材料力学及表面改性 material mechanics and surface modification 栏目所有文章列表

(按年度、期号倒序)     一年内发表的文章 |  两年内 |  三年内 |  全部 Please wait a minute... 选择: 下载引用 EndNote Reference Manager ProCite BibTeX RefWorks 显示/隐藏图片 Select 径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架结构设计与力学性能分析 张艺海, 商 鹏, 马奔原, 侯光辉, 崔伦旭, 宋万振, 齐德瑄, 刘艳成 中国组织工程研究    2024, 28 (5): 741-746.   DOI: 10.12307/2024.253 摘要 （246）      PDF （2260KB）（36）    可视化    文题释义： 径向梯度：孔径由圆柱外缘向中心逐渐减小，外缘较大孔径有利于降低植入物弹性模量，减小应力遮挡效应，中心较小孔径使结构具有较高强度，可以防止植入物的断裂失效。 三周期极小曲面：在3个独立方向上周期性变化的极小曲面，晶胞结构之间互连互通，其内部光滑连续，平均曲率为零，与人体骨小梁结构有相似之处，是一种理想的骨支架多孔结构。 背景：传统骨植入物的弹性模量较大，与人体骨弹性模量不匹配，会引起应力遮挡效应，从而导致骨吸收。径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架具有与人体松质骨匹配的弹性模量，且屈服强度大于人体皮质骨屈服强度，为骨支架设计提供了一种新的选择。 目的：通过隐式曲面法构建径向梯度三周期极小曲面结构，采用激光选区熔化技术制备样件，进行准静态压缩实验，得到力学性能与人体骨骼匹配的骨小梁支架。 方法：通过隐式曲面法，建立G型、Ⅰ型、P型和D型4种径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架；采用激光选区熔化技术制备样件，观测成型样件的表面形貌，评估成型质量，进行准静态压缩实验，评估样件的力学性能。 结果与结论：准静态压缩实验结果表明，对比4种径向梯度三周期极小曲面支架，G支架平台应力波动小，没有出现失效断裂，塑性最好；对45%，55%和65% 3种孔隙率G支架的力学性能进行分析，发现55%孔隙率G支架的弹性模量在人体松质骨的弹性模量范围内(0.022-3.7 GPa)，屈服强度接近人体皮质骨最大屈服强度(187.7-222.3 MPa)。结果显示，55%孔隙率的G型径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架能够降低应力遮挡效应，承受较高人体载荷，提高植入物的稳定性，延长植入物的使用寿命。 https://orcid.org/0000-0001-7760-7079(张艺海) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程 Select 不同含量B2O3对生物活性玻璃支架力学性能与生物活性的影响 王建春, 杨树青, 苏 欣, 王宏远 中国组织工程研究    2024, 28 (5): 712-716.   DOI: 10.12307/2024.264 摘要 （201）      PDF （1496KB）（71）    可视化    文题释义： 氮氧生物活性玻璃：是一种以硅酸盐类CaO-SiO2为基础的人工骨修复替代材料，由硅、钙、磷和钠的氧化物组成CaO-SiO2-P2O5系统，最早由 HENCH发现并命名，而氮氧生物活性玻璃是对基础玻璃进行过氮化处理，提高了其力学性能。 人工合成骨替代材料：此类研发的骨替代生物材料拥有诸多优点，被植入到骨缺损部位后能为新骨的形成提供理想的机体微环境，同时使成骨细胞拥有一个可依附的稳定三维空间，且原料易获取、成本低廉。 背景：生物活性玻璃骨修复材料具有骨结合能力、骨诱导能力及骨传导特性，但目前生物活性玻璃的性能尚不符合临床应用要求，添加硼元素有望改善生物活性玻璃的性能。 目的：研究不同含量B2O3替代SiO2对生物活性玻璃力学性能及生物活性的影响。 