發(fā)布時間：2018-11-08 13:15

【摘要】：骨骼作為人體最重要的支撐部分,生物進化賦予其良好的剛度和韌性,而這些都歸功于其特殊的生物活性和高度有序的微結(jié)構(gòu)特征。綜合考慮骨組織在不同尺度下的微結(jié)構(gòu)特征和生物活性物質(zhì)的組成方式,研究其對骨組織力學(xué)行為的影響具有明顯的實際意義。研究結(jié)果不僅可以深化對骨組織天然生物材料的科學(xué)認識,而且對指導(dǎo)人體骨組織修復(fù)以及人工骨材料的開發(fā)和應(yīng)用有重大意義。本論文首先試驗研究水分對離體骨組織生物摩擦學(xué)行為的影響和損傷機理,然后建立多尺度有限元模型,模擬實際工況下水分對骨組織應(yīng)力分布的影響。此外,建立了納米尺度下三維礦化膠原纖維有限元模型和微觀尺度下單個密質(zhì)骨骨板的RVE有限元模型。研究膠原相和礦物相的體積分數(shù)和交聯(lián)鍵數(shù)量對微纖維的力學(xué)性能的影響,探討礦物晶體尺寸、排列組合方式和界面類型對骨板力學(xué)性能和失效強度的影響。主要結(jié)論如下:(1)水分會影響骨組織的生物摩擦學(xué)行為:骨組織樣品在新鮮狀態(tài)下有很好的摩擦磨損性能,塑性和韌性均良好,磨屑黏性較強,其主要磨損機制為粘著磨損;失水后骨組織表面硬化,磨屑出現(xiàn)粉末化現(xiàn)象且易于排出,其摩擦學(xué)性能明顯下降。(2)多尺度有限元分析表明:隨著載荷的增大,應(yīng)力集中區(qū)域逐漸擴大,哈佛氏管、同心骨板和間骨板組織處均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力的劇烈變化和不停的變形更易致使骨組織裂紋的萌生和擴展,并最終導(dǎo)致骨組織的剝落和磨損。細觀尺度下,干燥削弱了骨板介質(zhì)對應(yīng)力的吸收和打斷作用,誘發(fā)孔隙損傷向內(nèi)部延伸,使磨損加劇。微觀尺度下,骨小管的孔壁附近均有較大的應(yīng)力和應(yīng)力梯度,尤其是骨陷窩和骨小管交叉處有明顯的應(yīng)力集中。干燥后組織硬化,孔隙率上升導(dǎo)致骨組織的高應(yīng)力狀態(tài),更易發(fā)生損傷,加劇磨損現(xiàn)象。(3)拉伸應(yīng)變載荷下,礦化程度越高,礦化膠原微纖維非線性趨勢越明顯。一方面,膠原相的引入增大了微纖維的整體韌性,使其在相對較高的應(yīng)變載荷下才完全失效,一旦原膠原分子受水分影響收縮,將直接影響整體剛度和失效行為;另一方面,交聯(lián)鍵可以增強整體力學(xué)性能,但容易造成骨組織的脆性破壞。隨著膠原相體積分數(shù)的減少,交聯(lián)鍵對整體力學(xué)性能影響更大,但當交聯(lián)鍵數(shù)量大于30以后,整體的力學(xué)性能對其數(shù)量不再敏感。(4)礦物晶體的尺寸和其空間排列組合方式對骨板整體的力學(xué)性能有很大的影響:晶體長度的增加會導(dǎo)致骨組織剛度的上升并且有利于提高整體的拉伸屈服強度;空間取向的差異影響了骨板在各方向的力學(xué)性能;相鄰晶體長度方向的間距對整體剛度的影響較小,而其寬度方向上間距的影響較明顯。計算結(jié)果表明,礦物相和膠原相剛度的差異導(dǎo)致兩者變形量的不同,這是引發(fā)相鄰界面分層與脫離直至失效的重要原因;界面類型的不同很大程度的改變了密質(zhì)骨骨板的拉伸屈服強度和韌性,但是對整體剛度的影響并不明顯。
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【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：R318.08

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 李剛;夏和桃;;應(yīng)力與骨組織再生的生物學(xué)和生物力學(xué)基礎(chǔ)[J];中華創(chuàng)傷骨科雜志;2013年10期

2 劉娟;沈火明;蔡振兵;朱e，

本文編號：2318605