摘要：三周期极小曲面(TPMS)可以通过公式精确地控制多孔支架的形态而被广泛应用。本文构建一种I型包装(I-WP)型多孔支架,采用有限元法研究壁厚和周期与支架形态和力学性能的关系,并进行压缩和流体性能的研究。研究发现,不同壁厚(0.1~0.2 mm)、不同周期(I-WP 1~I-WP 5)的I-WP型支架孔隙率在68.01%~96.48%范围内,等效弹性模量为0.655~18.602 GPa;随着周期和壁厚的增加,支架应力分布趋于均匀;拓扑优化后I-WP型支架等效弹性模量基本不变,渗透性提升52.3%。综上,对于I-WP型支架可以先调控周期参数,后调控壁厚参数,结合拓扑优化来达到设计要求。本文构建的I-WP型支架具有良好的力学性能,且满足修复人体骨组织的需求,为人工骨小梁支架的设计提供一种新选择。

摘要：为降低颅骨钻孔过程中的钻削温度与轴向力,通过有限元仿真软件ABAQUS建立颅骨钻削模型,探究麻花钻主要几何参数(顶角、螺旋角、腹板厚度与横刃斜角)对机械损伤与热损伤的影响规律。制备可减小机械损伤与热损伤的优化钻头,进行试验。结果表明:麻花钻最优几何参数为顶角96°、螺旋角38.802°、腹板厚度0.8 mm、横刃斜角131.018°;与优化前的钻头相比,优化后的钻头具有更低的轴向力与钻削温度。

摘要：在微重力环境下,宇航员承重骨骨量以每月1.6%的速度丢失,随时间推移出现骨质疏松甚至发生骨折。微重力引起的骨质流失是妨碍人类长期太空驻留和探索地外星球的主要障碍之一。因此,有必要探索微重力诱发骨质大量流失的发生机理,为治疗微重力下骨质流失提供新思路。本研究提出骨组织内陷窝-小管系统(lacunar-canalicular system,LCS)间隙传质缺失是失重性骨质疏松的主要原因,也是人体骨废用和衰老骨质疏松的重要原因之一。首先,在地球重力场下以自由扩散和对流运输的传质方式对离体骨样本进行传质实验,研究地球重力场下不同分子量示踪剂在LCS的传质规律;其次,通过高速离心机产生超重力环境,研究了超重力场(3、5、8、10 G)下离体牛胫骨样本的传质规律。最后,通过有限元方法对微重力下LCS溶质转运以及骨小管形态对LCS传质的影响进行研究。结果表明,骨单位内深层骨陷窝的荧光强度与哈弗氏管之间的距离成反比,微重力下大分子量的示踪剂无法有效通过LCS向深层骨细胞传输,最终导致骨细胞凋亡。本研究发现,微重力下LCS传质缺失及大分子量溶质无法有效传质是骨质大量流失的关键因素。

摘要：关节软骨是动关节内骨表面具有弹性的负重结缔组织,能提供低磨损润滑、缓冲震荡、传递载荷等支撑作用,具有层级纤维复合结构和优异的力学性能。软骨内没有血管、神经和淋巴,代谢缓慢,损伤后难以实现自我修复。目前,高发的关节炎疾病仍是基础与临床研究的一大热点。关节软骨是力学敏感组织,力学环境影响着组织不同方向的发展。2022年,学者们继续对关节软骨的生物力学与力学生物学开展大量研究;对软骨形态、功能与力学状态,以及不同条件下软骨力学状态的研究报道较多;研究设计了一些软骨相关的动物、组织及细胞水平的加载装置,也开展了体外及在体力学载荷下软骨退变、损伤的修复研究,获得了重要的修复方法及手段。关节软骨的生物力学与力学生物学研究是关节炎、软骨缺损及修复的基础,关节软骨损伤修复定量力学条件的影响还需体内和体外深入研究。

摘要：目的分析对比钛合金晶体多孔支架和三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)多孔支架的强度,探索孔隙率对等效弹性模量和渗透性的影响。方法构建相同孔隙率的晶体多孔支架(cell 1~4)和TPMS多孔支架(P、G、D和FKS型),利用有限元仿真方法,计算支架的等效弹性模量、等效屈服强度和渗透率。结果8种支架的弹性模量为5.1~10.4 GPa,屈服强度为69~110 MPa,4种晶体支架的渗透率为0.015~0.030 mm^(2)。结论随着孔隙率的增加,支架的弹性模量和屈服强度逐渐降低,渗透率逐渐升高;cell 2型支架因其较高的弹性模量和屈服强度,适合用于承重骨部位缺损的修复;cell 3型支架应力分布均匀,且线弹性阶段较长,可能适用于膝关节假体的多孔胫骨平台设计。

