残余生物活性对骨组织生物摩擦学行为的影响

发布时间：2017-05-30 19:10

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【摘要】：骨骼作为人体的支架拥有良好的力学性能,骨骼系统中存在的很多生物摩擦副(关节摩擦副)往往因疾病、创伤等原因受到损伤而丧失其原有的功能,是威胁人类健康的严重问题之一,应用人工骨修复、替换人体病变或损伤组织器官,是临床医学中的有效治疗途径。人体骨组织与植入体之间构成典型的生物摩擦副,其摩擦界面间存在生命物质交换,如水、蛋白质、矿物等,会对其生物摩擦学行为有重要影响,即骨组织的生物活性对其生物摩擦学行为有重要影响。目前,已有研究表明骨组织生物活性物质的变化影响其力学性能和粘弹性。然而,关于生物活性对骨组织本身的生物摩擦学行为的研究还未见报道。因此,开展残余生物活性对骨组织生物摩擦学行为影响的研究工作具有创新性,研究揭示生物活性对离体骨组织生物摩擦学行为的影响和作用机理,对深入认识天然生物体材料与工程材料摩擦学特性的本质区别有重要意义,同时也为骨组织修复和人工骨的研制等技术创新提供重要的理论基础。本文对骨组织进行干燥处理,获得不同生物活性的骨组织样品,并对其中两组干燥样品进行浸润处理,同时还加入人工骨材料,在球-平面接触模式下进行摩擦学试验,其中还进行水含量对骨组织应力分布影响的有限元计算,主要研究生物活性对骨组织生物摩擦学行为的影响情况及其作用机理。主要结论如下：(1).在摩擦学试验中,水含量对骨组织生物摩擦学性能具有重要的影响,主要表现为：水含量降低导致骨组织表面弹性模量和纳米硬度增大,骨组织硬化塑性能力变差,脆性增强,对外加载荷敏感。水含量也影响骨组织的粘弹性,干燥后骨组织粘弹性差,骨组织易发生疲劳磨损和剥落。浸润条件恢复的水分能一定程度上恢复干燥骨组织的黏性和弹性,但不能使其摩擦学性能恢复。水含量在骨组织中的变化同时也影响骨组织中的胶原蛋白和矿物成分,导致了骨组织生物摩擦学行为的变化。(2)在本文选取的干燥温度下,矿物中的结晶水均能保持完好,60℃主要去除的是流动水和少量的亲和水,120℃能大量去除亲和水。同时,骨基质的主要成分I型胶原蛋白热稳定性差,受热会发生融化,水分的去除还会导致胶原蛋白硬化或变性。这些都导致骨组织中胶原蛋白的交联性能变弱,受到挤压或拉扯易发生断裂,导致骨组织脱层和剥落。胶原蛋白失活也会导致其上连接的矿物晶体脱落,从而加剧磨损。生物活性的变化对骨组织生物摩擦学行为有显著的影响。(3)有限元分析方法和人工骨及其生物活性涂层的摩擦学行为加深了对生物活性重要性的认识。有限元分析方法中,干燥后骨组织孔隙率明显增大,导致骨组织整体的应力值增大,使骨组织处于破坏应力作用。同时孔洞内易出现应力集中,哈弗氏系统的特殊结构对骨组织的保护作用削弱,干燥骨组织更容易出现损伤。人工骨及其生物活性涂层的往复摩擦学试验,说明生物活性涂层中的多糖成分作用类似于天然骨组织中的胶原蛋白,能交联无机成分从而增强粘弹性和韧性,提高生物摩擦学性能。去除多糖的涂层类似于脱水后的骨组织,其摩擦学性能较差。
【关键词】：骨组织 水含量 胶原蛋白 矿物质 人工骨 生物活性涂层 摩擦磨损
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 引言13-14
• 1.2 影响生命体的主要生物活性物质14-16
• 1.2.1 生物活性的定义14-15
• 1.2.2 生物活性物质对生命体的意义15-16
• 1.3 骨组织生物摩擦学的研究16-17
• 1.4 水分对骨组织影响的研究17-18
• 1.5 蛋白及矿物质对骨组织影响的研究18-19
• 1.6 选题意义和主要工作19-21
• 1.6.1 选题意义19-20
• 1.6.2 主要工作20-21
• 第2章 试验装置与方法介绍21-28
• 2.1 试验装置介绍21-22
• 2.2 试验材料选取及制备22-24
• 2.2.1 离体猪股骨材料制备22-23
• 2.2.2 人工骨材料制备23-24
• 2.3 试验参数24
• 2.4 磨痕形貌分析方法24
• 2.5 纳米压痕24-25
• 2.6 有限元分析方法25-28
• 第3章 水含量对骨组织生物摩擦学行为的影响28-38
• 3.1 力学性能28-30
• 3.2 往复滑动摩擦磨损行为30-34
• 3.3 冲击摩擦磨损行为34-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第4章 浸润后对干燥骨组织摩擦学行为的影响38-47
• 4.1 力学性能对比38-40
• 4.2 往复滑动摩擦磨损行为对比40-45
• 4.3 本章小结45-47
• 第5章 水含量对骨组织Mises应力影响的有限元分析47-53
• 5.1 径向接触有限元模型47-48
• 5.2 水含量对骨组织Mises应力分布的影响48-52
• 5.3 本章小结52-53
• 第6章 HA/Ag和HA/Ag/Cs生物活性涂层的摩擦学行为53-58
• 6.1 往复滑动摩擦磨损行为53-57
• 6.2 本章小结57-58
• 结论58-59
• 研究展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-67
• 攻读学位期间发表的论文67

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