骨陷窝-骨细胞形状和方向对骨单元内液体流动行为的影响
发布时间：2021-03-24 23:25
骨组织内的流体流动不仅为骨细胞的生存提供了充足营养供应及代谢物排放途径,也在骨重建过程中起到关键作用.为了更精确地阐明骨内液体流动的具体形式,这项研究利用骨陷窝-骨细胞的密度,形态和方向等参数来计算骨单元内液体的流动行为.首先,计算出不同形状和方向的骨陷窝周围骨小管的数量及分布情况,其次利用算出的参数以及骨组织其他微结构数据来估计骨组织的渗透率和孔隙率等参数,最后根据计算所得的参数建立骨单元的多孔弹性力学有限元模型,并分析了在轴向位移载荷作用下骨陷窝形状和方向对骨单元内液体渗流行为的影响.结果表明,在所研究的参数范围内不同骨单元模型的相同区域上,骨陷窝形状影响下的骨单元最大压力和流速比最小的分别增加了86%和18%;骨陷窝方向影响下的最大压力和流速比最小的分别增加了125%和56%.伸长形骨陷窝对单个骨单元局部压力的影响远大于扁平形和圆形骨陷窝.骨陷窝从0°绕x轴旋转到90°过程中压力是逐渐降低的,且30°,45°和60°的模型对骨单元内局部流速有显著影响.该模型表示骨陷窝的形状和方向以及骨小管的三维分布对骨单元内液体压力和流速幅值及沿不同方向的流动差异有显著的影响.这项研究将有助于精...
【文章来源】：力学学报. 2020,52(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
骨组织分层结构示意图
其中，nx,ny和nz分别是平行于x,y和z轴穿过CUPC各面的小管数；Sx,Sy和Sz分别是x,y和z方向上骨陷窝的投影表面积，N是一个骨陷窝周围的骨小管总数.如图2(b)所示，当骨陷窝绕x轴偏转θ角时，骨陷窝在x,y和z轴上的投影面积和骨小管的三维分布同样可由式(6)求出.1.2 骨陷窝形状
为了更清晰描述骨陷窝形状，首先规定了3个特征值EV1,EV2和EV3(EV1是长半轴的平方，EV2是中半轴的平方和EV3是短半轴的平方).然后，从颗粒形状的研究中修改了3种指标，平衡度(degree of equancy)(EV3:EV1)，伸长度(degree of elongation)(1–EV2:EV1)和扁平度(flatness)(1–EV3:EV2)[11,30]，以定义形状的差异程度.如表1所示，取几组不同形状的骨陷窝来观察骨陷窝形状的差异对其内部液体流动的影响.图3展示了这3种指标对骨陷窝形状影响的重要性.当3个特征值相等(EV1=EV2=EV3)时，骨陷窝的形状即为球形(reference).当前两个特征值相等，第3个特征值较小(EV1=EV2>EV3)时，骨陷窝的形状呈扁平形(Case 1和Case 2)；第1个特征值较大，后两个特征值相等(EV1>EV2=EV3)时，骨陷窝的形状呈伸长形(Case 3和Case 4);3个特征值都不相同(EV1>EV2>EV3)，形状偏向取决于伸长度和扁平度的大小(Case 5和Case 6).
【参考文献】：
期刊论文
[1]An analytical poroelastic model for laboratorial mechanical testing of the articular cartilage（AC）[J]. Xiaogang WU,Kuijun CHEN,Zhaowei WANG,Ningning WANG,Teng ZHAO,Yanan XUE,Yanqin WANG,Weiyi CHEN. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2018(06)
[2]一种力–电协同驱动的细胞微流控培养腔理论模型[J]. 王兆伟,武晓刚,陈魁俊,薛雅楠,王宁宁,赵腾,于纬伦,王艳芹,陈维毅. 力学学报. 2018(01)
[3]血管脉动对骨单元内液体流动行为的影响[J]. 武晓刚,王宁宁,岑海鹏,王兆伟,于纬伦,陈魁俊,薛雅楠,王艳芹,郭媛,陈维毅. 生物医学工程学杂志. 2017(05)
[4]一种骨小管中液体流动产生的流量及切应力模型[J]. 武晓刚,于纬伦,王兆伟,王宁宁,岑海鹏,王艳芹,陈维毅. 力学学报. 2016(05)
本文编号：3098585
【文章来源】：力学学报. 2020,52(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
骨组织分层结构示意图
其中，nx,ny和nz分别是平行于x,y和z轴穿过CUPC各面的小管数；Sx,Sy和Sz分别是x,y和z方向上骨陷窝的投影表面积，N是一个骨陷窝周围的骨小管总数.如图2(b)所示，当骨陷窝绕x轴偏转θ角时，骨陷窝在x,y和z轴上的投影面积和骨小管的三维分布同样可由式(6)求出.1.2 骨陷窝形状
为了更清晰描述骨陷窝形状，首先规定了3个特征值EV1,EV2和EV3(EV1是长半轴的平方，EV2是中半轴的平方和EV3是短半轴的平方).然后，从颗粒形状的研究中修改了3种指标，平衡度(degree of equancy)(EV3:EV1)，伸长度(degree of elongation)(1–EV2:EV1)和扁平度(flatness)(1–EV3:EV2)[11,30]，以定义形状的差异程度.如表1所示，取几组不同形状的骨陷窝来观察骨陷窝形状的差异对其内部液体流动的影响.图3展示了这3种指标对骨陷窝形状影响的重要性.当3个特征值相等(EV1=EV2=EV3)时，骨陷窝的形状即为球形(reference).当前两个特征值相等，第3个特征值较小(EV1=EV2>EV3)时，骨陷窝的形状呈扁平形(Case 1和Case 2)；第1个特征值较大，后两个特征值相等(EV1>EV2=EV3)时，骨陷窝的形状呈伸长形(Case 3和Case 4);3个特征值都不相同(EV1>EV2>EV3)，形状偏向取决于伸长度和扁平度的大小(Case 5和Case 6).
【参考文献】：
期刊论文
[1]An analytical poroelastic model for laboratorial mechanical testing of the articular cartilage（AC）[J]. Xiaogang WU,Kuijun CHEN,Zhaowei WANG,Ningning WANG,Teng ZHAO,Yanan XUE,Yanqin WANG,Weiyi CHEN. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2018(06)
[2]一种力–电协同驱动的细胞微流控培养腔理论模型[J]. 王兆伟,武晓刚,陈魁俊,薛雅楠,王宁宁,赵腾,于纬伦,王艳芹,陈维毅. 力学学报. 2018(01)
[3]血管脉动对骨单元内液体流动行为的影响[J]. 武晓刚,王宁宁,岑海鹏,王兆伟,于纬伦,陈魁俊,薛雅楠,王艳芹,郭媛,陈维毅. 生物医学工程学杂志. 2017(05)
[4]一种骨小管中液体流动产生的流量及切应力模型[J]. 武晓刚,于纬伦,王兆伟,王宁宁,岑海鹏,王艳芹,陈维毅. 力学学报. 2016(05)
本文编号：3098585
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