老龄相关骨退化对骨宏微观力学性能影响的数值仿真研究

发布时间：2017-12-07 00:36

  本文关键词：老龄相关骨退化对骨宏微观力学性能影响的数值仿真研究

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【摘要】：骨作为人体重要组成部分,主要起支撑与保护作用。这种承载特性导致骨较易发生退化。同时衰老也会引起骨退化,致使其承载能力下降。随着老龄化问题的加剧,发生骨退化的人数呈逐渐上升趋势,但与老龄相关骨退化对骨力学性能的影响机制仍有待进一步研究。本研究首先探讨了与老龄相关骨退化对宏观骨结构力学性能的影响。由于宏观骨力学性能的变化与微观力学性能密切相关,本研究又分别探讨了与老龄相关的皮质骨及松质骨退化对骨微观力学性能的影响。通过综合分析骨宏、微观力学性能随年龄的变化规律,揭示了与老龄相关的宏观骨、皮质骨,以及松质骨的退化与断裂机理,为老年人骨折及其它骨相关疾病的预防与治疗提供有效依据。本研究分为以下3个部分:老龄化与负重会导致宏观骨结构的承载能力下降。目前已有大量文献针对工作载荷对宏观骨结构力学性能的影响进行了较全面的研究,但却鲜有关于休息时所受载荷对不同退化程度的宏观骨结构力学性能影响的报道。本研究在第1部分通过建立4个不同退化程度的多孔弹性腰椎有限元模型,探讨了不同休息模式对腰椎受力与恢复的影响。设定总休息时间固定,每次休息时间与休息总次数不同。结果显示,随着休息次数的增加,腰椎所受轴向有效应力及内部体液交换率均逐渐减小,而髓核孔压与间盘径向位移均逐渐增大。腰椎中各个生理力学参数在不同休息次数下的变化率也有较大差异:对于正常、轻度,以及中度退化腰椎,休息1次与3次时其参数变化率最大;对于重度退化腰椎,休息5次时其参数变化率最大。因此,当总休息时间固定,增加休息次数有助于退化腰椎的恢复。本部分为腰椎不同退化程度患者提出了更加合理的休息方式。宏观骨结构力学性能的变化与其微观力学性能密切相关,且皮质骨在宏观骨结构中起主要承载作用,所以皮质骨的微观力学性能对宏观骨结构的强度有较大影响。本研究在第2部分对不同月龄的大鼠股骨皮质骨进行了微观力学性能分析,旨在量化得出皮质骨微观力学性能随月龄的变化规律。依据大鼠股骨微观影像建立了不同月龄的大鼠股骨皮质骨微观有限元模型,利用微观有限元分析与宏观压缩实验相结合的方法,模拟大鼠股骨皮质骨在压缩载荷下的断裂过程,以预测不同月龄大鼠股骨皮质骨在微观层次的失效应变。结果表明,不同月龄大鼠股骨皮质骨的微观失效应变显示出双线性的变化趋势:即当大鼠从1月龄生长至7月龄时,微观失效应变逐渐增大;超过7月龄后,微观失效应变随着月龄继续增长显著减小。结合宏观实验数据表明,在骨生长阶段(1月龄-7月龄),皮质骨宏、微观力学性能皆有所提升;在骨老化阶段(9月龄-15月龄),其微观力学性能急剧退化,而宏观力学性能却未显著下降。本部分通过分析皮质骨宏、微观层次的力学性能参数,揭示了大鼠股骨皮质骨在这两个层次间的力学性能随月龄的变化规律,为临床上预防与治疗老年人骨折提供理论依据。相比皮质骨,松质骨的孔隙率较大,且老龄退化会导致松质骨量显著下降。对于富含松质骨的宏观骨结构,其强度不仅与皮质骨的力学性能相关,更与松质骨的力学性能密切相关。本研究在第3部分探讨了与老龄相关的松质骨退化导致的不同骨丢失位置与丢失方式对其力学性能的影响。通过减小骨小梁厚度和骨小梁数量模拟老龄退化引起的骨量丢失。老龄化导致骨小梁在应变较小区域及随机位置发生丢失,以此建立不同老龄松质骨模型。应用扩展有限元方法针对松质骨模型进行断裂模拟,观测各个模型从裂纹起始至完全失效的过程。结果显示,当减少相同松质骨量时,相比随机位置发生骨丢失,骨小梁在应变较小区域丢失对松质骨力学性能的影响较大;骨小梁数量减少对松质骨力学性能的影响大于骨小梁厚度减小,而竖直方向骨小梁数量减少又比水平方向骨小梁数量减少更易引起松质骨的断裂。本部分通过对松质骨模型进行断裂模拟,量化得出不同骨退化位置及退化方式对松质骨力学性能的影响,找到决定其力学性能的关键因素。本研究采用宏、微观有限元分析方法,并结合实验数据,探讨了与老龄相关的骨退化对宏观骨、皮质骨,以及松质骨在宏、微观层次力学性能的影响,以此深入探索老年人发生骨退化与骨折的生物力学机理,为找到能够预测、预防,以及治疗老年人骨折的方法提供理论依据。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O342

【参考文献】

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1 肖智韬;基于非线性有限元法的人体腰椎强度预测及其在腰椎相关疾病中的应用[D];吉林大学;2013年

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本文编号：1260540