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人牙本质断裂力学行为的研究
目的 探索人牙本质断裂力学性能与水分的关系,以及裂纹在牙本质中扩展的机制.方法 采用A组(15～35岁)和B组(55～85岁)第三磨牙制作牙本质紧凑拉伸试件各5个,应用微细观数字图像相关法,测量保持水分状态下和脱水后试件表面的变形场,利用裂纹稳态扩展的方法研究牙本质的断裂力学行为.结果 在保持水分状态下牙本质呈现出类似于黏弹性材料的特性,脱水后牙本质变脆.裂纹扩展时存在牙体组织未断开和裂尖钝化等现象.牙本质的断裂韧性为1.10～1.65 Mpa·m0.5,B组断裂韧性[(1.23±0.13)Mpa·m0.5]比A组[(1.45±0.20)Mpa·m0.5]低.结论 牙本质断裂力学性能与水分联系紧密;牙本质有阻止裂纹扩展的能力,随年龄增加,牙本质的断裂力学性能呈下降趋势.
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数字图像相关技术在生物力学方面的研究进展
数字图像相关(DIC)技术是一种在物体变形前后根据物体表面自然或人工制作的散斑场获取物体性能参数的方法,具有测量精度高、处理速度快、对测量环境要求低等一系列优点.文章首先阐述DIC技术在生物组织力学性能测试的应用,具体综述在牙科、关节软骨和骨相关如植入物、骨盆,以及在软组织、生物材料的力学特性测定应用,并就DIC的算法、设备和散斑制作的发展做分析,并对其发展趋势进行展望.
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关节软骨不同层区的率相关性能研究
目的 采用不同加载速率对关节软骨进行非围限压缩试验,探究其不同层区的率相关性能.方法 采用新鲜猪关节软骨作为研究对象,结合非接触式数字图像相关技术,测试不同加载率下软骨不同层区的力学性能.结果 在恒定加载率作用下,取相同压缩应力时,软骨浅表层的压缩应变大,深层区压缩应变小,中间层压缩应变鉴于表层与深层之间;沿软骨厚度方向,从浅表层到深层,软骨的泊松比逐渐增大;不同加载率作用下,软骨的压缩应力-应变曲线不重合,说明关节软骨的压缩力学性能具有率相关性;随着加载速率的增大,软骨的弹性模量呈增大的趋势;取相同压缩应力时,加载率越大,不同层区的压缩应变都减小.结论 关节软骨沿厚度方向,从浅表层到深层的压缩应变逐渐减小,泊松比逐渐增大,软骨不同层区的力学性能具有率相关性.实验研究可为临床软骨疾病预防、治疗提供理论依据,同时对人工软骨力学评价具有重要意义.
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滑动载荷作用下关节软骨不同层区的法向位移
目的 获得滑动载荷作用下关节软骨不同层区的法向位移分布,探讨压缩应变、滑动速率和滑动次数对不同软骨深度法向位移的影响.方法 以新鲜猪关节软骨为研究对象,采用非接触式数字图像相关技术,对滑动载荷作用下软骨不同层区的法向位移分布进行研究.结果 滑动载荷作用下,关节软骨表层的法向位移大,深层的法向位移小,中间层的位移介于二者之间;随着压缩应变的增大,沿软骨厚度方向的法向位移都增大,并且表层的法向位移增加幅度大.滑动速率越大,软骨沿厚度方向的法向位移越小.在不同的滑动次数下,法向位移随滑动时间的进行都呈上升趋势;随着滑动次数的增加,不同滑动时间时的法向位移都增大,并且发现从第1次到第2次滑动时法向位移增大明显.结论 滑动载荷作用下,软骨不同层区的法向变形有差异,不同层区的法向位移随着压缩应变、滑动速率和滑动次数的变化而变化.本研究可以为临床软骨疾病治疗和软骨缺损修复等方面提供依据,同时对人工软骨结构组成、人工构建、力学功能评价有重要意义.
