基于粘弹理论的咀嚼吞咽过程生物力学研究

发布时间：2020-06-14 08:40

【摘要】：咀嚼吞咽过程是指食物从摄入口腔开始直到进入胃部这一完整阶段,该过程不仅仅是生物体获取能量和营养物质的重要保障,同时也影响食品加工、食品机械、医疗器械等相关行业的发展。在食品工业领域,咀嚼吞咽过程中生物体的感官感受是功能食品研发的重要性能指标;在临床医学领域,咀嚼吞咽系统的力学分析有助于相关疾病的病理了解和临床诊疗;在医疗器械领域,咀嚼吞咽过程中的生物组织的力学行为分析能够为义齿种植系统、消化道胶囊诊疗机器人等医疗器械及系统的研发提供理论基础。经过唾液混合搅拌的食品材料和口腔食道的生物组织材料都表现出明显的粘弹特性,本文基于粘弹性理论,展开粘弹性食品材料咀嚼吞咽过程中,口腔、食道的生物组织的力学行为研究。研究内容包括以下几个方面:(1)以制备的琼脂凝胶样品为典型的粘弹性材料,通过质构实验对粘弹性材料的力学性能影响因素以及材料本构进行了研究。研究发现琼脂凝胶的力学性能表现出明显的应变率效应,当应变率变大时,胶体的破裂强度和弹性模量都有所增加;基于应力松弛实验,建立了琼脂凝胶的五元件广义Maxwell模型,对松弛过程的应力衰减有很好的预测效果。为后文的口腔、食道的生物力学研究提供了粘弹性食品材料的应力应变本构模型。(2)以牙齿、牙周膜、牙槽骨组成单牙咀嚼系统,基于有限元方法模拟其咀嚼冲击动态过程。仿真结果表明:相比于各向同性,牙槽骨考虑为正交各向异性材料时会提高骨界面的应力水平,但是同时也使系统的应力分布更为均匀,更符合生物学特征;牙周膜由于超弹特性(高泊松比、低弹性模量),在咀嚼冲击过程能够以较大的形变吸收部分咀嚼过程产生的能量,起到延缓冲击的作用;同时牙周膜也使得骨界面的应力场更加顺滑、应力分布范围更广,有效减缓了牙根和牙槽骨结合面的应力集中情况,提高了结合面的骨组织生物活性。(3)以下颌体和咀嚼肌组成下颌系统,基于有限元方法模拟其咀嚼冲击动态过程。仿真结果显示:在咀嚼过程中,咬肌的肌力最大,下颌骨的应力集中主要发生在牙槽窝和下颌斜线区域;当咀嚼力相同时,咀嚼作用点的变化只会改变下颌咀嚼肌的肌力分配方式,对咀嚼肌的最大肌力影响不大。(4)将蠕动简化为一定速度传递的正弦波,基于流体力学理论和润滑近似理论建立了牛顿流体在食道中蠕动输送的动力学模型。代入不同的运动参数对模型进行数值求解,在蠕动收缩作用下,腔体内的最大压力产生于食团末端,至食团前端缓慢下降,从而形成压差,促使食团运动,食团的粘度越大,食道收缩区域的压力越大;降低食团粘度有利于提高蠕动输送效率,减小食道组织的压力;而蠕动波波幅增加时固然可以提高食团的压差,但是也会造成流线的循环封闭,并不一定能够提高输送效率。(5)将食道简化为等内径的柔性管道,以胶囊内镜或胶囊机器人为研究对象,以粘弹性模型为食道组织材料本构,不考虑胶囊变形,构建刚性胶囊运动过程与食道组织的相互作用模型,基于该模型,结合理论和数值模拟方法对食道的应力分布和摩擦阻力进行了分析。结果表明:胶囊运动速度和直径尺寸增加时会造成运动过程中食道应力和摩擦阻力的上升;胶囊外形端面的倒角参数对食道的应力影响较小、对摩擦阻力影响较大;同时胶囊运动过程中,重力方向对食道组织的生物力学影响很小,主要影响的是胶囊运动路径。论文研究了不同物性的食品材料在不同咀嚼吞咽形状参数和运动参数下,口腔、食道生物组织的力学行为,为食品的研制、义齿设计和诊疗仪器的开发提供了理论基础。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TS201.1;TH77
【图文】：

机寻求连续介质力学问题的数值解。相比于实验分析，有限元方法以其直观、快速的优点成为生物力学研究的重要手段。1.2.1 咀嚼过程生物力学的研究进展有限元方法自上个世纪七十年代开始应用于口腔医学[20,21]，经过将近半个世纪的发展，已经成为生物力学研究的重要手段。2000 年，来自德国明斯特大学的 Dirk Vollmer 等人[22]对下颌骨标本进行了物理实验，得到了下颌骨在机械载荷作用下的位移和应变等数据，同时利用有限元方法在相同的条件下对实验过程进行了模拟。通过与实验结果对比发现，数值模拟下的颌骨应变模式与实验数据相匹配。说明了有限元作为非侵入式的手段能够用以预测人类下颌骨复杂的生物力学行为。2005 年日本九州大学 Qian Lihe 等[23]针对猪下颌骨上的牙周组织进行了侵入实验，实验表明牙周膜在外力作用下表现出非线性的粘弹特性。此后，结合数字成像得到的牙齿、牙周膜和牙槽骨的几何数据，建立了如图 1-1 所示的有限元模型，以实验得到的牙周膜应力应变数据作为有限元的材料输入从而对牙齿受载下的位移场、应力应变场进行了分析。

图 1-2 奥克兰学者建立的咀嚼有限元模型斯坦布尔理工大学的 Meral Tuna 等[25]基于牙周膜在牙齿移作用，施加轴向和侧向的集中力载荷（见图 1-3），通过数值位移变化和应力分布规律。仿真位移变化与实验的牙齿松动时在牙周膜的作用下，牙根和牙槽骨的应力场较为顺滑，而义。图 1-3 Tuna 建立的数值模型班牙塞维利亚大学的 Maria S. Commisso 等[26]为了解决下颌

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本文编号：2712532