多孔生物陶瓷与PVA水凝胶复合材料的制备与力学性能分析
摘要： 目的 将多孔生物陶瓷和聚乙烯醇(PVA)水凝胶交联成为一个仿生软骨-硬关节双层结构,并对该结构的微观形貌和力学性能进行分析.方法 以羟基磷灰石(HA)为基体,采用添加碳酸氢铵( NH4HCO3)晶粒造孔的方式制备不同孔隙率的多孔羟基磷灰石生物陶瓷,以聚乙烯醇(PVA)为主要原料,环氧丙烷为交联剂,在多孔生物陶瓷表面及基体内交联制备出PVA水凝胶形成双层结构,对试样的断口形貌进行表征,对试样的拉伸强度和剪切强度等性能进行测试分析.结果 交联的PVA水凝胶可以渗入到生物陶瓷基体表层以下的孔隙中,并且陶瓷基体和PVA水凝胶有很好的结合.随着多孔生物陶瓷孔隙率的增大,试样的大拉伸和剪切负载均增大,平均孔隙率为70％试样的大拉伸和剪切负载分别为153.61N和64.46 N;而相应的拉伸和剪切强度略有下降,平均孔隙率为30％试样对应的大拉伸和剪切强度分别为2.12 Mpa和1.13 Mpa.两者的失效形式均是因为裂纹的扩展,断口的微观形貌表明,断裂面存在明显的裂纹和内部缺陷,同时可观察出裂纹源和扩展方向.结论 考虑到多孔生物陶瓷基体的强度,平均孔隙率为50％的多孔生物陶瓷的渗入效果适中,试样的拉伸强度和剪切强度、多孔生物陶瓷基体的压缩强度也有一定的保证,选择孔隙率为50％的试样较为合适.
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接骨板不同螺钉布局下骨愈合过程有限元分析
目的 探究螺钉布局方式对骨愈合的影响,为相关的骨折治疗提供基础.方法 采用有限元方法研究不同螺钉布局方式下骨愈合过程;采用骨折块应变理论(interfragmentary strain theory,IFS)模拟骨痂的生长变化过程;利用Python语言对ABAQUS进行二次开发,使得迭代过程中骨痂所划分的每个单元都根据IFS理论更新弹性模量,从而模拟骨折愈合过程.结果 不同数量螺钉对骨愈合过程的影响小于不同接骨板工作长度对骨愈合过程的影响;稳定固定的前提下,接骨板工作长度一定时,螺钉数量变化对接骨板或螺钉的应力影响较小;接骨板工作长度不同,对接骨板及螺钉的应力影响较大,且工作长度变化对螺钉上应力变化的影响大于对接骨板的影响.结论 相较于螺钉数量,对于接骨板工作的长度应着重考虑,应当遵循在保证内固定系统稳定的前提下,减少接骨板上的螺钉数量,并对接骨板工作长度的选择进行恰当的选择.
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锁骨骨折单肩气囊外固定器的力学分析
目的 针对传统外固定器存在的问题,发明一种新型的单肩气囊外固定器,分析评价该新型单肩气囊外固定器所产生的复位拉伸力.方法 建立人体锁骨的三维有限元模型,对单肩气囊外固定器的加载状况及所产生的复位拉伸力进行全面系统分析,并与传统“8”字绷带外固定器的情况进行对比分析.同时,通过观察实验,对比分析单肩气囊外固定器和传统“8”字绷带外固定器的实际加载情况.结果 单肩气囊外固定器所产生的复位拉伸力比传统外固定器更均匀而且较大,并可由患者自己调节.结论 单肩气囊外固定器对人体肩部的作用力及加载方式更加利于锁骨骨折的拉伸复位和维持锁骨骨折复位位置,而且使得锁骨骨折患者更加舒适.