摘要：在骨科手术中,铣削力过大会导致铣刀断裂、骨组织二次损伤等问题。本文基于ABAQUS仿真软件建立了球头铣刀铣削皮质骨有限元模型,并且验证了模型的正确性。设计了正交试验,利用极差分析法得到铣削参数对铣削力的影响程度。利用多元线性回归处理试验结果,建立了皮质骨铣削力的预测模型。研究结果表明,对铣削力影响最大的是进给速度v_(f),主轴转速n次之,刀具直径d的影响最小。实际操作中,合理选择铣削参数可以提高加工效率,通过控制切削用量可以获得最优的铣削力。

摘要：目前研究力学因素对细胞行为的影响很大程度上依赖于离体实验,基于此本文研制了一种具有较大均匀应变区域的培养室,其中含有以直线电机为动力,频率高达20 Hz的细胞拉伸加载装置,可对细胞施加力学作用。本文以应变均匀为目标,基底厚度为变量,利用有限元技术对传统培养室的基板底部进行优化,最后构建了切面为“M”型结构的新型培养室三维模型,并采用三维数字图像相关法(3D-DIC)检测应变场和位移场的分布,以验证数值模拟结果。实验结果表明,新型细胞培养室增大了应变加载的准确性和均匀区域,较优化前提高了49.13%~52.45%。另外,利用该新型培养室初步研究了在同一应变、不同加载时间下舌鳞癌细胞的形态变化。综上,本文构建的新型细胞培养室结合了以往技术的优点,可传递均匀精准的应变,以便用于广泛的细胞机械生物学研究。

摘要：目的分析膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)和全膝置换术(total knee arthroplasty,TKA)后长期胫骨近端力学性能的变化,探究UKA和TKA的失效原因。方法建立健康、UKA、TKA胫骨近端有限元模型,利用Wolff骨重建理论结合有限元法预测胫骨近端的密度分布和应力分布。结果UKA外侧踝平均应力基本不变,但呈增大趋势,平均密度增加2%,内侧踝平均密度减小13%,平均应力均减少11%。TKA外侧踝平均密度减少1.5%,平均应力减少14%,内侧踝平均密度减少1.4%,平均应力减少19%,假体末端平均密度增加10%,平均应力增加15%。结论UKA、TKA假体的植入会造成应力遮挡现象,可能是产生术后假体松动的主要原因。TKA假体末端应力增大,可能导致TKA失效。UKA非置换侧平均应力随着骨重建的进行不断增大,可能导致UKA中远期对侧骨关节炎恶化。研究结果可以为降低UKA、TKA并发症发生概率提供数据支持。

摘要：软骨内细胞正常代谢所需的小分子营养物质和细胞生长因子等主要通过分子自由扩散进入软骨,但目前软骨内具体传质规律尚有待研究。该研究以小分子罗丹明B为示踪剂,分别建立表面、侧面和复合路径下的软骨传质模型,通过激光共聚焦显微镜对不同传质时间下软骨进行切片观察,分析研究小分子在软骨不同层区内的运转规律。结果表明:在表面路径下,罗丹明B在2 h内可扩散至软骨全层;随着传质时间增加,软骨全层荧光强度增强;相比于2 h,传质24 h后软骨浅表层、中层和深层的平均荧光强度分别增加了1.83倍、1.95倍和3.64倍。在侧面路径下,罗丹明B沿软骨宽度方向进行传质,分子传输距离随着传质时间的增加而增长,在传质24 h后可转运至2 mm处。在复合路径下,无论沿着软骨厚度方向还是宽度方向,其传质效果都优于表面路径和侧面路径,尤其是可以改善软骨深层的传质效果。本研究可为软骨损伤的治疗和修复提供参考。

摘要：目的了解由间质液流动而产生的流动电势在关节软骨中的分布规律,获得一定的软骨电特性。方法将流体控制方程与静电理论结合,建立软骨二维微元模型,通过有限元法计算在一定压力下微元内产生的稳态流动电势。结果在长度为5μm处关节软骨微孔隙模型中的流动电势约为38.4μV,外压和Zeta电势对软骨模型的流动电势影响比较大,并且呈线性增长的关系。流动电势随离子数浓度的增加而减小,但浓度对软骨流动电势影响有所不同。当离子数浓度较低时,流动电势对离子数浓度依赖较大;当离子数浓度较高时,离子数浓度对流动电势的影响很小。结论研究结果为利用电流、电场、电磁场刺激等方法对软骨细胞的分化增殖、关节软骨疾病防治和治疗、组织工程化软骨研制以及关节软骨损伤修复提供重要的理论依据。