多物理場作用下考慮修復效應的骨材料損傷力學研究

《多物理場作用下考慮修復效應的骨材料損傷力學研究》是依託天津大學，由曲傳詠擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多物理場作用下考慮修復效應的骨材料損傷力學研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：曲傳詠
• 依託單位：天津大學

項目摘要

作為人體重要的器官的骨組織是一種結構極為複雜的生物複合材料，加之生物體特有的損傷修復功能，其損傷力學行為研究本身具有相當大的難度和十分重要的意義。本項目擬從理論模擬和實驗分析兩方面對骨組織的損傷力學行為進行較為系統的研究。在理論模擬方面，本項目將著重研究以下兩個方面的內容：其一，從細微觀力學分析的角度，研究骨的微結構對其整體抗損傷性能的影響；其二，建立考慮修復效應的骨損傷力學行為的模型，研究損傷在骨重建中的重要作用以及其對骨重建的重要影響，從而模擬各種外界載荷包括電磁場等多場耦合載荷對骨組織損傷力學行為的影響，並對不同情況下骨組織的壽命和骨折風險進行預測。在實驗分析方面，本項目將主要從實驗的角度研究骨組織在不同力學載荷下的損傷形式以及骨的微結構對材料整體性能的增韌和增強作用，從而為理論模型提供必要的實驗支持和驗證，使其更加完善合理。

結題摘要

骨組織作為人體重要的承重器官，其力學性能和損傷行為一直是人們關注的焦點。與普通的非生物天然材料以及人造材料不同，骨骼雖然本身作為為易損傷的材料在承受日常活動產生的各種循環載荷之後，即使也會產生疲勞損傷和斷裂，然而由於其具有自修復能力，其損傷會維持在一個相對低的水平，以使它能有一個比類似的非生物材料長的多的使用壽命。而骨損傷的修復則是通過一個叫做骨重建的過程來實現的。但是骨重建不只是可以修復骨損傷，它還有另外一個重要的功能，就是可以調整骨內部的結構來適應外界環境的變化。於是，出了被廣泛研究的力載荷之外，很多其他因素都會對骨的損傷行為產生影響，只要他們可以影響骨的重建或者損傷。然而，目前有關這方面的研究還很少。 基於前述背景，針對先前骨損傷研究中存在的不足，本項目以骨材料為主要研究對象，就多場耦合載荷作用下骨的損傷和修復行為展開研究，建立新的多場耦合作用下的骨損傷模型，使該模型可以涵蓋各種影響骨損傷的因素，包括力學因素和非力學因素，主要是外加電磁場以及激素和一些藥物的影響。在新建立的模型基礎上，我們模擬了上述因素作用下骨的損傷行為，考察了上述因素對骨損傷行為的影響。 研究結果表明：很多力學因素和非力學因素都會對骨的損傷行為產生影響。力學載荷雖然會使骨產生疲勞損傷，但是骨組織卻可以一方面通過骨重建來修復這些損傷以延長自己的壽命，另一方面改變自己的結構使骨更加強壯以便更好的抑制骨損傷。與力學因素相比，電磁刺激是一種更為有效的抑制骨損傷的手段。它和力載荷同樣可以加速損傷修復，強健骨骼，但是與此同時卻不會使骨產生新的損傷，這是力載荷做不到的。 上述的得到的這些結果期望服務於骨骼疾病的治療和康復。而且從力學角度分析骨的損傷行為，可以得到一些單純醫學角度得不到的結果，從而更好的理解骨的損傷和修復機理，為骨骼疾病的治療和康復提供理論和技術上的參考，還可以為今後高性能生物醫療結構及自主控制系統的設計提供一定的定性的或半定量的支持，推進其在醫療工程結構中的套用。