基于新型原位力学测试方法的骨微纳米力学行为研究

发布时间：2021-04-03 03:28

　　骨骼作为人体重要的承力器官,具有保护内部脏器,支持人体稳定运动的功能。骨骼具有典型的多级结构特征,不同尺度下的结构单元其组成与相互间的协同作用决定了骨骼的力学性能。对骨骼基本结构单元的力学研究一直以来是骨力学研究的热点。尤其是对骨骼微纳米尺度下结构单元的研究,对于揭示骨骼优良力学性能尤其是高断裂韧性、更深入理解疾病对骨力学行为的影响机理、研发仿生骨修复材料具有非常重要的作用。随着微观力学测试技术的发展,骨微纳米尺度力学研究有了较大进展,例如X射线同步辐射拉伸、原位Micro-CT、分子动力学模拟计算等间接试验方法与模拟计算技术的应用,使我们对骨的力学行为与韧化机理的理解有重要进展,但对骨结构单元的进行直接力学研究仍少见报道。为了更深入理解骨骼微纳米尺度的力学行为,本文结合原子力显微镜与电动力学拉伸系统,成功研发了一种新型原位力学测试装置,并对骨的微纳米尺度力学行为进行了研究,评价了游离水与键合水对于骨骼韧性的影响,研究了不同种类裂纹对骨骼韧性的贡献。研发的原位测试装置能稳定实时地表征材料结构与受力情况;原位力学测试证明了研发的原位测试平台的有效性,并揭示了骨骼的微观韧化机理;骨力学研究... 

【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１：骨骼中胶原蛋白的多级组装示意图［１２］

?ｎｂｒｔｌ?ｄｌａｍＵｒ?？ｃａｌ？?ｒ??图１．１：骨骼中胶原蛋白的多级组装示意图［１２］。（ａ）计算机模拟建模，展示了胶原分子：三??螺旋多肽链，相互错开平排列组装成胶原微纤维，并形成了孔区与重叠区相互交替的周??期性结构，周期约为６７ｎｍ（Ｄ－ｐｅｒｉｏｄ）。０％，２０％，４０％代表矿化过程中，矿物质重量百??分比的变化，ＨＡ?（红）在孔区优先成核。（ｂ）骨从宏观到原尺度的多级组装结构示意图。??Ｆｉｇ?１．１：?Ｍｕｌｔｉ－ｌｅｖｅｌ?ａｓｓｅｍｂｌｙ?ｏｆ?ｃｏｌｌａｇｅｎ?ｉｎ?ｂｏｎｅ［１２］．?（ａ）?Ｃｏｍｐｕｔｅｒ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｍｏｄｅｌｉｎｇ?ｓｈｏｗ？??ｉｎｇ?ｃｏｌｌａｇｅｎ?ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ：?ｔｒｉｐｌｅ?ｈｅｌｉｘ?ｐｏｌｙｐｅｐｔｉｄｅ?ｃｈａｉｎｓ?ｓｔａｇｇｅｒｅｄ?ｆｌａｔｌｙ?ａｒｒａｎｇｅｄ?ｉｎｔｏ?ｃｏｌｌａｇｅｎ??ｍｉｃｒｏｆｉｂｒｉｌｓ?ａｎｄ?ｆｏｒｍｅｄ?ａ?ｐｅｒｉｏｄｉｃ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｉｎ?ｗｈｉｃｈ?ｔｈｅ?ｃｅｌｌ?ｒｅｇｉｏｎｓ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ?ｒｅｇｉｏｎｓ??ａｌｔｅｒｎａｔｅｄ?ｗｉｔｈ?ｅａｃｈ?ｏｔｈｅｒ．?Ｔｈｅ?ｐｅｒｉｏｄ?ｉｓ?ａｂｏｕｔ?６７?ｎｍ?（Ｄ－ｐｅｒｉｏｄ）．?０％，?２０％，?４０％?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ?ｔｈｅ??ｃｈａｎｇｅ?ｏｆ?ｗｅｉｇｈｔ?ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ?ｏｆ?ｍｉｎｅｒａｌｓ?ｄｕｒｉｎｇ?ｔｈｅ?ｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ，?ａｎｄ?ＨＡ?（ｒｅｄ）?ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙ??ｎｕｃｌｅａｔｅｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｐｏｒｅ?ａｒｅａ

图１．３：骨骼中微裂纹增韧，微裂纹的产生与传播消耗能遽从而使骨骼增韧

【参考文献】：
期刊论文
[1]MULTISCALE MECHANICS OF BIOLOGICAL AND BIOLOGICALLY INSPIRED MATERIALS AND STRUCTURES[J]. Markus J.Buehler.  Acta Mechanica Solida Sinica. 2010(06)



本文编号：3116525