方法：以含磷氮氧生物活性玻璃(成分为：SiO2-CaO-ZnO-Na2O-Si3N4-P2O5)为基础，以B2O3部分替代其中的SiO2，采用高温熔融法烧制含B2O3质量分数分别为0%(A组)，5%(B组)，10%(C组)，15%(D组)的基础玻璃(基础玻璃中SiO2与B2O3的质量分数总和为41%)，采用有机泡沫浸渍法制作多孔生物活性玻璃支架，利用万能力学试验机单轴压缩和三点弯曲法测试力学性能；将4组支架浸泡于模拟体液中，检测支架的降解性能，利用扫描电镜观察浸泡前后支架的形貌变化，以及X射线衍射分析浸泡前后的支架物相组成。 结果与结论：①随着B2O3质量分数的增加，多孔生物活性玻璃支架的抗压强度与抗弯强度升高，4组支架的抗压强度与抗弯强度比较差异有显著性意义(P ≤ 0.05)；②浸泡于模拟体液中后，随着时间的延长，多孔生物活性玻璃支架逐渐降解；相同浸泡时间点下，随着B2O3质量分数的增加，支架的降解速率加快，4组支架的抗压强度与抗弯强度比较差异有显著性意义(P ≤ 0.05)；③浸泡于模拟体液后的扫描电镜显示，A、B组浸泡1 d后表面沉积大量的颗粒状物质，3 d后表面的颗粒状物质相互融合形成薄膜样沉积，7 d后表面的薄膜即相互融合成片，基本覆盖整个试件表面；C组浸泡1 d后表面形成薄膜样物质沉积，3 d后表面的薄膜即相互融合成片，基本覆盖整个试件表面；D组浸泡1 d后可见基本覆盖整个试件表面的片状物质；④浸泡于模拟体液中1 d后的X射线衍射分析显示，4组支架表面的沉积物为结晶态的羟基磷灰石；⑤B2O3替代部分SiO2会增强多孔生物活性玻璃支架的力学性能、降解性能及体外矿化活性。 https://orcid.org/0000-0001-9458-928X(王建春) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程 Select 低能量密度下多孔钛的选区激光熔化制备及性能评价 程进荟, 伍 权, 彭 敏, 黄昌丽, 田会敏, 李 洋 中国组织工程研究    2024, 28 (5): 664-668.   DOI: 10.12307/2024.251 摘要 （188）      PDF （1893KB）（22）    可视化    文题释义： 选区激光熔化：是区别于传统减材、等材制造的“变革性”方法，以粉末为原料再辅以激光为热源，在基于离散-分层-叠加的原理上成形三维实体试件，整个过程无需工装夹具或模具，具有更大程度的几何自由和材料灵活性，是当下增材制造技术中应用和发展最为广泛的一种增材制造技术。 多孔钛：是以钛或钛合金为基体、内部含有大量孔隙的多孔金属材料，与传统致密钛相比具有密度小、比表面积大及生物相容性优异等特点，被广泛应用于生物医疗、航空航天以及催化剂载体材料等领域。 背景：目前传统粉末烧结法在制备多孔钛的过程中易引入杂质，多孔钛制造仍面临杂质污染和材料成形过程难以调控两大难题。 目的：制备具有一定孔隙率的纯净多孔钛，并分析成形的多孔钛微观形貌演变及性能。 方法：借助选区激光熔化技术在低能量密度下制备多孔钛，通过对成形的试件孔隙率测定得出能成形较大孔隙率多孔钛的参数区间，并分析该区间下试件微观形貌演变及力学性能。    结果与结论：①随着能量密度的增加，多孔钛试件的孔隙率逐渐降低，在能量密度10.61-27.78 J/mm3之间时，能成形孔隙率11.23%-33.67%的多孔钛；在能量密度27.78-37.88 J/mm3之间时，成形件较为致密；②成形的多孔钛物相主要为α钛，随着能量密度的增加，试件的孔隙率降低，孔隙形貌由不规则连通孔向封闭近球形孔转变，粉末颗粒间由轻微烧结颈变为连续熔道；CT扫描结果显示，在能量密度10.61 J/mm3下，成形试件内部存在大量连通孔隙且孔隙半径大致分布在2-6 μm之间，具有较大的比表面积；同时，在能量密度10.61-27.78 J/mm3区间下能得到抗压强度值188-1 000 MPa的多孔钛，满足生物医疗领域应用需求；③结果表明，借助选区激光熔化技术克服了传统制备工艺带来的杂质污染、成形过程难以调控等问题，为制备力学性能优异的多孔钛提供了有效解决措施。 