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采用镜头套筒进行水下数字图像测量
目的 研究适用于水环境的生物材料力学测试技术.方法 基于数字图像相关法(digital image correlation, DIC)设计独特的镜头套筒,避免水下摄影的畸变,并将该技术应用到鱼鳞的力学性能测试中.结果 水槽平移实验表明:使用镜头套筒可以有效减小水下测量的误差,测试精度可靠.鱼鳞的力学性能测试表明:鱼鳞不同部位的力学性能具有明显差异,而失水后这种差异的显著性降低.结论 设计的镜头套筒能够有效地运用到图像采集系统中,利用DIC技术实现水下生物材料的力学测试.
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组织工程软骨修复软骨缺损区域后的力学特性分析
目的 利用组织工程技术建立体外软骨缺损实验模型,研究修复区人工软骨和宿主软骨的力学特性.方法 采用一种琼脂糖凝胶作为人工软骨,制作猪软骨深层缺损,在缺损处仿临床植入人工软骨,用生物胶黏接,建立组织工程修复膝关节软骨缺损的体外模型；在压缩载荷作用下,通过数字图像相关技术研究组织工程软骨植入缺损后修复区即刻力学行为.结果 压缩过程中界面处没有出现开裂现象,压缩分别为软骨层厚度的3.5％、5.6％、7.04％和9.0％时获得了修复区中间层应变分布图和应变变化曲线.压缩量从3.5％增加到9％时,在垂直软骨面方向上宿主软骨大压应变增加75.9％,人工软骨大拉应变增加226.99％；在平行软骨表面方向,交界面处大拉应变增加116.9％,增加量远高于宿主软骨区和人工软骨区；对于修复区剪应变,随着压缩量增加交界处剪应变方向发生相反的改变.结论 软骨组织工程修复缺损效果有很大的不确定性,这与修复区的力学环境有关.组织工程软骨植入缺损后,修复区受到复杂应变状态,随着压缩量增加,界面处、宿主软骨、人工软骨都发生较大的应变变化,界面处垂直软骨面方向的应变由压应变可转化为拉应变,平行软骨表面方向的拉应变有显著增加,交界处剪应变方向甚至发生了相反的改变,而且剪应力数值迅速增加.这种复杂应变状态造成修复区细胞力学环境的较大变化,还可能引起界面的开裂,影响缺损修复过程,这些力学环境变化应受到临床治疗的重视.
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利用非接触测量技术研究颈椎活动度
目的 颈椎的转动范围较大,传统的数字图像相关(digital image correlation,DIC)算法不能准确测量颈椎的活动度.提出一种改进的DIC算法,可以实现大转角的变形测量.方法 采用一种子区窗口旋转的相关匹配法,通过引入子窗口的旋转角作为一个新的迭代量,和传统的位置参数(x,y)一起进行Newton-Rapshon迭代运算.在初始时只需提供位置和角度的迭代初值,即可求出精确的位移和角度值,同时通过平动和转动实验验证该方法的精度和可靠性.结果 平动实验证实,本文方法与传统的DIC具有相同的效果,位移测量精度在0.5％以内；转动实验证实,本文方法可以测量任意转角的变形,角度误差与旋转量无关,角度误差在0.5°以内.将该方法用于颈椎的压缩实验,准确地测量了颈椎在压缩过程中的活动度.结论 对比传统的DIC,子区窗口旋转的相关匹配法实现了颈椎在各种载荷作用下大范围活动度的测量,为颈椎的生理稳定和生理活动的测量判断提供了有效的方法.
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前牙唇面微观纹理的测量技术研究
目的 开发小尺度三维形貌测试系统,测量前牙唇面的天然纹理特征,为个性化牙齿修复技术提供实用数据.方法 结合体视显微镜及三维数字图像相关方法,研制适用于小尺度物体三维形貌测量的测试系统及软件,评价系统测量精度,测量人体上颌左侧侧切牙唇面的三维形貌特征.结果 在17mm×12 mm的视野范围下,测试系统的精度在面内为0.6 μm,离面为5.4 μm.测得牙列唇面两条横纹的物理尺寸,其中,长横纹深度83 μm,长度5.28 mm;短横纹深度41 μm,长度4.24 mm,两条横纹的间距2.85 mm.结论 小尺度三维形貌测试系统可以精确测量牙唇面的微观纹理特征.
