【摘要】：消化道是人體主要的消化吸收器官,隨著環(huán)境污染加劇、工業(yè)生產(chǎn)的加快、飲食結(jié)構(gòu)的改變,食道癌、腸道腫瘤等消化道疾病發(fā)病率逐年增加。消化內(nèi)鏡檢查是消化道疾病診斷、治療的重要手段,內(nèi)插式內(nèi)鏡需要借助外力推入人體內(nèi)病人承受巨大痛苦甚至造成咽喉擦傷、食道黏膜層撕裂、腸胃穿孔等并發(fā)癥。膠囊式內(nèi)鏡吞服后靠蠕動(dòng)進(jìn)入人體內(nèi),但存在電量供應(yīng)不足、無(wú)法定位、運(yùn)動(dòng)不能控制、體內(nèi)停滯等問(wèn)題。主動(dòng)式微機(jī)器人在順滑消化道內(nèi)自主行走必須要有足夠大的摩擦力,才能為其運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力。因此,開(kāi)展消化道的生物摩擦學(xué)研究,為解決消化道組織擦傷、膠囊滯留、微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式控制以及內(nèi)鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論研究意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。 本文以家兔消化道為研究對(duì)象,通過(guò)表征其內(nèi)表面微結(jié)構(gòu)、蠕動(dòng)時(shí)內(nèi)表面形貌變化、力學(xué)性能、腸黏液潤(rùn)滑性和流變性,采用邊界潤(rùn)滑理論探索摩擦力變化機(jī)理。將腸蠕動(dòng)簡(jiǎn)化為正弦波,采用薄殼理論、邊界潤(rùn)滑理論和五元粘彈性模型建立摩擦力預(yù)測(cè)模型。采用Matlab模擬出在腸蠕動(dòng)條件下,腸道粘彈性變形、腸黏液、內(nèi)鏡尺寸、材料與摩擦力的關(guān)系,為無(wú)損診斷內(nèi)鏡的設(shè)計(jì)奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)推動(dòng)醫(yī)用微機(jī)器人的研制。 摩擦學(xué)中表面形貌是影響其摩擦性能的重要因素,本文采用環(huán)境掃描電鏡對(duì)家兔整個(gè)消化道內(nèi)表面的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,結(jié)果表明食道、胃、小腸、大腸內(nèi)表面結(jié)構(gòu)差異很大。食道內(nèi)表面沿環(huán)向分布著不連續(xù)的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu),小腸內(nèi)表面分布著皺襞、絨毛和微絨毛,并且不同腸段絨毛的形狀和稀疏程度均不同,胃內(nèi)表面分布著皺襞和胃小凹,大腸與小腸不同沒(méi)有絨毛。 摩擦學(xué)中除了表面形貌外,表面的物理、化學(xué)和力學(xué)性能對(duì)摩擦性能影響也很大。本文采用微摩擦儀和流變儀對(duì)腸黏液的流變性、潤(rùn)滑性進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明腸黏液為非牛頓流體具有剪切稀化性,隨著剪切率增大粘度降低并趨于一常數(shù),變?yōu)榕ｎD流體。分析認(rèn)為是腸黏液中的蛋白大分子受到破壞造成的；PDMS塑料薄膜在干摩擦、去離子水、腸黏液條件下摩擦,腸黏液使摩擦系數(shù)降低到10-2數(shù)量級(jí)腸黏液具有良好的潤(rùn)滑性,分析認(rèn)為腸黏液中的磷脂層具有疏水性覆蓋在彈性凝膠層上,可降低吸附力起到滑移減阻的作用。采用微電子拉伸儀對(duì)食道、氣管、小腸、大腸進(jìn)行了軸向和環(huán)向拉伸,結(jié)果表明食道、氣管、小腸、大腸的力學(xué)性能不同,并且都是各向異性材料,環(huán)向伸長(zhǎng)比大于軸向伸長(zhǎng)比,提出了消化道黏膜層的微結(jié)構(gòu)是影響其力學(xué)性能的重要因素。 設(shè)計(jì)了一種新的測(cè)試方法能排除粘彈性變形的影響,測(cè)試腸道表面形貌的變化與摩擦性能的變化規(guī)律。該測(cè)試方法制造了五個(gè)直徑不同的半圓柱體,依次比被測(cè)5個(gè)樣品直徑增大0%,20%,40%,60%,80%,將腸道內(nèi)表面朝外套在半圓柱體上,使5個(gè)腸段環(huán)向應(yīng)變率依次為0%,10%,20%,30%,40%,然后測(cè)不同應(yīng)變條件下摩擦系數(shù)的變化,結(jié)果表明：當(dāng)環(huán)向應(yīng)變率小于10%,隨著速度和載荷的增大摩擦系數(shù)上下波動(dòng)較小基本不變；當(dāng)環(huán)向應(yīng)變率大于10%,隨著速度和載荷的增大摩擦系數(shù)上下波動(dòng)較大,增幅明顯。提出了摩擦系數(shù)變化的機(jī)理：當(dāng)腸道環(huán)向應(yīng)變率小于10%,潤(rùn)滑形式為混合潤(rùn)滑；環(huán)向應(yīng)變率大于10%,潤(rùn)滑形式轉(zhuǎn)化為邊界潤(rùn)滑。 建立了腸道產(chǎn)生粘彈性變形和不產(chǎn)生粘彈性變形時(shí)的兩種摩擦力預(yù)測(cè)模型,并采用Matlab進(jìn)行了數(shù)值模擬。第一種模型利用薄殼理論和腸道粘彈性變形模型建立腸道蠕動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型,將蠕動(dòng)波簡(jiǎn)化為正弦波,利用五元粘彈性模型和基本摩擦定律推導(dǎo)出摩擦力計(jì)算表達(dá)式。第二種模型考慮了內(nèi)鏡微型化后,不受腸道粘彈性變形影響僅由內(nèi)表面形貌和物理化學(xué)性質(zhì)決定,采用邊界潤(rùn)滑理論和分形理論推導(dǎo)出了摩擦力計(jì)算表達(dá)式。仿真結(jié)果表明：有蠕動(dòng)比沒(méi)有蠕動(dòng)時(shí)膠囊產(chǎn)生的摩擦力大；摩擦力隨著膠囊內(nèi)鏡半徑、長(zhǎng)度、速度增大而增大；半徑比長(zhǎng)度產(chǎn)生的摩擦力增量大；前進(jìn)端與驅(qū)動(dòng)端接觸角產(chǎn)生的摩擦力增量相當(dāng),相同的接觸角前進(jìn)端比驅(qū)動(dòng)端產(chǎn)生的摩擦力大,重力產(chǎn)生的摩擦力可以忽略不計(jì)。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：R318.01

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2543544