https://orcid.org/0000-0002-2050-5415(程进荟) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程 Select 原生喙锁韧带及柔性重建后有限元仿真和实验测试 季贵柱, 郑 秋, 汪武祥, 王 冠, 李 文, 鲁晓波, 段 可, 李 忠, 杨洪彬, 梁 成 中国组织工程研究    2024, 28 (5): 706-711.   DOI: 10.12307/2024.262 摘要 （185）      PDF （1873KB）（14）    可视化    文题释义： 柔性固定：与刚性固定相对，指使用不能承受剪切、扭转负载的材料对损伤或骨折部位进行固定，如移植肌腱、人工韧带等，主要用于韧带损伤、微动关节修复等，其主要特点是可重现损伤部位解剖结构和部分功能。在肩锁关节中，柔性固定可重现喙锁韧带部分走形、恢复肩锁关节微动。 极限承载：即最大承载，当对象承受逐渐增大的载荷，经过线性变形段并通过屈服点之后到达塑性变形段，承载继续增加，而后对象失效破坏，塑性变形阶段的最大载荷即为极限承载。一般在线性变形阶段撤去负载后对象可恢复原状态，而塑性阶段变形为不可复原的塑性变形。 背景：对于以喙锁韧带断裂造成的肩锁关节脱位，单束和双束重建为常见修复方式，深化研究对比二者修复的应力分布和骨折风险具有重要意义。 目的：研究喙锁韧带的生物力学性能，对比单束和双束重建肩锁关节的固定效果、应力分布和破坏形式。  方法：①有限元仿真分析：利用Mimics、Wrap和SolidWorks软件分别建立正常喙锁韧带、单束重建和双束重建肩锁关节模型，利用Ansys软件分析锁骨垂向受载时各模型肩胛骨和锁骨的应力和变形情况；②标本实验：取15个完整的人体肩胛骨-锁骨标本，随机分为5组处理，每组3个：A组切断肩锁韧带，保留完整的喙锁韧带；B组切断肩锁和斜方韧带，保留完整的锥状韧带；C组切断肩锁和锥状韧带，保留完整的斜方韧带；D组切断肩锁和喙锁韧带，采用单束重建修复喙锁韧带；E组切断肩锁和喙锁韧带，采用双束重建修复喙锁韧带。利用力学试验机进行力学实验，分析肩胛骨和锁骨的生物力学状态、应力分布和破坏形式。 结果与结论：①有限元仿真分析：正常喙锁韧带附着标本喙突的平均应力最小，其相对于单束和双束重建模型喙突骨折的风险较小；单束和双束重建模型的喙突平均应力相当，二者骨折风险接近；②标本实验：A-E组标本的刚度分别为(26.4±3.5)，(19.8±2.8)，(21.3±3.2)，(57.7±4.1)，(46.2±2.8) N/mm，极限载荷分别为(545.5±53.7)，(360.1±42.1)，(250.9±44.4)，(643.5±39.1)，(511.9±31.7) N，D、E组标本的整体刚度高于A组(P=0.000 06，0.000 3)，D组极限承载高于A组(P < 0.05)，E组极限承载和A组无差异(P > 0.05)；A-C组为韧带断裂，D、E组为喙突骨折；③结果显示：从生物力学角度分析，对于肩锁关节脱位中的喙锁韧带断裂，单束和双束重建均为有效的治疗技术，但均增加了骨折风险，其中双束重建分散了钢板应力、减小了钢板和骨质的接触力，但稍微降低了极限承载力，应根据临床实际情况选用单束或双束重建。 https://orcid.org/0009-0000-1226-1820(季贵柱) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程 Select 椎间隙注入不同弹性模量骨水泥对邻近上下椎体应力的影响 汪建新, 霍文涛, 于 泽 中国组织工程研究    2024, 28 (22): 3548-3554.   DOI: 10.12307/2024.527 摘要 （139）      PDF （4086KB）（15）    可视化    文题释义： 椎间隙：上下两个相邻椎体之间的间隙。 弹性模量：是指材料在弹性变形阶段的轴向应力与轴向应变之比。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，在一定应力作用下发生弹性变形越小。 背景：近年来，针对腰椎间盘退变和椎间隙变窄所引起的腰部反复疼痛病症从国外引入了椎间隙注入骨水泥的治疗方法，但部分患者在治疗后出现椎体骨折的情况，原因可能是骨水泥弹性模量不佳。 