复合载荷作用下皮质骨材料力学行为与变形机理多尺度试验研究

发布时间：2021-11-17 16:52

　　骨组织是一种具有复杂层级结构的生物复合材料,能够承重、提供生长附着,以及传递载荷实现各种复杂运动,体现了极为重要的作用。然而,现实中骨材料遭受意外伤害的情况日益增多,极大削弱了其力学性能及服役可靠性,给人类生命造成了极大的威胁,同时也增加了社会经济负担。因此,研究骨材料在服役载荷工况下的力学性能及微观层次的潜在变形机理不仅可以对骨材料服役性能预测评估具有重要指导意义,同时能够为不同载荷模式下骨破坏的潜在原因追溯分析以及仿生骨替代材料的微结构设计及组分配比提供理论参考。不同载荷模式诱发不同的骨破坏形式,因此骨材料力学响应及破坏机理也不尽相同。基于当前骨力学性能研究多集中于单一载荷模式及宏观尺度,无法客观揭示其实际服役载荷工况下的力学响应,因此本文提出复合载荷模式下骨力学性能测试及变形机理多尺度研究新思路。本文的主要研究工作如下:（1）综述分析了皮质骨材料力学性能研究现状及力学测试常用技术手段,并基于对皮质骨实际服役情况及客观实际的迫切需求的综合分析,提出复合载荷模式下皮质骨力学性能测试及变形机理多尺度研究新思路。（2）对皮质骨的生物学构成及复杂的层级结构进行了详尽叙述,并构建了皮质骨的宏... 

【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：151 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 选题背景与研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 皮质骨拉伸力学性能研究
        1.2.2 皮质骨压缩力学性能研究
        1.2.3 皮质骨弯曲力学性能研究
        1.2.4 皮质骨扭转力学性能研究
        1.2.5 皮质骨微纳米压痕响应特性的研究
    1.3 主要研究内容
第2章 皮质骨力学模型与生物构成
    2.1 骨基本结构组成及力学特性
        2.1.1 皮质骨层级结构
        2.1.2 皮质骨基本力学特性
    2.2 皮质骨力学模型
        2.2.1 宏观力学模型的建立
        2.2.2 微观力学模型的建立
            2.2.2.1 矿化的胶原纤维分子几何模型
            2.2.2.2 矿化的胶原纤维分子力学模型
    2.3 复合载荷力学模型
    2.4 皮质骨力学性能多尺度研究内容
    2.5 本章小结
第3章 不同载荷模式下皮质骨材料宏观力学响应研究
    3.1 试验系统的组成
        3.1.1 力学加载模块
        3.1.2 原位观测模块
            3.1.2.1 三维数字散斑应变测量分析单元
            3.1.2.2 场发射扫描电子显微镜
    3.2 试件制备与试验方法
        3.2.1 试件制备
        3.2.2 试验方法
        3.2.3 试验载荷
    3.3 皮质骨材料不同载荷下的力学响应
        3.3.1 单一载荷力学性能
            3.3.1.1 压缩力学性能
            3.3.1.2 弯曲力学性能
            3.3.1.3 扭转力学性能
        3.3.2 复合载荷力学性能
            3.3.2.1 压缩-弯曲力学性能
            3.3.2.2 压缩-扭转力学性能
    3.4 压缩载荷对复合载荷力学性能的影响
        3.4.1 预压缩载荷对抗弯强度的影响
        3.4.2 预压缩载荷对抗扭强度的影响
    3.5 本章小结
第4章 皮质骨材料微观变形机理的压痕响应研究
    4.1 试件制备
        4.1.1 皮质骨试件制备
        4.1.2 皮质骨材料单一组分试件制备
        4.1.3 皮质骨试件脱水方法
        4.1.4 关节软骨试件制备
    4.2 测试装置与试验方法
        4.2.1 微纳米压痕测试装置
        4.2.2 多角度压痕响应测试方法
            4.2.2.1 外环骨板压痕响应测试方法
            4.2.2.2 不同含水量压痕响应测试方法
            4.2.2.3 不同尖锐度压痕响应测试方法
            4.2.2.4 关节软骨压痕响应测试方法
    4.3 外环骨板微观力学响应
        4.3.1 外环骨板的微观结构形貌与力学特性
        4.3.2 外环骨板微观力学响应机理
    4.4 水分对皮质骨材料微观力学响应的影响
        4.4.1 不同含水量下皮质骨材料的微观力学响应
            4.4.1.1 不同含水量下骨材料OG的力学响应
            4.4.1.2 不同含水量下骨材料DP的力学响应
        4.4.2 水分对骨材料力学性能影响的微观机理
            4.4.2.1 不同组分含水量的变化规律
            4.4.2.2 有机组分对骨材料力学性能的影响规律
            4.4.2.3 微观结构对骨材料力学性能的影响规律
    4.5 不同接触尖锐度下的皮质骨材料微观力学响应
        4.5.1 不同尖锐度下皮质骨材料的力学响应
        4.5.2 皮质骨材料钝锐转化规律及微观机理
    4.6 关节软骨微观力学响应与破坏机理
        4.6.1 微颗粒参与关节软骨作用的原理
        4.6.2 微颗粒作用下关节软骨微观力学响应
        4.6.3 微颗粒对关节软骨作用的影响规律
    4.7 本章小结
第5章 皮质骨分子层级组分变形机制仿真研究
    5.1 有限元方法
    5.2 矿化的胶原纤维分子仿真模型的建立
    5.3 表观弹性模量计算方法
    5.4 两相组分表观弹性模量的仿真结果
        5.4.1 基于胶原纤维弹性模量的变化
        5.4.2 基于羟基磷灰石弹性模量的变化
        5.4.3 基于羟基磷灰石间距的变化
        5.4.4 基于羟基磷灰石长度的变化
    5.5 两相组分表观弹性模量的影响因素分析
        5.5.1 水分的影响
            5.5.1.1 水分对胶原纤维的影响
            5.5.1.2 水分对矿物微晶的影响
        5.5.2 体积分数的影响
    5.6 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
作者攻读学位期间的主要研究成果
    一、作者简介
    二、主要研究成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]Poroelastic behaviors of the osteon: A comparison of two theoretical osteon models[J]. Xiao-Gang Wu,Wei-Yi Chen.  Acta Mechanica Sinica. 2013(04)
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[3]层状仿生生物活性人工软骨植入体的数字散斑相关分析[J]. 郑裕东,黄小山,魏广叶,刘国权,王鹏,王迎军,徐红.  北京科技大学学报. 2007(S2)
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博士论文
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[2]基于红外光谱和场发射扫描电镜技术的羊绒原料品质分析的研究[D]. 吴桂芳.浙江大学 2009
[3]摩托车自行车行人碰撞事故形态分析及行人伤害保护的研究[D]. 乔维高.武汉理工大学 2005



本文编号：3501315