《骨單元的多孔介質彈性力學行為及骨的力-電性質研究》是依託太原理工大學，由武曉剛擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：骨單元的多孔介質彈性力學行為及骨的力-電性質研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：武曉剛
- 依託單位：太原理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目以骨重建過程為背景，套用多孔介質彈性力學原理對骨單元進行理論建模，並對骨單元從受載荷作用到內部骨小管內液體流動，再到產生流體剪應力和流動電位這一過程進行生物力學建模，最終得到外載荷與骨單元內部液體壓力、流速、骨小管內液體流動產生的流體剪應力及流動電位的聯繫公式，最後將通過實驗得到骨在模擬受到生理載荷作用(行走、跑步)時所產生的力-電電位，並與理論模型對比。本研究工作將揭示骨內力-電效應產生的機制，豐富骨重建的內容，為應力、電刺激骨生長等臨床套用提供理論支持。
結題摘要
骨組織受力變形後其內部液體就會流動，同時在其微觀結構——骨單元壁中擴散，並進一步產生一系列與骨液流動相關的物理效應，如流體剪下應力、流動電位等，這些物理效應被細胞感知並做出反應，如破骨、成骨等來適應外部載荷環境。鑒於骨組織產生的內部液體流動很難實驗測定，理論模擬是目前的主要研究手段。本項目基於多孔彈性原理建立了骨內液體流動參與下的力及力電傳導的生物力學模型，揭示了載荷作用下骨內部液體的流動方式，以及流體剪應力及流動電位的產生機理過程。重要工作如下： (一)、建立了中空的和考慮哈弗液體的骨單元理論模型，主要結論：(i) 與中空骨單元模型相比，考慮哈弗(管)液體存在的骨單元模型中的液體壓力場和流速場會明顯增大。(ii)真正決定骨單元多孔介質彈性力學行為的是應變率。 (二)、建立了骨小管(~500nm)內的液體流動及產生流體剪應力及流動電位模型，主要結論：(i)骨小管內液體產生的流動電位/流體剪應力隨著外部載荷大小(應變幅值)和頻率的增加而增大。(ii)影響流動電位/流體剪應力的決定因素是應變率，並且在應變率相同的情況下，含哈弗管液體的骨單元模型中，骨小管產生的流動電位/流體剪應力要大於中空骨單元模型。 (三)、建立了軸向載荷下含微裂縫的骨單元多孔介質彈性力學有限元模型，發現在微裂縫影響骨單元內部壓力及流速的分布，而且微裂縫處的流速明顯高於無裂縫部位。隨後考慮了不同微裂縫大小、形狀及方向的影響：（I）等面積的微裂縫下，橢圓微裂縫對骨單元內部液體流動影響較矩形大；(ii) 不同方向的微裂縫對骨單元內部液體的壓力與流速的影響存在一個影響區域。 (四)、建立了壓縮、彎曲和壓彎載荷形式下骨單元多孔介質彈性力學有限元模型，得到結論：(i)軸向載荷作用下壓力、流速沿著軸向是均勻分布，而其他兩種載荷形式則不均勻。(ii)相同載荷幅值下，軸向載荷產生的壓力和流速幅值最大，壓彎組合載荷下的次之，彎曲載荷最小。 (五)、對大段牛股骨結構(~cm)進行了人日常活動(行走、跑步)受力狀態下的力-電效應實驗研究，結論如下：(i)當牛股骨給以人正常行走和跑步狀態下的載荷和頻率時，跑步狀態下產生的電壓較行走的大。(ii)行走和跑步過程中產生的電壓隨載荷和頻率的增大而增大。(iii)產生的電位幅值與載荷幅值、頻率、應變率密切相關，實驗曲線中近似地顯示出正比例關係，與理論結果相符。
