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密质骨各向异性性质的力学实验及细观分析
目的 研究牛股骨密质骨的微观结构特征与其力学行为间的关系.方法 对牛股骨密质骨纵向和横向试样分别进行压缩实验;对破坏后的纵向和横向试样进行断裂路径、断裂表面微结构特征观察;基于复合材料细观力学的理论,分析密质骨中骨单元方向对骨纵向和横向弹性模量及断裂极限强度的影响.结果 纵向试样的压缩弹性模量和断裂极限强度均明显大于横向试样的压缩弹性模量和断裂极限强度;纵向试样的断裂路径与加载方向近似为0°,且比较平直,而横向试样的断裂路径与加载方向近似为45°,且比较曲折;纵向试样断面中存在许多与加载方向平行的条状结构,断面较为光滑,而横向试样断面存在许多圆弧形凹坑或凸起,断面较为粗糙.结论 牛股骨密质骨具有各向异性的力学性质,其各向异性力学性质与骨单元方向密切相关.
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皮质骨中骨单元应力集中效应的有限元分析
目的 建立包含骨单元的皮质骨三维实体模型,通过有限元分析验证骨单元的应力集中效应,并对应力集中位置进行疲劳仿真和预测.方法 利用Pro/E wildfire 5.0和ANSYS 12.0软件建立包含骨单元的皮质骨三维实体模型,在不同轴向压缩载荷条件下计算分析皮质骨中局部应力和应变分布情况;选取关键位置进行疲劳仿真,预测不同疲劳载荷强度下骨组织的疲劳状态.结果 轴向压缩载荷作用下,骨单元附近会出现明显的应力集中效应,随着压缩载荷的增加,模型内部病理性局部应变的比例逐渐增大;关键位置的疲劳仿真结果证明了骨组织生理强度运动时的低疲劳风险,也预测了高强度运动或训练时骨组织疲劳骨折的高风险.结论 成功建立了包含骨单元的皮质骨三维实体模型,验证了骨单元的应力集中效应,预测了高强度运动训练条件下骨组织的疲劳损伤位置和风险,实验结果可为部队新兵或中长跑运动员运动训练计划的制定以及运动疲劳损伤的预防提供参考.
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骨组织疲劳损伤的生物力学研究概述
骨组织是人体重要的承重器官,具有力学适应性,在疲劳载荷作用下会出现疲劳损伤,常见于运动员长跑、新兵训练以及老年人的日常活动,主要表现为骨组织显微裂纹的萌生、扩展,力学性能下降甚至是应力性骨折,危害很大.骨组织的疲劳损伤存在于包括超显微结构、显微结构和组织宏观的各个层面,皮质骨中的抗疲劳结构(骨单元)及内部的细胞成分(主要为骨细胞)对抵抗疲劳损伤、识别显微裂纹以及诱导后续定向骨重建过程具有重要作用.总结相关研究结果与结论有助于系统了解骨组织疲劳损伤行为及相应识别修复过程,同时也为后续骨组织疲劳损伤预防及治疗等临床研究工作的开展提供参考和方向.
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血管脉动对骨单元内液体流动行为的影响
骨组织内部存在两大类液体,一类是血液,一类是间隙流.骨细胞新陈代谢主要依赖于间隙流微环境.在骨组织的微观结构下,骨单元壁中液体的渗流行为是研究的热点.本文的主要目的是考察中央哈弗管的血管脉动对骨单元壁中的间隙流流动行为的影响.本文利用COMSOL Multiphysics软件分别建立了中空的和考虑哈弗管中血管脉动的骨单元多孔弹性力学有限元模型,并对比了轴向载荷下两种模型中骨单元壁中的液体渗流行为.结果表明:当考虑哈弗管中的血管脉动时,骨单元壁中液体的压力会明显增大,而流速几乎没有影响.具体地,骨单元孔隙组织液的压力幅值随着血压脉动幅值的增大而增大,受脉动频率的变化影响不大,而血压脉动幅值及频率对骨单元孔隙组织液的流速基本没有影响.该有限元模型可用来进一步研究非轴对称载荷及微裂缝等复杂应力状态下骨单元的多孔弹性力学行为,并为研究骨的力传导及力-电传导机制提供新方法.
