影响骨重建的力—电特性分析

发布时间：2017-05-01 11:09

  本文关键词：影响骨重建的力—电特性分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：骨能够感受它所处的外部环境,并对外部环境的改变作出反应,这个过程被称为骨重建。现在普遍认为影响骨重建的主要因素有骨内应力、骨内液体压力、骨内流体剪应力和流动电势等,因此研究骨受动态荷载作用时的力-电特性,不仅是了解应力和电刺激骨生长和吸收的前提步骤,也是实现骨重建和治疗的理论基础。研究骨的力-电特性、骨生长与力和电的关系,可以从微观的角度去理解骨生长和重建的机理,在医学上有着广泛的应用前景,有助于各种骨代谢疾病的研究和新的骨代谢疾病治疗方案的提出。本论文以此为出发点研究了骨受动态荷载作用时骨内液体的压力分布、骨小管内的流体剪应力和流动电势。本论文的研究内容主要有:建立了单个骨单元的环形圆柱体模型,考虑单个骨单元受轴向循环载荷作用,并且考虑了哈佛氏管中血压振荡的影响,将骨单元中的孔隙液体压力和流体流动速度与血压联系了起来,这是本论文的一个创新点。固体骨架看作是横观各向同性的多孔材料,而且固体基质和间隙液体都被看作是可压缩的,应用多孔介质弹性理论,分析了骨单元中的孔隙液体压力分布和流体流动速度。得到了骨单元中的孔隙液体压力和流体流动速度的解析解,并分析了轴向应变幅值、轴向载荷频率和渗透率等参数对孔隙液体压力和流体流动速度的影响。研究了当单个的骨单元受外部的循环轴向荷载和血压共同作用时骨小管内的流体流动特点、流体的剪应力和骨小管中的电场分布及流动电势。在本论文中创新性的考虑了骨小管中的骨细胞以及电粘性效应,而且还创新性的研究了骨细胞突起表面所受的流体剪应力。在骨小管这个微管系统中可以将骨小管中的液体看作是不可压缩的,然后基于不可压缩流体的纳维-斯托克斯方程,我们得到了骨小管内液体的流动速度分布、流体剪应力分布和骨小管中的电场分布及流动电势,并且研究了轴向应变幅值、轴向载荷频率、血压幅值、血压频率和渗透率等参数对骨小管内的流体流动速度、流体剪应力和骨小管中的电场分布及流动电势的影响。根据电场和流体的控制方程,采用有限元分析软件COMSOL Multiphysics,通过COMSOL中的MEMS模块建立多物理场模型,选择计算了一种松质骨细观模型在一定压力驱动下产生的稳态流动电势,并且分析了压力、Zeta电势、离子数浓度等参数对该模型流动电势的影响。依照松质骨的四种细观结构,通过3D打印机打印出放大尺寸的模型,打印材料为PLA。然后利用落锤冲击实验研究了不同微观结构的松质骨结构模型在冲击荷载作用下的动态力学性能。并且用高速摄影机记录了不同模型受冲击力作用时的破坏特点。
【关键词】：骨 骨单元 多孔介质弹性理论 流体剪应力 流动电势 动态力学特性
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R68;R318.01
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 本文的研究背景及意义10-13
• 1.2 国内外研究进展综述13-17
• 1.2.1 骨的力电特性研究进展综述13-16
• 1.2.2 松质骨力学性能的研究进展综述16-17
• 1.3 本文研究内容17-18
• 1.4 本文的创新点18-20
• 第二章 骨单元中的孔隙液体压力和流体速度20-62
• 2.1 引言20-21
• 2.2 骨的微观结构21-23
• 2.2.1 密质骨的微观结构21-22
• 2.2.2 松质骨的微观结构22-23
• 2.3 骨单元理论模型的建立23-27
• 2.4 模型的求解27-39
• 2.5 数值参量39-40
• 2.6 结果和讨论40-62
• 2.6.1 两种不同边界条件下的孔隙液体压力和流体速度40-43
• 2.6.2 轴向应变幅值对骨单元中孔隙液体压力和流体速度的影响43-45
• 2.6.3 轴向载荷频率对骨单元中孔隙液体压力和流体速度的影响45-48
• 2.6.4 血压幅值对骨单元中孔隙液体压力和流体速度的影响48-50
• 2.6.5 血压频率对骨单元中孔隙液体压力和流体速度的影响50-53
• 2.6.6 渗透率对骨单元中孔隙液体压力和流体速度的影响53-55
• 2.6.7 孔隙率对骨单元中孔隙液体压力和流体速度的影响55-58
• 2.6.8 骨单元中孔隙液体压力和流体速度随时间的变化58-62
• 第三章骨小管中的流体剪应力和流动电势62-104
• 3.1 引言62-63
• 3.2 骨的力电效应机理63-68
• 3.2.1 骨的压电效应机理63-65
• 3.2.2 骨的动电效应机理65-68
• 3.3 控制方程及边界条件68-71
• 3.4 方程的求解71-79
• 3.4.1 不考虑电粘性效应方程的求解73-76
• 3.4.2 考虑电粘性效应方程的求解76-79
• 3.5 数值参量79-80
• 3.6 结果和讨论80-104
• 3.6.1 电粘性效应对骨小管中液体流动和流动电势的影响80-83
• 3.6.2 骨小管中的液体流动特点和电场分布83-87
• 3.6.3 轴向应变幅值对骨小管中液体流动和流动电势的影响87-91
• 3.6.4 轴向载荷频率对骨小管中液体流动和流动电势的影响91-94
• 3.6.5 血压幅值对骨小管中液体流动和流动电势的影响94-97
• 3.6.6 血压频率对骨小管中液体流动和流动电势的影响97-99
• 3.6.7 渗透率对骨小管中液体流动和流动电势的影响99-104
• 第四章 松质骨中流动电势的数值模拟104-116
• 4.1 引言104-105
• 4.2 松质骨的细观结构模型105-106
• 4.3 松质骨中流动电势的控制方程及边界条件106-108
• 4.3.1 Poisson-Boltzmann方程106-107
• 4.3.2 Navier-Stokes方程107-108
• 4.3.3 边界条件108
• 4.4 数值模拟结果108-113
• 4.4.1 模型3的流动电势109-111
• 4.4.2 压力、离子浓度、zeta电势对模型3的流动电势的影响111-113
• 4.5 讨论113
• 4.6 结论113-116
• 第五章 松质骨结构在冲击荷载作用下的动态力学特性116-128
• 5.1 引言116-117
• 5.2 试件材料及尺寸117-120
• 5.3 实验仪器及实验方法120-122
• 5.4 实验结果和分析122-127
• 5.5 结论127-128
• 第六章 总结与展望128-130
• 6.1 总结128-129
• 6.2 展望129-130
• 参考文献130-144
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况144-146
• 致谢146

【参考文献】

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1 李德源,刘占芳,张湘伟;松质骨一维动电效应分析[J];重庆大学学报(自然科学版);2000年S1期

2 李德源,刘占芳,张湘伟;骨组织流动电势数值分析[J];重庆大学学报(自然科学版);2001年02期

3 李德源,陈海斌;松质骨粘弹性的数值分析[J];重庆大学学报(自然科学版);2001年04期

4 吴文周,孙珏;人体膝关节应力场分析[J];固体力学学报;1981年03期

5 方芳;王t

本文编号：338804