目的：通过腰椎三维有限元模型分析椎间隙中注入不同弹性模量骨水泥对上下椎体表面最大应力的影响。 方法：招募1名脊柱正常志愿者获取CT数据，利用Mimics、Geomagic、SolidWorks、Ansys建立腰椎L2-L5有限元模型，随后建立L3-L4椎间隙注射不同剂量(1 mL与4 mL)骨水泥模型，每种剂量下赋予骨水泥4种弹性模量(1 000，2 000，4 000，8 000 MPa)，在L2椎体表面施加压力与弯矩，分析L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力。 结果与结论：①在骨水泥注入量相同的情况下，随着骨水泥弹性模量的增大，L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力增加，其中弹性模量1 000 MPa骨水泥对L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力影响最小，弹性模量8 000 MPa骨水泥对L3椎体下表面与L4椎体上表面的应力影响最大，不同弹性模量骨水泥对整个腰椎活动度的影响较小；②结果说明，在满足治疗要求的情况下注入较低弹性模量的骨水泥可以降低术后骨折风险。 https://orcid.org/0009-0003-4343-4589(汪建新) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程 Select 弹性蛋白对前交叉韧带力学响应影响的弹性蛋白酶定量分析 张闻天, 邓羽平, 刘晓云, 李彩娟, 王 勉, 梁泽宇, 熊 亮, 黄 刚, 陈广新, 李子涛, 黄文华 中国组织工程研究    2024, 28 (22): 3451-3456.   DOI: 10.12307/2024.473 摘要 （117）      PDF （1394KB）（9）    可视化    文题释义： 弹性模量：对弹性体施加一个外界作用力，弹性体会发生形变，其应力和应变呈正比例关系，该比例系数称为弹性模量。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，该指标的值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大。 黏弹性：生物组织的力学特性首先表现在它既有弹性又有一定的黏性，其应力应变不是线弹性关系，也不是弹塑性的非线性关系。生物组织的材料特性被认为是介于黏性和弹性之间的黏弹性体，它在受力时会被拉伸，解除外力也不会立即返回，而是缓慢恢复到原始状态。 背景：前交叉韧带在复杂的生理加载环境下具有其独特的非线性力学特性。弹性蛋白作为前交叉韧带力学特性的重要贡献者，其在轴向拉伸下对前交叉韧带力学响应特性尚不明确。 目的：定量分析弹性蛋白对前交叉韧带拉伸力学响应的影响。 方法：制备弹性蛋白酶溶液及对照缓冲液。将猪前交叉韧带样品制备成小规格样品，随机分别浸泡于 0，0.1，1.0，2.0，5.0，10.0 U/mL的弹性蛋白酶溶液中6 h，另取相同规格小样品分别浸泡于2 U/mL的弹性蛋白酶溶液中 0，1，3，6，9，12 h，以确定适合弹性蛋白靶向酶的浸泡条件并进行消化效果验证，使用组织学染色比较酶处理对组织结构与成分的影响。将韧带样品随机分为酶处理组和PBS组，分别浸泡在2 U/mL弹性蛋白酶溶液和PBS中6 h，于浸泡前、后均进行力学拉伸测试。 结果与结论：①生化结果表明，2 U/mL弹性蛋白酶溶液浸泡6 h能将弹性蛋白含量降低31.1%，且没有显著影响组织内其他力学相关成分；②组织学结果显示，弹性蛋白酶可渗透入组织内部，浸泡后的组织松散程度增加；③在浸泡前、后的力学结果中，PBS组的多项力学性能均显著下降，酶处理组仅有低张弹性模量显著升高及初长度显著增加；④组间比较结果显示，浸泡前PBS组与酶处理组差异均无显著意义，而浸泡后的酶处理组的低张弹性模量、初始斜率、饱和斜率和初长度比PBS组显著增加；⑤以上结果表明，弹性蛋白降解显著影响了前交叉韧带的生物力学属性，进一步补充了对前交叉韧带结构-功能关系之间的理解。   中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程