本文關(guān)鍵詞：老齡相關(guān)骨退化對骨宏微觀力學(xué)性能影響的數(shù)值仿真研究

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【摘要】：骨作為人體重要組成部分,主要起支撐與保護(hù)作用。這種承載特性導(dǎo)致骨較易發(fā)生退化。同時衰老也會引起骨退化,致使其承載能力下降。隨著老齡化問題的加劇,發(fā)生骨退化的人數(shù)呈逐漸上升趨勢,但與老齡相關(guān)骨退化對骨力學(xué)性能的影響機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。本研究首先探討了與老齡相關(guān)骨退化對宏觀骨結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。由于宏觀骨力學(xué)性能的變化與微觀力學(xué)性能密切相關(guān),本研究又分別探討了與老齡相關(guān)的皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨退化對骨微觀力學(xué)性能的影響。通過綜合分析骨宏、微觀力學(xué)性能隨年齡的變化規(guī)律,揭示了與老齡相關(guān)的宏觀骨、皮質(zhì)骨,以及松質(zhì)骨的退化與斷裂機(jī)理,為老年人骨折及其它骨相關(guān)疾病的預(yù)防與治療提供有效依據(jù)。本研究分為以下3個部分:老齡化與負(fù)重會導(dǎo)致宏觀骨結(jié)構(gòu)的承載能力下降。目前已有大量文獻(xiàn)針對工作載荷對宏觀骨結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了較全面的研究,但卻鮮有關(guān)于休息時所受載荷對不同退化程度的宏觀骨結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響的報道。本研究在第1部分通過建立4個不同退化程度的多孔彈性腰椎有限元模型,探討了不同休息模式對腰椎受力與恢復(fù)的影響。設(shè)定總休息時間固定,每次休息時間與休息總次數(shù)不同。結(jié)果顯示,隨著休息次數(shù)的增加,腰椎所受軸向有效應(yīng)力及內(nèi)部體液交換率均逐漸減小,而髓核孔壓與間盤徑向位移均逐漸增大。腰椎中各個生理力學(xué)參數(shù)在不同休息次數(shù)下的變化率也有較大差異:對于正常、輕度,以及中度退化腰椎,休息1次與3次時其參數(shù)變化率最大;對于重度退化腰椎,休息5次時其參數(shù)變化率最大。因此,當(dāng)總休息時間固定,增加休息次數(shù)有助于退化腰椎的恢復(fù)。本部分為腰椎不同退化程度患者提出了更加合理的休息方式。宏觀骨結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化與其微觀力學(xué)性能密切相關(guān),且皮質(zhì)骨在宏觀骨結(jié)構(gòu)中起主要承載作用,所以皮質(zhì)骨的微觀力學(xué)性能對宏觀骨結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有較大影響。本研究在第2部分對不同月齡的大鼠股骨皮質(zhì)骨進(jìn)行了微觀力學(xué)性能分析,旨在量化得出皮質(zhì)骨微觀力學(xué)性能隨月齡的變化規(guī)律。依據(jù)大鼠股骨微觀影像建立了不同月齡的大鼠股骨皮質(zhì)骨微觀有限元模型,利用微觀有限元分析與宏觀壓縮實驗相結(jié)合的方法,模擬大鼠股骨皮質(zhì)骨在壓縮載荷下的斷裂過程,以預(yù)測不同月齡大鼠股骨皮質(zhì)骨在微觀層次的失效應(yīng)變。結(jié)果表明,不同月齡大鼠股骨皮質(zhì)骨的微觀失效應(yīng)變顯示出雙線性的變化趨勢:即當(dāng)大鼠從1月齡生長至7月齡時,微觀失效應(yīng)變逐漸增大;超過7月齡后,微觀失效應(yīng)變隨著月齡繼續(xù)增長顯著減小。結(jié)合宏觀實驗數(shù)據(jù)表明,在骨生長階段(1月齡-7月齡),皮質(zhì)骨宏、微觀力學(xué)性能皆有所提升;在骨老化階段(9月齡-15月齡),其微觀力學(xué)性能急劇退化,而宏觀力學(xué)性能卻未顯著下降。本部分通過分析皮質(zhì)骨宏、微觀層次的力學(xué)性能參數(shù),揭示了大鼠股骨皮質(zhì)骨在這兩個層次間的力學(xué)性能隨月齡的變化規(guī)律,為臨床上預(yù)防與治療老年人骨折提供理論依據(jù)。相比皮質(zhì)骨,松質(zhì)骨的孔隙率較大,且老齡退化會導(dǎo)致松質(zhì)骨量顯著下降。對于富含松質(zhì)骨的宏觀骨結(jié)構(gòu),其強(qiáng)度不僅與皮質(zhì)骨的力學(xué)性能相關(guān),更與松質(zhì)骨的力學(xué)性能密切相關(guān)。本研究在第3部分探討了與老齡相關(guān)的松質(zhì)骨退化導(dǎo)致的不同骨丟失位置與丟失方式對其力學(xué)性能的影響。通過減小骨小梁厚度和骨小梁數(shù)量模擬老齡退化引起的骨量丟失。老齡化導(dǎo)致骨小梁在應(yīng)變較小區(qū)域及隨機(jī)位置發(fā)生丟失,以此建立不同老齡松質(zhì)骨模型。應(yīng)用擴(kuò)展有限元方法針對松質(zhì)骨模型進(jìn)行斷裂模擬,觀測各個模型從裂紋起始至完全失效的過程。結(jié)果顯示,當(dāng)減少相同松質(zhì)骨量時,相比隨機(jī)位置發(fā)生骨丟失,骨小梁在應(yīng)變較小區(qū)域丟失對松質(zhì)骨力學(xué)性能的影響較大;骨小梁數(shù)量減少對松質(zhì)骨力學(xué)性能的影響大于骨小梁厚度減小,而豎直方向骨小梁數(shù)量減少又比水平方向骨小梁數(shù)量減少更易引起松質(zhì)骨的斷裂。本部分通過對松質(zhì)骨模型進(jìn)行斷裂模擬,量化得出不同骨退化位置及退化方式對松質(zhì)骨力學(xué)性能的影響,找到?jīng)Q定其力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。本研究采用宏、微觀有限元分析方法,并結(jié)合實驗數(shù)據(jù),探討了與老齡相關(guān)的骨退化對宏觀骨、皮質(zhì)骨,以及松質(zhì)骨在宏、微觀層次力學(xué)性能的影響,以此深入探索老年人發(fā)生骨退化與骨折的生物力學(xué)機(jī)理,為找到能夠預(yù)測、預(yù)防,以及治療老年人骨折的方法提供理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O342

【參考文獻(xiàn)】

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 肖智韜;基于非線性有限元法的人體腰椎強(qiáng)度預(yù)測及其在腰椎相關(guān)疾病中的應(yīng)用[D];吉林大學(xué);2013年

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本文編號：1260540