皮質(zhì)骨是生物力學(xué)研究的重要領(lǐng)域。了解皮質(zhì)骨在使用狀態(tài)下的力學(xué)性能和微觀失效機理是預(yù)防骨破壞的必要前提,有助于骨組織修復(fù)工程的發(fā)展和基于皮質(zhì)骨的仿生材料設(shè)計。隨著力學(xué)性能測試方法（多載荷耦合加載、納米壓痕技術(shù)）和微觀表征手段（高分辨透射電鏡、能譜衍射）的進步,基于上述技術(shù)的皮質(zhì)骨的斷裂機制和變形行為已經(jīng)取得了很大的進展。在微米尺度下,作為典型的連續(xù)管狀系統(tǒng),哈弗氏管可以顯著影響不同方向皮質(zhì)骨的各向異性,但是目前關(guān)于哈弗氏管位置和分布對抗壓強度和斷裂機理的研究很少被提及。而在亞微米尺度下,皮質(zhì)骨內(nèi)部膠原纖維和羥基磷灰石顆粒的取向及分布對皮質(zhì)骨抗壓強度和斷裂機制有重要的影響,但是目前,皮質(zhì)骨的尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的力學(xué)性能與失效機理的變化對骨組織失效、納米顆粒的磨損失效的研究較少。因此,本文開展了以下三方面的研究:1.利用小型化水平原位壓縮試驗機,研究了溫度和試樣取向?qū)嚎s強度和斷口形貌的影響。這里研究了基于取樣角為0攝氏度和38.5攝氏度的五個皮質(zhì)骨試樣的斷裂強度和壓縮應(yīng)變。研究發(fā)現(xiàn)斷裂強度和壓縮應(yīng)變的顯著差異表明皮質(zhì)骨對溫度敏感,通過掃描電鏡等表征技術(shù)對斷口形貌開展可進一步的分析�；贛icro... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

皮質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)組成

第一章緒論5從微米到毫米級別強度和韌性的尺寸效應(yīng)[9]。研究表明，宏觀尺度上皮質(zhì)骨的能量耗散有兩個同時存在的機理，分別是材料的分彈性變形和損傷。如圖1.3所示，在微尺度壓縮實驗中，55%的試樣產(chǎn)生了剪切面失效，25%是邊緣位置迅速破壞導(dǎo)致的失效，15%是軸向劈裂導(dǎo)致的失效，另外5%是因為實驗操作故障，故不做統(tǒng)計分析。其中在剪切面位置處存在三種增韌機理分別是：獨立的纖維橋接、韌帶橋接和裂紋偏轉(zhuǎn)。在壓縮載荷作用下納米粒子摩擦?xí)r候骨初始階段非彈性變形抗力的主要影響因素，并且在微柱壓縮中發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)試樣的硬度隨著屈服強度的增加而增加，但是沒有分析清楚深層次這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。該技術(shù)的應(yīng)用使得對皮質(zhì)骨壓縮載荷作用下斷裂性能的研究擴展到了微觀尺度[57-59]。圖1.3微柱及宏觀試樣沿著軸向和截面方向失效圖。（a）軸向微柱壓縮三種失效模式；(b)截面方向微柱壓縮三種失效模式；(c)與微柱對應(yīng)的宏觀試樣壓縮；(d)三種增韌機理對裂紋的影響材料微納尺度上表現(xiàn)出了與宏觀尺度完全不同的力學(xué)性能。微柱壓縮實驗是獲取微納米材料力學(xué)性能的主要方法[60-61]。研究人員對尺寸效應(yīng)”的產(chǎn)生機制開展了廣泛的研究[62-65]。針對所有的研究，金屬材料都表現(xiàn)出越小越的特點[66]。為了解釋這種金屬材料的尺度效應(yīng)，提出了如“位錯饑餓模型”[67]等物理學(xué)模型。1.3本文研究內(nèi)容雖然現(xiàn)有的研究取得了較大的進展，但是現(xiàn)有研究集中在皮質(zhì)骨周向表面斷裂特性方面，關(guān)于徑向表面的斷裂力學(xué)特點和斷裂路徑預(yù)測的研究較少。作為典

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文8的慢壓縮速率加載，壓縮速率為1μm/s。表1實驗測試裝置的參數(shù)壓縮載荷（N）加載行程（mm）壓縮速率（mm/s）溫度區(qū)間（℃）2000810-3-10-50-90通過合理地結(jié)構(gòu)改變，微型水平原位拉伸/壓縮測試儀，包括體內(nèi)溶液環(huán)境，溫度控制單元，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮負(fù)載和與光學(xué)顯微鏡的兼容性在內(nèi)的功能已經(jīng)得到了全面的融合、集成。如圖2.1所示，將皮質(zhì)骨試樣放在一對帶有對稱方槽的支撐柱上，可以保證在壓縮過程中單軸對齊。支撐柱穿透溶液容器的內(nèi)壁并牢固地連接到夾具。一對鎖環(huán)用于定位支撐柱，并且支撐環(huán)和壓縮夾具之間的間隙填充有耐熱密封劑。裝有林格氏液的容器底部放置在水浴中，水浴槽與一組平行布置的陶瓷加熱棒整合在一起，以調(diào)節(jié)水溫并進一步建立近似的體內(nèi)環(huán)境。結(jié)合由行星減速器和具有大減速比的二級蝸輪組成的減速機構(gòu)，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)變速率可低至10-5/s。如圖2.2所示，試樣放置在對稱方形槽的一對圓柱狀夾具上，這可以保證壓縮過程中的單軸對準(zhǔn)。將盛有林格氏溶液的容器底部置于水浴槽中，水浴槽與一組陶瓷加熱棒集成以調(diào)節(jié)溫度。同時，利用高景深的立體顯微鏡（Nikon，SMZ-745），可以實時監(jiān)測預(yù)制缺陷的變形行為。圖2.1集成溫度控制單元和林格氏液的小型化單軸壓縮裝置

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
[1]密質(zhì)骨多級微結(jié)構(gòu)的強韌機理[D]. 張智凌.重慶大學(xué) 2014
[2]松質(zhì)骨的粘彈性力學(xué)特性分析[D]. 劉慶.暨南大學(xué) 2013
[3]人牙縱剖面牙釉質(zhì)納米劃痕損傷及其再礦化修復(fù)研究[D]. 鄭上堯.西南交通大學(xué) 2011



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