基于表观压缩实验与有限元分析相结合的骨微观力学性能参数预测方法的研究

骨表观力学性能参数常被用来评定骨质量,而微观力学性能参数由于难以测得尚未被广泛应用。为从微观水平评判骨质量,本研究提出一种骨微观力学性能参数的预测方法。该方法以大鼠股骨皮质骨为研究对象,预测其在微观水平的失效应变。首先依据扫描影像建立大鼠股骨皮质骨有限元模型,然后以表观压缩实验为研究依据,模仿实验条件,模拟皮质骨有限元模型在压缩载荷作用下的断裂过程,并通过与实验所测表观应力-应变曲线进行对比、反演,预测出大鼠股骨皮质骨在微观水平的失效应变。分析结果显示四只7月龄大鼠股骨皮质骨的微观失效应变数值处于4.53%~4.75%之间。经验证,本方法能够准确预测出骨结构在微观水平的力学性能参数。     

不同失效模式下皮质骨结构临界能量释放率预测

背景:临界能量释放率是结构在破坏过程中可测得的一个全局断裂力学参数,即使针对同一结构,在不同失效模式下其数值也可能存在差异。目的:提出一种方法预测皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率。方法:针对大鼠股骨皮质骨结构进行三点弯曲与轴向压缩实验以及相应断裂仿真。通过对有限元模型赋予不同临界能量释放率进行断裂模拟,并将每次模拟所得载荷-位移曲线与实验数据进行比较,当仿真与实验所得断裂参数差异小于5%时,即代表拟合成功,以此反演预测皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率。结果与结论:①结果显示大鼠股骨皮质骨结构在三点弯曲载荷下主要发生拉伸破坏,该失效模式下所预测临界能量释放率为0.16N/mm;②在轴向压缩载荷下主要发生剪切破坏,所预测临界能量释放率为0.12N/mm,这说明同一皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率存在差异;③此文通过对结构力学性能与损伤机制进行综合分析,揭示了不同失效模式下皮质骨结构临界能量释放率存在差异的原因,为能量释放率测量以及准确的皮质骨断裂模拟提供理论依据。     

压缩载荷下不同应变判定皮质骨断裂准确性分析

目的 寻找适合压缩断裂工况下的应变判据。方法 基于连续损伤力学理论进行皮质骨在压缩载荷下的断裂模拟。分别将等效应变与主应变设置为有限元模型单元损伤与失效判据进行断裂模拟,通过对比两种预测结果与动物实验数据,探究应用两种应变判据进行断裂模拟的准确性。结果 应用等效应变判据模拟的断裂时间晚于应用主应变模拟;相比等效应变,应用主应变进行仿真所得结果与动物实验结果更为接近。结论 压缩载荷下,应用主应变判定皮质骨单元力学状态进行断裂模拟较为准确。通过对比分析找到准确模拟皮质骨在压缩载荷下断裂的数值方法,能够为临床中提高骨折预测精度提供理论基础。     

基于不同应变判定准则模拟皮质骨断裂的准确性

文题释义：基于等效应变断裂模拟：即在大鼠股骨皮质骨断裂模拟过程中,应用皮质骨有限元模型在外部载荷作用下所产生的等效应变数值,与皮质骨组织的失效应变进行对比,当等效应变数值大于皮质骨组织失效应变时,有限元模型内的单元便发生失效,直至失效单元达到一定数量,模型便发生整体失效,此过程为基于等效应变的断裂模拟。基于主应变断裂模拟：即在大鼠股骨皮质骨断裂模拟过程中,应用皮质骨有限元模型在外部载荷作用下所产生的主应变数值,与皮质骨组织的失效应变进行对比,当主应变数值大于皮质骨组织失效应变时,有限元模型内的单元便发生失效,直至失效单元达到一定数量,模型便发生整体失效,此过程为基于主应变的断裂模拟。背景：由于意外碰撞等外力因素所产生的皮质骨裂纹是引起骨折的重要原因之一,要防止此类骨折发生,首先需弄清不同载荷作用下皮质骨裂纹的产生与扩展机制。由于实验分析对样本具有破坏性,难以同时了解骨结构在断裂前后的内部力学状态,找到一种能够准确模拟皮质骨从裂纹产生、扩展,直至断裂过程的有限元方法就显得尤为重要。当前模拟方法主要应用主应变或等效应变判定模型单元力学状态,继而进行断裂模拟,却鲜有关于这2种应变进行模拟准确性的探究。目的：验证应用主应变与等效应变进行皮质骨断裂模拟的准确程度。方法：结合实验与仿真分析,应用主应变与等效应变进行皮质骨断裂模拟,将仿真与实验结果进行对比,确定应用哪种应变进行模拟更加准确。结果与结论：①应用主应变模拟的皮质骨断裂时间要明显晚于应用等效应变;②通过与实验对比发现,相比主应变,应用等效应变进行仿真所得结果与实验值更为接近;③因此,应用等效应变进行皮质骨断裂模拟相对更加准确。ORCID: 0000-0003-0313-1359(王伟军)中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

