骨的疲劳损伤和修复

骨是人体承担力学功能的器官，习惯性生理运动范围内中等应力／应变水平就能引起骨的疲劳损伤，激烈运动甚至引起骨折。骨疲劳损伤的实质是骨基质上产生比典型裂纹更小的裂纹，此种裂纹也可能出现在胶原和羟基磷灰石晶体水平，但骨能对基质损伤进行修复，即对损伤区的骨质吸收，然后替换新骨质，骨细胞通过损伤的细胞突和调整性细胞死亡发出骨损伤基质吸收的信号骨细胞在骨基质损伤修复过程中起重要的作用。骨的疲劳和修复是骨的一种生理现象，研究者们把此过程用数学，力学模型定量化描述，以达到对骨生理过程更深的认识及临床实践更好的应用。     

骨表面再造数值模拟在人工股骨头假体优化设计中的应用

人工股骨头假体植入技术目前存在的主要问题之一是植入假体存在远期松动等并发症,从而导致手术失败.对于引起松动的主要原因,通常人们认为是磨损碎屑和应力遮挡所造成的骨质吸收.因此,对人工股骨头假体植入物的结构进行优化是具有特别重要的意义.本文采用骨再造理论与有限元结合的方法,用计算机模拟人工股骨头假体植入后股骨的再造行为,用截面吸收率和抗弯截面模量损失率定量分析假体所产生的应力遮挡效应.骨再造理论采用应变能密度作控制变量的表面再造理论,有限单元采用二十节点等参数单元.结果表明在所讨论的假体模型中,三种围领形式的假体所产生的骨吸收仅相差4%.三种长度直柄的假体所产生的骨吸收相差近30%,直柄长度的变化对应力遮挡效应有更显著的影响.     

多载荷下带有生理限定应力的松质骨细观结构模拟

松质是骨的重要组成部分，属多胞体结构，由于构成松质骨的小梁骨尺寸较小，形状多变，因此给松质骨的研究增加了困难。本文把负反馈调节的生理特征引入骨再造模拟中，提出带有生理限定应力的骨再造自适应模型。模型具有骨再造局部适应的正反馈调节与整体控制的负反馈调节的生理调整过程，使骨结构内的应力控制在生理限定应力以下，维持骨力学环境的稳定。使用此模型在几种不同的力学环境下模拟了松质骨结构，定量地预测了松质骨细观结构与其力学环境的对应关系，同时表明了松质骨细观结构与力学环境的适应性。模拟结果与真实松质骨细观结构的典型部分相一致。     

骨表面再造数值模拟在人工股骨头假体优化设计中的应用

人工股骨头假体植入技术目前存在的主要问题之一是：植入假体存在远期等工发症,从而导致手术失败。对于引起松动的主要原因,通常人们认为是磨损磨屑和应力遮挡所造成的骨质吸收。因此,对人工股骨头假体植入物的结构进行优化是具有特别重要的意义,本文采用骨再造理论与有限元结合的方法,用计算机模拟人工股骨头假体植入股骨的再造行为,用截面吸收率和抗弯截面模量损失率定量分析假体所产生的应力遮挡效应,骨再造理论采用变能密度作控制变量的表面再造理论,有限单元采用二十节点等参数等单元。结果表明：在所讨论的假体模型中,三种围领形式的假体产生的骨吸收仅相差4％。三种长度直柄的假体所产生的骨吸收相差近30％,直柄长度的变化对应力遮挡效应有更显著的影响。     

界面间隙对假体周围骨小梁结构的影响

我们从生物力学的角度出发 ,将骨自优化理论和非线性有限元法相结合 ,研究了骨 假体界面间隙及摩擦系数对假体周围骨再造的影响。研究表明界面间隙的大小对假体周围骨再造起着至关重要的作用。从动物实验和临床中我们可以观察到 ,假体周围再造的小梁骨的结构是可以变化的。一种是在假体周围有环绕假体的骨性结构 ,骨小梁如辐条状与这种骨结构相连而形成的有轴心辐条结构 ;另一种是在假体周围没有骨性结构 ,骨小梁直接与假体相连而形成的无轴心辐条结构。结果表明 ,在完全固定的边界条件下 ,会产生无轴心的辐条结构 ;在有间隙或滑动的边界条件下 ,会产生有轴心的辐条结构。在特定的生理条件下 ,轴心的厚度取决于骨 假体界面间隙值的大小 ,而与摩擦系数无关。     

应变能密度作控制变量的骨干表面再造—理论预测

用应变能密度作控制变量，其改变量作再造动力，在常压下，将骨干抽象成圆柱形筒，进行骨干表面再造的理论预测。推出的控制内外表面移动的非线性微分方程组的解有８ 种类型，对应的压力值和内外表面再造率系数有４５ 种。它包括了Ｃｏｗｉｎ 用应变作控制变量的理论预测的解。尽管模型与实际相比有一定局限性，但仍能与典型的动物试验结果相一致。从而从理论上说明了用应变能密度作控制变量的适应性骨再造的可靠性。