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骨内流动电位特性及骨替代材料力学相容性研究

徐莲云  
【摘要】:骨具有力电性质,即骨内应力产生电位的现象—SGP(stress-generated potentials),SGP产生于两种机理—压电效应和动电现象,骨的动电现象主要是指流动电位。骨内出现流动电位的外部原因是骨受力变形时所引起的压力驱动骨内哈佛氏管或骨小管内的液体流动而产生的。由于人体经常受动态载荷作用,研究骨在动态加载过程中流动电位的变化,更有助于了解骨细胞周围电环境的性质 首先,在位置控制模式下测试了加载速率对骨试样流动电位的影响,液体压力随时间非线性增加,结果发现随着加载速率增大,骨内流动电位稳定值有减小的趋势。 为了进一步证实上述结论,完善了骨流动电位测试系统,实现了在特定加载速率下的压力控制,即以流体压力为控制参数实现了液体压力的恒速加载。对试样在两种状态下应用五种加载速率进行了测试。一种液体能够从试样的各方向孔隙中流出,另一种骨试样侧面全部用硅胶密封液体,流体基本只能从哈佛氏管和福尔克曼氏管中流动。 结果发现两种密封情况随着加载速率提高,流动电位均有减小的趋势。当加载速率相同时,测得骨试样外侧全部密封时的流动电位稳定值比部分密封时减小了至少一半以上,在骨小管中产生的流动电位大于在哈佛氏管中产生的流动电位。 流动电位随着加载速率的提高而减小的原因是骨内微孔隙内壁非光滑性引起了湍流所致。 为了证明上述结论,利用FLUENT采用数值模拟的方法分析哈佛氏管中流体的流动状态。模拟结果说明,哈佛氏管靠近内壁附近出现湍流,加载速率越高湍流越明显。加载速率为360kPa/s比26kPa/s的湍流区域明显大一些 第二项工作是探索骨替代材料的静态力学相容性。为了研究羟基磷灰石植入体内软组织对其弹性模量的影响,将羟基磷灰石植入大白鼠的皮下(与骨组织和软组织接触)20天、40天、60天、80天后将其取出,采用数字图像相关方法研究纤维组织对人造羟基磷灰石弹性模量影响。研究结果显示,羟基磷灰石植入大白鼠皮下20天时的弹性模量有明显增加,增加幅度为28.83%,之后弹性模量变化幅度不大。


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