皮质骨微观能量释放率与大鼠月龄关系

目的 预测大鼠股骨皮质骨微观能量释放率,并探究微观能量释放率随大鼠月龄的变化关系。方法 依托前期实验数据,结合皮质骨断裂模拟数值方法,对比仿真与实验测得载荷-位移曲线及断裂模式,反演预测不同月龄大鼠股骨皮质骨的微观能量释放率。结果 经预测得到1、3、5、7、9、11、15月龄大鼠股骨皮质骨微观能量释放率分别处于0.08~0.12、0.12~0.14、0.15~0.19、0.25~0.28、0.23~0.25、0.19~0.22、0.13~0.16 N/mm。结论 微观能量释放率随月龄增长而下降导致失效载荷降低,说明微观能量释放率是决定骨折发生的主要因素之一,但断裂时刻却未观察到明显下降,说明微观能量释放率与结构断裂时刻未成线性正比关系。研究结果能够从临床层面协助解释皮质骨的骨折发生机制。     

有限元法分析车辆低频振动时不同退变程度人体腰椎的力学响应

背景:长期处于车辆低频振动环境中不利于人体腰椎健康,且部分驾驶员腰椎已发生了一定程度的退变,然而车辆低频振动对不同退变程度腰椎的损伤机制尚无定论。目的:通过对比同一腰椎在不同振动环境以及不同腰椎在同一振动环境中的力学响应,确定不同振动频率对不同退变程度腰椎力学性能的影响。方法:建立4种不同退变程度人体腰椎有限元模型,施加车辆正常行驶时可能产生的低频振动,模拟腰椎在低频振动作用下的力学响应。结果与结论:①短时间低频振动时,4种腰椎的阻尼减振效果较好,而一旦振动时间过长,中度与重度退变腰椎的力学性能显著下降,因此建议已患有中、重度腰椎退变的驾驶员驾车时间不易过长;②随着退变程度加重,腰椎固有频率有逐渐降低的趋势;③排除共振频率,同一腰椎在不同振动频率作用下力学性能变化不显著,也就是说,驾驶同一辆车在不同良好铺装路面行驶对驾驶员腰椎力学性能的影响并无明显差异。     

不同跑步速度对大鼠股骨皮质骨组织失效应变的影响

目的 预测皮质骨组织失效应变,探究不同速度跑步对大鼠股骨皮质骨力学性能的影响。方法 设定皮质骨材料失效应变阈值,针对大鼠股骨有限元模型进行三点弯曲下的断裂模拟,将每次预测所得载荷-位移曲线与同一样本实验曲线进行比较拟合,以此反演预测组织失效应变。结果 皮质骨组织失效应变在不同速度跑步下存在显著差异,说明不同速度跑步力学刺激对皮质骨结构微观力学性能产生一定影响。其中组织失效应变在以12 m/min速度跑步中最大,在以20 m/min速度跑步中最小。结论 通过观测组织失效应变变化趋势,并结合皮质骨结构的宏观断裂载荷与纳观组织弹性模量变化趋势,探讨不同速度跑步力学刺激对皮质骨结构力学性能的综合影响,并找到有利于提升皮质骨力学性能的跑步速度,为通过跑步锻炼提高骨强度提供理论依据。