摘要：背景:目前,有限元分析多用于全膝关节假体衬垫的磨损仿真研究。目的:利用有限元分析单间室膝关节假体衬垫形状优化对磨损性能的影响。方法:基于Archard磨损理论建立了单间室膝关节假体的磨损有限元模型,研究了衬垫优化前后的接触压力及磨损性能变化规律。结果与结论:(1)在ISO标准步态载荷工况条件下,优化前后的衬垫接触压力分别为54.7 MPa和37.2 MPa,优化后的衬垫接触压力降低了32%;优化前后的衬垫线性磨损分别为4.38×10^-5mm和3.15×10^-5mm,优化后的衬垫线性磨损深度降低了28%;(2)结果表明优化后的衬垫可明显提高线性磨损性能,研究结果对单间室膝关节衬垫设计、磨损性能评估以及临床应用具有实际意义。

摘要：目的模拟在吻合钉植入人体以后,吻合钉表面与肠壁组织之间的微流场环境,研究其仿生疏水化表面对细胞外液流速和壁面处流体剪切力的影响,进而通过流场的变化调控细菌的黏附。方法观察鲨鱼皮肤微结构,建立细菌在微流场环境中的简化二维运动模型。通过计算流体动力学数值仿真,模拟静态流场和动态流场中,细菌分别在光滑表面和微织构表面的运动,比较两种表面环境下细菌周围的流场特征和流体剪切力,分析流体剪切力影响细菌黏附的内在机制。结果仿生微织构的加入增强了微流场内细胞外液的流速,在静态流场中流体对细菌的黏滞作用较小;动态流场中流体对细菌的推动作用更强;一定范围内的微坑宽度使微织构壁面所受流体剪切力更大。结论吻合钉的仿生微织构表面,加快了细胞外液的流速,提高了微织构壁面和细菌所受流体剪切力,对细菌的附着有一定影响。研究结果为吻合钉抑菌表面的研究提供了理论依据。

摘要：为探究锆基合金织构化表面微润滑机制,在锆基合金表面制备一种类似树蛙趾端表面多边形棱柱结构的仿生织构,利用ANSYS Fluent软件在模拟织构表面并建立液滴铺展模型,分析不同织构参数(织构边长、织构间距)下仿生织构表面的亲水性能。结果表明:六边形织构在相同面积率下可提供最长的凹槽长度及最长的织构边缘长度,在各多边形织构中具有较强的亲水效果;织构间距、织构边长与接触角之间均存在明显线性关系,接触角随织构间距的增大而减小,随织构边长的增大而增大,因此可通过调整织构边长与织构间距实现对亲水性能的改善。在研究的织构边长和织构间距范围内,锆基合金织构表面的接触角都低于光滑合金表面的接触角,表明建立的仿生织构表面改善了锆基合金的亲水性。

摘要：锆基合金对温度敏感,硬度不高,在粗车过程中存在温度过高、切屑易缠绕的问题。为此搭建车削平台研究锆基合金断屑机理,探究切削速度、进给量对锆基合金断屑情况、切削温度的影响。实验结果表明:提高切削速度对锆基合金断屑的影响较小,但是切削温度会随着切削速度的增加而升高;增大进给量可以显著提高断屑能力并降低切削温度。选用合适的切削参数可以有效改善锆基合金的断屑情况以及控制切削温度。

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：目的髋关节表面置换术被称为一种保骨手术,该手术只更换患病或受损的髋臼和股骨头表面,大部分的骨量得以保存。该手术适用于患有较小范围的股骨头缺血性坏死和轻微畸形的骨关节炎等疾病的年轻患者。本研究探讨表面髋置换中假体柄的长度对股骨近端生物力学的影响,找出假体柄的长度与股骨外侧皮质长度的关系。方法选取无髋关节疾病史的成年男性的股骨CT资料和常用表面髋假体,建立自然髋关节模型并建立表面髋假体模型。建立不同长度的表面髋假体柄,分别为60、55、50、45、40 mm。将皮质骨和松质骨分别赋予不同的弹性模量。股骨侧假体为锆铌合金材料,表面经过氧化形成金属陶瓷材料。使用有限元分析软件在股骨上方加载350 N观察股骨近端的应力变化。结果随着表面髋假体柄长度的减小,股骨上的最大Mises应力呈现出先增大后减小的趋势,最大主应变呈现先减小后增大的趋势;股骨头假体边缘和股骨交界处的应力值呈现出先减小后增大的趋势。结论当假体柄长度为50 mm时,此时股骨上的应力最大,为12.92 MPa;应变最小,为893.6με。由于建立模型的股骨外侧皮质长度为88 mm,通过计算,股骨假体柄长度与股骨外侧皮质长度的最佳比例应为57%左右,可以在此基础上进行表面髋假体结构设计。

摘要：目的探究多孔锆铌合金骨小梁假体界面的应力状态。方法本研究从多孔假体与骨整合三维结构简化为二维模型,利用结构特征设计骨和多孔骨小梁假体的二维结构,通过对比实心假体与多孔骨小梁假体的骨界面应力分析,进而分析通过不同的孔径和丝径(1、0.8、0.7、0.6、0.5、0.3 mm)分析骨-假体界面应力变化规律,以此来选择合理的孔径和丝径。结果多孔1 mm骨小梁假体最大剪切应力相比实心假体减少了45.8%,拉应力相比实心假体增加了15.2%。随着孔径的减少,骨界面最大剪切应力和拉应力均呈上升趋势,但在0.8 mm处最大剪切应力、拉应力最小;随着丝径的减少,骨界面最大剪切应力呈上升趋势,但在0.6 mm处最大剪切应力最小;骨界面拉应力呈下降趋势。结论多孔锆铌合金骨小梁假体和骨整合界面应力存在一定规律,在骨组织平均生理应变的条件下,数值计算表明随着孔径的减少,在0.8 mm区间处,骨界面最大剪切应力和拉应力均呈低谷点;随着丝径的减少,在0.6 mm区间处,骨界面最大剪切应力呈低谷点,拉应力取平均值达964.9 k Pa。这为多孔锆铌合金骨小梁假体植入界面的应力损伤提供一定启示。