• 3.2.2 骨的動電效應機理65-68
• 3.3 控制方程及邊界條件68-71
• 3.4 方程的求解71-79
• 3.4.1 不考慮電粘性效應方程的求解73-76
• 3.4.2 考慮電粘性效應方程的求解76-79
• 3.5 數(shù)值參量79-80
• 3.6 結果和討論80-104
• 3.6.1 電粘性效應對骨小管中液體流動和流動電勢的影響80-83
• 3.6.2 骨小管中的液體流動特點和電場分布83-87
• 3.6.3 軸向應變幅值對骨小管中液體流動和流動電勢的影響87-91
• 3.6.4 軸向載荷頻率對骨小管中液體流動和流動電勢的影響91-94
• 3.6.5 血壓幅值對骨小管中液體流動和流動電勢的影響94-97
• 3.6.6 血壓頻率對骨小管中液體流動和流動電勢的影響97-99
• 3.6.7 滲透率對骨小管中液體流動和流動電勢的影響99-104
• 第四章 松質(zhì)骨中流動電勢的數(shù)值模擬104-116
• 4.1 引言104-105
• 4.2 松質(zhì)骨的細觀結構模型105-106
• 4.3 松質(zhì)骨中流動電勢的控制方程及邊界條件106-108
• 4.3.1 Poisson-Boltzmann方程106-107
• 4.3.2 Navier-Stokes方程107-108
• 4.3.3 邊界條件108
• 4.4 數(shù)值模擬結果108-113
• 4.4.1 模型3的流動電勢109-111
• 4.4.2 壓力、離子濃度、zeta電勢對模型3的流動電勢的影響111-113
• 4.5 討論113
• 4.6 結論113-116
• 第五章 松質(zhì)骨結構在沖擊荷載作用下的動態(tài)力學特性116-128
• 5.1 引言116-117
• 5.2 試件材料及尺寸117-120
• 5.3 實驗儀器及實驗方法120-122
• 5.4 實驗結果和分析122-127
• 5.5 結論127-128
• 第六章 總結與展望128-130
• 6.1 總結128-129
• 6.2 展望129-130
• 參考文獻130-144
• 攻讀博士學位期間發(fā)表學術論文情況144-146
• 致謝146

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李德源,劉占芳,張湘?zhèn)?松質(zhì)骨一維動電效應分析[J];重慶大學學報(自然科學版);2000年S1期

2 李德源,劉占芳,張湘?zhèn)?骨組織流動電勢數(shù)值分析[J];重慶大學學報(自然科學版);2001年02期

3 李德源,陳海斌;松質(zhì)骨粘彈性的數(shù)值分析[J];重慶大學學報(自然科學版);2001年04期

4 吳文周,孫玨;人體膝關節(jié)應力場分析[J];固體力學學報;1981年03期

5 方芳;王t

本文編號：338804