骨压电电压信号特征的实验研究

【摘要】：研究骨的力电性质,目的在于确定力或电位与骨生长的关系,探索骨内应力及应力产生的电位影响骨细胞生长的作用机理。骨受力变形产生的极化电荷分布十分复杂,这种非均匀分布的电荷在骨内产生非均匀的电压分布,可能正是影响骨重建的因素之一。在微裂纹产生的部位,由于应力集中的存在,裂尖处的压电电位有可能比其它部位高,而且这种压电电位有可能会影响裂纹的愈合或累积。因此直接测量骨受力极化后的压电电压分布是十分必要的。 本文研发了一套以Instron1343疲劳试验机和BMA-931生物放大器为主要设备的骨压电电压测试系统,对系统采用了双层金属屏蔽的技术处理,基本消除了屏蔽内部和外界的静电干扰,实现了干牛骨压电电压信号的可重复性测试。 本文分析了梯形脉冲载荷作用下骨压电电压的波形特点,骨的压电电压信号只产生于加载的动态阶段,而在载荷保持不变时,骨表面的电荷会快速泄放,使骨压电电压信号逐渐衰减为零。以指数衰减规律为基础,本文构造了拟合函数,得到了与实验结果基本吻合的压电电压拟合波形曲线,并发现载荷增加过程中的电压松弛时间小于载荷保持阶段的松弛时间,而且加载时试样不同部位的松弛时间也不同,需用一个时间的指数系数综合表示。 本文对骨压电电压随环境湿度的变化特点进行了实验研究,对三种不同环境湿度下的骨压电电压和压电电荷信号进行了测试分析。骨压电电压的幅值随着相对湿度的增加而明显减小,压电电荷也随湿度增加而减小,但减小的幅度不像压电电压那样明显。 本文采用三点弯曲和四点弯曲对比的方式,确定了切应力对骨压电电压信号的影响。研究结果表明切应力决定了骨压电电压的极性,并对骨压电电压的幅值起主要作用,而正应力对压电电压信号也起作用,只是影响较小。 本文对不同深度的切槽对骨压电电压信号的影响进行了实验研究。随着切槽深度的增加,槽口尖端的应力大大增加,但切口两侧的大部分面积由于切口的释放而使应力减小,二者的共同作用使保持应力切槽部位不变的情况下,总体上的压电电压随着切槽深度的增加而减小。