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中耳结构动力响应对不同病理圆窗封闭的反馈
目的 研究耳蜗圆窗病变对中耳结构力学行为的影响.方法 依据临床健康志愿者右耳CT扫描结果,将CT扫描数据数值化导入PATRAN软件进行人耳三维有限元模型重建,并应用NASTRAN软件进行流固耦合频率响应分析,通过数值模拟方法探讨中耳结构动力响应对内耳耳蜗圆窗病变的反馈.结果 硬化症导致的圆窗封闭比先天性圆窗封闭使镫骨振幅下降更多,大达到30.2 dB,且后者不会对镫骨振动速度产生明显影响.相位角方面,硬化症情况下镫骨和圆窗均多产生90°变化,且两者保持180°差值;而先天性圆窗封闭情况下镫骨大有270°变化,同时圆窗相位角变化消失.结论 基于振幅、速度和相位角,镫骨动力行为会对先天性和硬化症导致的圆窗封闭形成不同的反馈表现,研究结果可为未来临床上诊断及修复圆窗病变提供理论支撑.
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不同康复训练方法对术后拇外翻第1跖列的生物力学影响
目的 研究拇外翻术后不同康复训练对第1跖列的生物力学影响.方法 通过拇外翻医学影像数据建立完整的足部三维有限元模型,此模型包括骨骼、籽骨、软骨、韧带、软组织、跟腱等结构.模拟分析拇外翻患者术后被动跖屈和背屈、主动跖屈和背屈、站立位对截骨远端的生物力学影响.结果 被动训练情况下,截骨远端截骨面的应力分布较均匀,且峰值(7.78 MPa)较站立位和主动训练时大;被动训练时的大位移量(0.98 mm)在前后方向上大于站立位(0.69 mm)和主动训练(0.38 mm)的位移量.结论 被动训练可促进截骨面的接触,并减少截骨端的愈合时间,有利于术后拇外翻患者的康复.
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高纯镁在体内定量载荷下的降解行为
目的 定量研究力学载荷对高纯镁在体内降解的影响.方法 将直径2 mm、长14 mm的圆柱状高纯镁(99.99 wt.％)试件装配到聚醚醚酮(PEEK)制成的圆环上.PEEK环可使镁试件分别处于3种应力状态:无应力、压应力[(6.2±0.6)MPa]和拉应力[(4.6±0.1)MPa].将不同应力状态的试件植入SD大鼠背部皮下4周后取出.通过试件失重、剩余体积、表面形貌和周围软组织染色分析高纯镁的降解行为.结果 植入大鼠皮下的高纯镁试件均出现降解,并且被胶原纤维囊包裹.受到压、拉应力的试件与无应力试件在失重和剩余体积上无显著差别.在各应力状态下的试件都趋于均匀腐蚀.结论 在体内皮下环境中,PEEK环对高纯镁施加4～6 MPa压、拉应力对高纯镁降解行为无明显影响.研究结果为镁基可降解植入物的设计与临床应用提供理论依据.
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密质骨各向异性性质的力学实验及细观分析
目的 研究牛股骨密质骨的微观结构特征与其力学行为间的关系.方法 对牛股骨密质骨纵向和横向试样分别进行压缩实验;对破坏后的纵向和横向试样进行断裂路径、断裂表面微结构特征观察;基于复合材料细观力学的理论,分析密质骨中骨单元方向对骨纵向和横向弹性模量及断裂极限强度的影响.结果 纵向试样的压缩弹性模量和断裂极限强度均明显大于横向试样的压缩弹性模量和断裂极限强度;纵向试样的断裂路径与加载方向近似为0°,且比较平直,而横向试样的断裂路径与加载方向近似为45°,且比较曲折;纵向试样断面中存在许多与加载方向平行的条状结构,断面较为光滑,而横向试样断面存在许多圆弧形凹坑或凸起,断面较为粗糙.结论 牛股骨密质骨具有各向异性的力学性质,其各向异性力学性质与骨单元方向密切相关.
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拦阻着舰过程中不同百分位人体颈部损伤风险的差异对比
目的 对比拦阻着舰过程中不同百分位人体颈部损伤风险的差异.方法 利用已建立的人椅背带系统动力学模型和头颈部力学模型,采用文献中典型拦阻着舰过程座椅底部的加速度曲线作为输入条件,开展数值仿真,验证模型的正确性,并得到假人颈部各关节的轴向力、剪切力和弯矩等力学参数.结果 第95百分位假人的剪切损伤Nkm指数高于第5百分位假人.假人上、下部颈椎的Nij指数小于0.2,Nkm指数约为0.65.结论 在拦阻着舰过程中,人体颈部更容易产生由于关节剪切力导致的损伤.研究结果可为评估不同百分位人体在典型拦阻着舰过程中的颈部损伤风险提供数据支持.
