智能生物材料

第1页姓名李华腾学号2014282020126专业集成电路工程课程名称智能与生物材料课程类型选修课班级硕2生物硬组织材料力学研究方法进展研究生物硬组织材料的力学性质对于预防和治疗骨科和口腔疾病具有重要意义。同时，经过长期的进化，生物材料具有独特的力学性质，研究这些材料的结构与力学性质可以为工程材料的设计提供解决方案。与工程材料不同，生物材料的力学研究需要采用特殊的方法来准确描述其力学性质。本文针对生物硬组织材料力学性质的研究方法进行综述，包括生物硬组织材料的常规力学实验方法、断裂力学和压痕测试技术，以及微观和宏观力学数值模拟技术。人体中有4种硬组织材料，即骨骼、牙本质、牙釉质和牙骨质。这些硬组织材料是重要的承载组织，同时可以完成各种重要的生理功能。随着生活质量的提高，人们越来越关注骨骼和牙齿的健康。然而骨骼和牙齿疾病的预防和治疗不仅仅是医学问题，开展对这些生物硬组织材料的力学分析将有助于了解材料结构与力学行为的关系，提高骨骼、牙齿等疾病预防和治疗的有效性。另外，生物硬组织材料具有独特的微观结构和优良的力学性质。通过研究生物材料的结构与力学性质，可以揭示其具有高韧度的机理，利用仿生原理就可能设计出和天然生物硬组织材料相似、具有优良力学性能的人工材料。基于对生物硬组织力学行为研究的了解，本文针对生物硬组织材料的力学测试和数值分析方法行了综述，包括常规的生物硬组织材料力学参数测试方法、断裂力学行为测试技术和微观力学测试技术、基于生物硬组织微观结构的数值建模方法、适用于临床医学研究的力学模拟技术，希望能为相关的生物力学研究提供帮助。数值模拟方法1．微观力学模拟分子动力学模拟用于研究材料在分子，原子尺度上的变形行为。骨骼，牙齿在纳米尺度上具有相同的组成结构，即都是由羟基磷灰石晶体和蛋白质组成，因此可以利用分子动力学方法研究生物硬组织材料纳米尺度的变形与破坏机理。Dubey等［1］进行了一系列关于生物硬组织材料纳米尺度的分子动力学模拟。他们以羟基磷灰石和蛋白质分子组成的胞元为研究第2页对象，采用包括Coulomb和Lennard-Jones势函数模拟原子之间的相互作用，对胞元的应力应变关系、矿物质与蛋白质界面间的强度、不同化学环境下矿物质和蛋白质的力学性质、以及沿不同方向胞元的力学性质等问题进行了系统研究。Menendez-Proupin等［2］利用分子动力学模拟确定了生物硬组织材料的主要成分-羟基磷灰石的弹性常数。由于分子动力学所能模拟的空间尺度和时间尺度都很小，所以在微观尺度上采用连续介质力学就成为一种好的选择。考虑到骨骼和牙齿都是天然的复合材料，可利用复合材料细观力学的方法对骨骼和牙齿的力学行为进行模拟。Yuan等［3］发展了一个圆柱形的包含矿物质的胶原纤维有限元模型以模拟胶原纤维的弹性性质。Stock等［4］建立了包含矿物质和蛋白质的二维有限元模型，并且考虑了蛋白质的黏弹性性质，研究了应力转移机理。Luo等［5］用超弹性本构关系模拟胶原纤维的大变形行为，将胶原纤维与矿物质之间的相互作用以内聚力单元来模拟，并采用MonteCarlo方法模拟材料的非均质，研究了骨的微损伤演化机理。DeMicheli等［6］对皮质骨的骨单元进行了模拟。在他们的模型中，骨板层被模拟成具有增强相和基底相的复合材料，并且用不可压缩的Mooney-Rivlin模型模拟Haversian管。模型揭示了纤维增强相对于动态和静态压缩载荷的抵抗作用。Abdel-Wahab等［7］利用扩展有限元法结合内聚力模型研究了骨单元等微观结构对裂纹扩展的影响。扩展有限元法不用预先设置裂纹扩展路径，且不用重新划分网格，对于模拟裂纹扩展有显著优势。2．宏观模拟生物硬组织材料具有分层次的结构，其力学性质与各个尺度的结构密切相关，因此也需要从宏观模拟硬组织的力学性质，为理解各种变形机理提供帮助。Tang等［8］应用内聚力模型研究了孔隙对于皮质骨断裂韧度的影响。内聚力模型假定裂纹前端存在一个内聚力区，这个区内存在使裂纹闭合的内聚力。内聚力模型可以模拟材料由于微裂纹和桥联产生的增韧机理，并且模拟结果与实验吻合。Ural等［9］利用内聚力模型研究了应变率对于皮质骨断裂韧度的影响。应用多维虚内键模型模拟了皮质骨的横向裂纹扩展，结果与实验吻合。虚内键模型由Gao等提出，这种模型认为材料在微观尺度上是由很多粒子构成的，粒子存在相互作用力。该模型能够准确模拟裂纹扩展路径，可用于动态和静态裂纹扩展的模拟。但是模型中的泊松比是定值，这限制了其应用。后来Zhang等发展了多维虚内键模型以模拟具有不同泊松比的材料。相比内聚力模型，虚内键模型不用预先指定裂纹扩展路径。在医用生物力学研究中，三维数值分析技术也是研究新型的内固定方式，开发新型内固定器械的重要手段之一。通过Micro-CT技术可以获得生物硬组织材料复杂的几何形状，从而可以利用有限元法研究整个结构的受力情况。例如:Ausiello等通过三维重建正常前牙和修复后的牙齿模型，利用有限元法计算了各自的应力分布。