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骨支架力学模型的研究

作　者: 龚兰云
导　师: 高永毅；张厚安
学　校: 湖南科技大学
专　业: 材料学
关键词: 生物衍生骨骨支架模型多孔材料有限元分析模拟
分类号: R318.08
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

骨修复材料中,人工骨支架材料是最有发展潜力的骨替代材料。本文通过实验制备了生物衍生骨支架材料,并进行了力学特性实验研究;参照人体自然骨组织微观结构,建立了反映其结构和力学性能的骨支架力学模型,并用数值模拟与试验相结合的方法确定了力学参数和验证了模型;通过模型模拟分析了骨支架材料的力学性能;以多孔金属材料与多孔涂层材料为例研究多孔材料的力学性能。通过以上研究得出了如下结论:1.获取了生物衍生骨材料,发现生物衍生骨的密质骨为有孔洞连通的骨板结构,松质骨在靠近密质骨段呈丛状结构,在远离密质骨段呈开孔网状结构;对制备出的生物衍生骨材料进行了实验研究,表明密质骨沿周向分层开裂,松质骨的通孔孔壁首先破坏。2.提出了一种建立反映人体正常骨结构和力学性能的骨支架材料力学模型的方法,分别建立了反映人体骨组织三维形态结构和力学性能的桡骨骨支架力学模型与生物衍生骨骨支架力学模型,得到了它们的剪切模量与时间的关系。3.通过两个骨支架力学模型对骨支架材料的模拟分析和研究,发现最大应力会出现在横向通孔孔壁上,横向通孔孔壁首先被破坏;应力与应变之间表现为非线性粘弹性关系;通过线性拟合的方法得到了骨支架材料的整体刚度。4.分别建立了多孔铜-铝-氧化铝复合材料和随机生成孔隙的多孔钛合金/HA涂层复合材料有限元力学模型,通过有限元模拟分析得到了多孔铜-铝-氧化铝复合材料剪切模量与时间关系,其等效弹性模量与实验值接近;多孔铜-铝-氧化铝复合材料的压力与位移的关系、受力面的支反力与加载时间的关系都表现为非线性粘弹性关系;得到了多孔钛合金/HA涂层复合材料等效弹性模量与孔隙率、固体分形维数与孔隙分形维数的变化关系;得到了多孔钛合金/HA生物骨支架材料较符合自然骨力学性能要求的孔隙率范围与孔隙/固体分形维数范围。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-20
  1.1 引言  10-11
  1.2 骨生物力学的研究现状  11-12
  1.3 生物骨支架力学模型的研究现状  12-16
  1.4 多孔铜-铝-氧化铝和钛合金/HA 涂层复合材料的研究现状  16-17
  1.5 课题研究的意义  17-18
  1.6 本文的课题来源和研究内容  18-20
第二章生物衍生骨性能的实验研究  20-32
  2.1 生物衍生骨的制备  20-22
    2.1.1 制备生物衍生骨的原料与试剂  20
    2.1.2 制备生物衍生骨的仪器  20
    2.1.3 生物衍生骨的制备方法  20-22
  2.2 生物衍生骨的性能  22-28
    2.2.1 生物衍生骨密度  22
    2.2.2 生物衍生骨的孔隙率  22-23
    2.2.3 生物衍生骨的力学性能  23-28
  2.3 生物衍生骨形貌  28-30
    2.3.1 生物衍生骨总体形貌  28
    2.3.2 生物衍生骨的松质骨形貌  28-29
    2.3.3 生物衍生骨的密质骨形貌  29-30
    2.3.4 生物衍生骨的破坏形貌  30
  2.4 本章小结  30-32
第三章骨支架力学模型的建立及验证  32-43
  3.1 骨支架材料的设计要求  32
  3.2 桡骨骨支架有限元模拟  32-37
    3.2.1 有限元方法  33-34
    3.2.2 结构模型  34-35
    3.2.3 力学模型  35-37
    3.2.4 模型验证  37
  3.3 生物衍生骨骨支架有限元模拟  37-41
    3.3.1 结构模型  37-39
    3.3.2 力学模型  39-40
    3.3.3 模型验证  40-41
  3.4 两种模型的对比分析  41
    3.4.1 孔洞分布  41
    3.4.2 适用范围  41
  3.5 本章小结  41-43
第四章骨支架力学性能的模拟研究  43-51
  4.1 桡骨骨支架力学模型的模拟研究  43-45
    4.1.1 整体应力分析  43-44
    4.1.2 整体压缩应力与应变关系  44
    4.1.3 整体刚度的计算  44-45
  4.2 生物衍生骨骨支架力学模型的模拟研究  45-50
    4.2.1 整体应力分析  45-46
    4.2.2 整体压缩应力与应变关系  46
    4.2.3 整体刚度的计算  46-47
    4.2.4 胞元分析  47-50
  4.3 本章小结  50-51
第五章两种骨支架用多孔材料的力学性能研究  51-61
  5.1 多孔铜-铝-氧化铝复合材料力学性能研究  51-54
    5.1.1 多孔铜-铝-氧化铝复合材料有限元力学模型  51-53
    5.1.2 多孔铜-铝-氧化铝复合材料的力学性能  53-54
  5.2 多孔钛合金/HA 涂层复合材料性能研究  54-59
    5.2.1 多孔钛合金/HA 涂层复合材料有限元力学模型  54-56
    5.2.2 多孔钛合金/HA 涂层复合材料力学性能  56-59
  5.3 本章小结  59-61
第六章结论与展望  61-63
  6.1 结论  61-62
  6.2 展望  62-63
参考文献  63-69
致谢  69-70
附录 A: 攻读硕士学位期间的科研成绩  70

骨支架力学模型的研究

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