骨微納米力學性能及韌化機理研究

《骨微納米力學性能及韌化機理研究》是依託華南理工大學，由杭飛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：骨微納米力學性能及韌化機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：杭飛
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

骨骼是人體重要器官，具有優良的力學性能。骨納米力學的研究，有利於揭示骨病影響骨力學的基本機理，對研發新型仿生骨修復材料具有指導意義。不同於傳統採用納米壓痕原理的原位力學測試方法，本項目利用MEMS對微納米尺度骨材料樣品進行直接機械測試，結果更準確，應力狀態更接近骨骼真實受力情況。同時，具有原子解析度的AFM原位記錄骨基本結構單元MCFs內三螺旋多肽鏈和HA晶體的行為特徵，從而揭示MCFs形變、失效和斷裂的分子行為機理。通過匹配骨樣品的應力應變情況，可進一步研究MCFs在骨形變中的影響和對骨巨觀力學性能的貢獻。研究還將驗證項目組提出的，MCFs間游離Ca2+離子通過調控骨形變中MCFs的滑移行為，從而影響骨斷裂韌性的假設。通過此項目，將有望更深入的理解MCFs影響骨整體力學性能，尤其是斷裂韌性的基本機理。

結題摘要

骨是人體中重要的器官，起著承重、支撐、保護的作用。骨組織是具有複雜結構和優良力學性能的複合材料，對骨微納米力學和結構關係的研究，有利於揭示骨疾病影響骨力學的基本機理，也能為研發新型仿生骨修復材料提供支持。項目結合了MEMS和AFM，成功研發了新型原位微納米力學測試裝置。與傳統微觀米力學測試方法相比，其應力狀態更接近骨骼真實受力情況，結果更準確，並能精確提供原位力學行為信息。通過骨原位力學研究，追蹤了裂紋在骨單元尺度的微結構中傳播的微觀力學行為，原位分析了微結構對裂紋擴展的影響，進一步揭示了各種微觀增韌機理在裂紋傳播過程中的作用方式及貢獻，也分析了纖維取向對裂紋尖端擴展的影響，發現微裂紋更傾向於沿著纖維取向起始。通過對骨天然表面的原位納米研究，本研究首次原位記錄到骨斷裂過程中的納米纖維橋接韌化現象。通過研究骨基本結構單元MCFs在骨斷裂過程中的力學行為，揭示了MCFs形變、失效和斷裂對骨巨觀力學性能的貢獻，進一步探討骨納米尺度韌化機理。對不同發展階段和骨質疏鬆骨原位微納米力學研究，揭示了可能的骨發育生物礦化機理，同時，發現了MCFs間游離鈣離子通過調控骨形變中MCFs的滑移行為，能夠影響骨斷裂韌性。這些發現都能更深入的揭示疾病對骨力學行為的影響，為骨病的治療提供新思路及理論依據。