Poiate等分析了不同建模方法对于计算第3页中切牙应力分布的影响，指出二维模型不能正确模拟牙齿的受力情况，必须应用复杂的三维模型。刘斌等通过Micro-CT技术对全瓷冠进行扫描，建立了全瓷冠的有限元模型(见图1)，计算了不同加载方式下粘结剂层中的应力分布(见图2)，研究了粘结剂厚度对于全瓷冠应力的影响。苏晋等利用Micro-CT技术对全腰椎进行断层扫描，结合自行开发的软件建立了全腰椎的有限元模型，采用Hypermesh对实体模型进行网格划分，并且引入了接触模型，计算了全腰椎图1：全瓷冠三维模型图2：粘结剂层90μm时，在4种不同加载方式下的拉应力分布的应力分布。姚杰等通过建立膝关节的三维有限元模型，计算了膝关节各组织在冲击反力作用下的应力分布，分析了膝关节在跳伞着陆中的变形机理。马信龙等建立了松质骨的三维有限元模型，分析了不同载荷和不同加载方向下松质骨的应力分布情况。综上所述，CT、MRI等医学成像手段为生物体的力学分析提供了重要的建模手段，结合商用化图像处理软件和有第4页限元程序，基本实现了生物结构的力学仿真。今后的主要工作在于在建模过程中如何精确地表达材料的物性，物体之间的边界条件，和载荷形式，尽可能与实验进行对比。结语本文综述了生物材料和结构力学分析的方法，从数值计算方面概述了力学分析的主要技术特点，以期对从事生物材料力学研究的学者提供借鉴和帮助。参考文献：［1］DubeyDK,TomarV.Understandingtheinfluenceofstructuralhierarchyanditscouplingwithchemicalenvironmentonthestrengthofidealizedtropocollagen–hydroxyapatitebiomaterials.MechPhysSolids,2009,57(10):1702-1717［2］Menendez-ProupinE,Rodriguez-CervantesS,Osorio-PulgaM,etal.Computersimulationofelasticconstantsofhydroxylapatiteandfluorapatite［J］.JMechBehavBiomedMater,2011,4(7):1011-1020［3］YuanF,StockSR,HaeffnerDR,etal.Anewmodeltosimulatetheelasticpropertiesofmineralizedcollagenfibril［J］.BiomechModelMechanobiol,2011,10(2):147-160［4］StockSR,YuanF,BrinsonLC,etal.Internalstraingradientsquantifiedinboneunderloadusinghigh-energyX-rayscattering［J］.JBiomech,2011,44(2):291-296［5］LuoQ,NakadeR,DongXL,etal.Effectofmineral–collageninterfacialbehavioronthemicrodamageprogressioninboneusingaprobabilisticcohesivefiniteelementmodel［J］.JMechBehavBiomedMater,2011,4(7):943-952［6］DeMicheliPO,WitzelU.Microstructuralmechanicalstudyofatransverseosteonundercompressiveloading:Theroleoffiberreinforcementandexplanationofsomegeometricalandmechanicalmicroscopicproperties［J］.JBiomech,2011,44(8):1588-1592［7］Abdel-WahabAA,MalignoAR,SilberschmidtVV.Microscalemodellingofbovinecorticalbonefracture:AnalysisofcrackpropagationandmicrostructureusingX-FEM［J］.CompMtaerSci,2011,52:128-135［8］TangSY,VashishthD.Therelativecontributionsofnonenzymaticglycationandcorticalporosityonthefracturetoughnessofagingbone［J］.JBiomech,2011,44(2):330-336［9］UralA,ZiouposP,BuchananD,etal.Theeffectofstrainrateonfracturetoughnessofhumancorticalbone:Afiniteelementstudy［J］.JMechBehavBiomedMater,2011,4(7):1021-1032