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比较4种CAD/CAM氧化锆抗压强度和断裂模式
目的 通过赫兹触压实验分析比较4种牙科CAD/CAM系统氧化锆材料的抗压强度和断裂模式.方法 制作Cercon smart、Lava、Porcera、CEREC 3共4种CAD/CAM系统氧化锆平板试件各6个.通过赫兹触压实验及数字图像相关法,对各组试件的临界载荷值、破坏载荷值及断裂模式进行分析.结果 平板试件均在饰瓷内部以中位裂纹的形式起裂,以弧形方式传递至核瓷表面,沿饰瓷和核瓷界面分层；4种系统之间临界载荷值差异不具有统计学意义(P＞0.05),破坏载荷值差异具有统计学意义(P＜0.05),其中CEREC 3系统高.结论 4种CAD/CAM系统氧化锆材料抗压强度能基本满足临床运用中口内大咬合力的需要；其破坏模式相似,出现微裂纹及完全断裂仅发生于饰瓷,饰瓷强度仍需加强.
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体外模拟植入人工髋关节的骨盆外侧面在静态负荷下的变形测量
目的研究三翼臼髋关节假体植入后在静载荷作用下骨盆结合处周围的变形状态.方法用数字图像相关方法对施加载荷前后的骨盆上感兴趣区域的数字图像进行了计算.结果显示了与三翼臼假体结合处的骨盆外侧面应变分布呈现非均匀的复杂应变状态,且随着载荷的增加大应变分布区相应扩展.结论数字图像相关方法是一种较有潜力的非接触全场测量方法,有望在生物力学中得到更多应用.
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高分辨率细胞牵引力频域反演技术
目的 针对经典细胞牵引力反演算法的病态特征,发展基于二维傅立叶空间的高分辨率细胞牵引力反演新技术.方法 根据基底表面位移测量数据和积分核函数在二维傅立叶空间各自的分布特点和规律,探讨牵引力反演过程中出现的反卷积病态现象,构建一套自适应加窗滤波算法来约束反演计算过程中出现的高频噪声放大效应.结果 经典细胞牵引力频域反演算法(Fouriertransform traction cytometry,FTTC)具有明显的反卷积病态特征,特别是在位移采样网格较密情况下,牵引力反演结果极不可靠.利用本文提出的频域滤波方法则能显著削弱位移场高频噪声对于力反演结果的影响.结论 这种细胞牵引力频域反演新方法可有效抑制反问题病态现象的发生,显著提高力场测量的稳定性和空间分辨率.该方法有望在细胞与胞外基质相互作用研究中得到广泛应用.
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数字图像相关技术对烤瓷熔附金属冠破坏形式的研究
目的 研究烤瓷熔附金属冠中央窝受单调递增静态载荷下的裂纹产生和破坏形式.方法 制作两种试件,第一种为烤瓷熔附金属平面试件,在烤瓷面上施加垂直向触压载荷,观察试件的破坏形式;第二种为颊舌向断面试件,即通过中央窝的烤瓷熔附金属冠颊舌向断面试件,在中央窝处沿牙齿的轴向施加触压栽荷,实时记录断面的图像信息,利用数字图像相关技术测量加载过程中的断面变形情况,跟踪裂纹的产生和扩展.结果 在平面试件中可观察到三种破坏形式:脆性破坏形式的锥形裂纹和脆性破坏形式的放射状裂纹,以及类塑性形变区.在断面试件中发现烤瓷熔附金属冠主要以锥形裂纹为破坏形式.结论 根据临床牙冠折裂的好发部位设计了一种新的金瓷冠颊舌向断面试件,模拟金瓷冠在牙争接触下的受力情况,利用数字图像相关技术可直观地观察金瓷冠的瓷层破坏形式,为进一步研究烤瓷熔附金属冠在其它复杂载荷下的破坏机理奠定了基础.