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仿骨小梁力学性能的多孔结构拓扑优化设计
目的 基于动物骨小梁结构设计多孔植入物,阐述骨小梁结构的力学性能特点,说明使用仿骨小梁多孔结构植入物在临床治疗中的重要意义.方法 基于动物骨小梁结构的各向异性力学性能,利用拓扑优化技术进行多孔结构设计.根据骨功能原理提出分区、分块重建原则,利用Micro-CT图像重建动物骨小梁模型结构;根据代表体元法对模型施加边界约束和外载荷,以求解的力学性能作为优化的目标函数,利用拓扑优化中的变密度法和均匀化方法进行多孔结构设计及优化.结果 骨小梁结构具有各向异性的力学特点.求解发现,松质骨的体积分数在同一截面的边缘到中间主压力位置呈现递增趋势;泊松比无明显变化规律,均匀分布在0.17 ～0.30之间;而弹性模量和剪切模量在松质骨主压力位置明显大于其他位置;基于上述结果进行拓扑优化设计,结果显示,优化后模型的泊松比分布在0.17 ～0.30,弹性模量误差在14％以下,小的仅为3％,剪切模量误差范围在8％以下,基本符合初的设计目标.结论 利用拓扑优化方法设计的多孔结构具有与动物松质骨相同的各向异性特点,同时减少应力集中现象,可以实现特定性能的多孔结构设计,为后续设计临床应用的多孔植入物提供一种合理有效的方法.
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人工关节磨损颗粒的分形表征及分类特征分析
目的 研究膝关节模拟实验条件下超高分子量粜乙烯(UHMWPE)磨损颗粒的形态及分形表征,对磨损颗粒进行分类特征分析,探讨分形维数与磨损状态的相关性.方法 采用膝关节模拟器以实现模拟膝关节磨损运动,股骨、衬垫分别选用医用锻造CoCrMo合金和UHMWPE.磨损颗粒提取依据标准ISO 17853进行,利用磨粒轮廓自动提取与分形识别系统对磨损颗粒进行分形分析,采用网格划分、聚类分析和遗传模拟退火算法3种模型对磨粒进行分类识别.结果 UHMWPE单体磨粒的分形特征明显,尺寸较大的条形磨屑过渡到尺寸较小的类球形磨粒时,雷达分形维数不断减小,球状磨粒的分形维数D接近0.遗传模拟退火算法模型磨粒群体分类划分的分形维数内加权误差平方和小,聚类特征明显.当磨损运行周期较低时,分形维数较大的条状、针叶状和纤维状磨粒占比较大,磨损以犁沟和剥落磨损为主;随磨损周期的延长,大分形维数磨粒占比下降,低分形维数的片状、块状和类球状磨粒占比上升,磨损向疲劳磨损和黏着磨损转变,磨损状态过渡到复合磨损期.当进入稳定磨损期后,各类形态磨粒的占比例变化不大.由于小尺寸磨粒的数量增加,群体分形维数有所减小.结论 以改进雷达图分形方法为基础的磨粒轮廓自动提取与分形识别系统,可用于人工关节磨损颗粒的形态轮廓提取、分形维数计算和参数统计,为人工关节磨粒的识别和诊断提供新的数字化分析工具.
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膜单元与弹簧单元模拟韧带损伤的生物力学响应
目的 对比分析膜单元与弹簧单元对颈部韧带生物力学响应的影响.方法 基于现有的6岁儿童颈部有限元模型,将其中的韧带分别用膜与弹簧两种单元类型模拟,进行儿童颈椎C4～5椎段动态拉伸实验和全颈椎拉伸实验.同时采用膜单元模型进行弯曲仿真试验,并分析仿真效果.结果 在C4～5椎段动态拉伸实验中,膜单元仿真与弹簧单元仿真终失效力分别为1 207、842 N,与尸体实验分别相差0.6％、30.6％;在全颈椎拉伸实验中,膜单元仿真峰值力与尸体实验相差1.8％,弹簧单元仿真峰值力为484 N,与尸体实验相差较大.膜单元弯曲试验仿真效果良好.结论 弹簧单元在模拟受力方面存在一定局限性,而膜单元具有较高的生物仿真度,更能体现韧带的生物力学响应.
