皮质骨微观力学性能原位试验研究
发布时间：2022-01-17 21:09
皮质骨是生物力学研究的重要领域。了解皮质骨在使用状态下的力学性能和微观失效机理是预防骨破坏的必要前提,有助于骨组织修复工程的发展和基于皮质骨的仿生材料设计。随着力学性能测试方法（多载荷耦合加载、纳米压痕技术）和微观表征手段（高分辨透射电镜、能谱衍射）的进步,基于上述技术的皮质骨的断裂机制和变形行为已经取得了很大的进展。在微米尺度下,作为典型的连续管状系统,哈弗氏管可以显著影响不同方向皮质骨的各向异性,但是目前关于哈弗氏管位置和分布对抗压强度和断裂机理的研究很少被提及。而在亚微米尺度下,皮质骨内部胶原纤维和羟基磷灰石颗粒的取向及分布对皮质骨抗压强度和断裂机制有重要的影响,但是目前,皮质骨的尺寸效应导致的力学性能与失效机理的变化对骨组织失效、纳米颗粒的磨损失效的研究较少。因此,本文开展了以下三方面的研究:1.利用小型化水平原位压缩试验机,研究了温度和试样取向对压缩强度和断口形貌的影响。这里研究了基于取样角为0摄氏度和38.5摄氏度的五个皮质骨试样的断裂强度和压缩应变。研究发现断裂强度和压缩应变的显著差异表明皮质骨对温度敏感,通过扫描电镜等表征技术对断口形貌开展可进一步的分析。基于Micro...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
皮质骨的结构组成
第一章绪论5从微米到毫米级别强度和韧性的尺寸效应[9]。研究表明，宏观尺度上皮质骨的能量耗散有两个同时存在的机理，分别是材料的分弹性变形和损伤。如图1.3所示，在微尺度压缩实验中，55%的试样产生了剪切面失效，25%是边缘位置迅速破坏导致的失效，15%是轴向劈裂导致的失效，另外5%是因为实验操作故障，故不做统计分析。其中在剪切面位置处存在三种增韧机理分别是：独立的纤维桥接、韧带桥接和裂纹偏转。在压缩载荷作用下纳米粒子摩擦时候骨初始阶段非弹性变形抗力的主要影响因素，并且在微柱压缩中发现皮质试样的硬度随着屈服强度的增加而增加，但是没有分析清楚深层次这种现象产生的原因。该技术的应用使得对皮质骨压缩载荷作用下断裂性能的研究扩展到了微观尺度[57-59]。图1.3微柱及宏观试样沿着轴向和截面方向失效图。（a）轴向微柱压缩三种失效模式；(b)截面方向微柱压缩三种失效模式；(c)与微柱对应的宏观试样压缩；(d)三种增韧机理对裂纹的影响材料微纳尺度上表现出了与宏观尺度完全不同的力学性能。微柱压缩实验是获取微纳米材料力学性能的主要方法[60-61]。研究人员对尺寸效应”的产生机制开展了广泛的研究[62-65]。针对所有的研究，金属材料都表现出越小越的特点[66]。为了解释这种金属材料的尺度效应，提出了如“位错饥饿模型”[67]等物理学模型。1.3本文研究内容虽然现有的研究取得了较大的进展，但是现有研究集中在皮质骨周向表面断裂特性方面，关于径向表面的断裂力学特点和断裂路径预测的研究较少。作为典
吉林大学硕士学位论文8的慢压缩速率加载，压缩速率为1μm/s。表1实验测试装置的参数压缩载荷（N）加载行程（mm）压缩速率（mm/s）温度区间（℃）2000810-3-10-50-90通过合理地结构改变，微型水平原位拉伸/压缩测试仪，包括体内溶液环境，温度控制单元，准静态压缩负载和与光学显微镜的兼容性在内的功能已经得到了全面的融合、集成。如图2.1所示，将皮质骨试样放在一对带有对称方槽的支撑柱上，可以保证在压缩过程中单轴对齐。支撑柱穿透溶液容器的内壁并牢固地连接到夹具。一对锁环用于定位支撑柱，并且支撑环和压缩夹具之间的间隙填充有耐热密封剂。装有林格氏液的容器底部放置在水浴中，水浴槽与一组平行布置的陶瓷加热棒整合在一起，以调节水温并进一步建立近似的体内环境。结合由行星减速器和具有大减速比的二级蜗轮组成的减速机构，准静态压缩应变速率可低至10-5/s。如图2.2所示，试样放置在对称方形槽的一对圆柱状夹具上，这可以保证压缩过程中的单轴对准。将盛有林格氏溶液的容器底部置于水浴槽中，水浴槽与一组陶瓷加热棒集成以调节温度。同时，利用高景深的立体显微镜（Nikon，SMZ-745），可以实时监测预制缺陷的变形行为。图2.1集成温度控制单元和林格氏液的小型化单轴压缩装置
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ni-Based Metallic Glass Composites Containing Cu-Rich Crystalline Nanospheres[J]. Yao-Yao Xi,Jie He,Xiao-Jun Sun,Wang Li,Jiu-Zhou Zhao,Hong-Ri Hao,Ting Xiong. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2018(11)
[2]松质骨微观骨小梁结构的生物力学综合分析[J]. 裴葆青,王田苗,王军强. 北京航空航天大学学报. 2008(02)
[3]密质骨损伤机理的实验研究[J]. 张瑞萍,吴文周. 医用生物力学. 1996(02)
[4]人密质骨动态力学性能及莫电效应[J]. 王前,钟世镇,杨桂通. 中国生物医学工程学报. 1995(03)
硕士论文
[1]密质骨多级微结构的强韧机理[D]. 张智凌.重庆大学 2014
[2]松质骨的粘弹性力学特性分析[D]. 刘庆.暨南大学 2013
[3]人牙纵剖面牙釉质纳米划痕损伤及其再矿化修复研究[D]. 郑上尧.西南交通大学 2011
本文编号：3595443
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
皮质骨的结构组成
第一章绪论5从微米到毫米级别强度和韧性的尺寸效应[9]。研究表明，宏观尺度上皮质骨的能量耗散有两个同时存在的机理，分别是材料的分弹性变形和损伤。如图1.3所示，在微尺度压缩实验中，55%的试样产生了剪切面失效，25%是边缘位置迅速破坏导致的失效，15%是轴向劈裂导致的失效，另外5%是因为实验操作故障，故不做统计分析。其中在剪切面位置处存在三种增韧机理分别是：独立的纤维桥接、韧带桥接和裂纹偏转。在压缩载荷作用下纳米粒子摩擦时候骨初始阶段非弹性变形抗力的主要影响因素，并且在微柱压缩中发现皮质试样的硬度随着屈服强度的增加而增加，但是没有分析清楚深层次这种现象产生的原因。该技术的应用使得对皮质骨压缩载荷作用下断裂性能的研究扩展到了微观尺度[57-59]。图1.3微柱及宏观试样沿着轴向和截面方向失效图。（a）轴向微柱压缩三种失效模式；(b)截面方向微柱压缩三种失效模式；(c)与微柱对应的宏观试样压缩；(d)三种增韧机理对裂纹的影响材料微纳尺度上表现出了与宏观尺度完全不同的力学性能。微柱压缩实验是获取微纳米材料力学性能的主要方法[60-61]。研究人员对尺寸效应”的产生机制开展了广泛的研究[62-65]。针对所有的研究，金属材料都表现出越小越的特点[66]。为了解释这种金属材料的尺度效应，提出了如“位错饥饿模型”[67]等物理学模型。1.3本文研究内容虽然现有的研究取得了较大的进展，但是现有研究集中在皮质骨周向表面断裂特性方面，关于径向表面的断裂力学特点和断裂路径预测的研究较少。作为典
吉林大学硕士学位论文8的慢压缩速率加载，压缩速率为1μm/s。表1实验测试装置的参数压缩载荷（N）加载行程（mm）压缩速率（mm/s）温度区间（℃）2000810-3-10-50-90通过合理地结构改变，微型水平原位拉伸/压缩测试仪，包括体内溶液环境，温度控制单元，准静态压缩负载和与光学显微镜的兼容性在内的功能已经得到了全面的融合、集成。如图2.1所示，将皮质骨试样放在一对带有对称方槽的支撑柱上，可以保证在压缩过程中单轴对齐。支撑柱穿透溶液容器的内壁并牢固地连接到夹具。一对锁环用于定位支撑柱，并且支撑环和压缩夹具之间的间隙填充有耐热密封剂。装有林格氏液的容器底部放置在水浴中，水浴槽与一组平行布置的陶瓷加热棒整合在一起，以调节水温并进一步建立近似的体内环境。结合由行星减速器和具有大减速比的二级蜗轮组成的减速机构，准静态压缩应变速率可低至10-5/s。如图2.2所示，试样放置在对称方形槽的一对圆柱状夹具上，这可以保证压缩过程中的单轴对准。将盛有林格氏溶液的容器底部置于水浴槽中，水浴槽与一组陶瓷加热棒集成以调节温度。同时，利用高景深的立体显微镜（Nikon，SMZ-745），可以实时监测预制缺陷的变形行为。图2.1集成温度控制单元和林格氏液的小型化单轴压缩装置
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ni-Based Metallic Glass Composites Containing Cu-Rich Crystalline Nanospheres[J]. Yao-Yao Xi,Jie He,Xiao-Jun Sun,Wang Li,Jiu-Zhou Zhao,Hong-Ri Hao,Ting Xiong. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2018(11)
[2]松质骨微观骨小梁结构的生物力学综合分析[J]. 裴葆青,王田苗,王军强. 北京航空航天大学学报. 2008(02)
[3]密质骨损伤机理的实验研究[J]. 张瑞萍,吴文周. 医用生物力学. 1996(02)
[4]人密质骨动态力学性能及莫电效应[J]. 王前,钟世镇,杨桂通. 中国生物医学工程学报. 1995(03)
硕士论文
[1]密质骨多级微结构的强韧机理[D]. 张智凌.重庆大学 2014
[2]松质骨的粘弹性力学特性分析[D]. 刘庆.暨南大学 2013
[3]人牙纵剖面牙釉质纳米划痕损伤及其再矿化修复研究[D]. 郑上尧.西南交通大学 2011
本文编号：3595443
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