基于离散单元法的人工骨材料微观结构研究.doc

基于离散单元法的人工骨材料微观结构研究收稿日期:2011-10-31
基金辅助:国家自然科学基金(51175432);国家自然科学基金(50905147);国家自然科学基金(50875215);陕西省自然科学基金资助(2011JQ7005); 西北工业大学基础研究基金资助(JC20100230); 西北工业大学新人新方向基金资助(10GH0135);中国博士后科学基金特别资助(第二批,200902606);中国博士后科学基金面上资助一等资助(第44批, 2008044193)
作者简介:韩琴(1985-),女,西北工业大学,硕士,主要从事复合材料和结构设计方面的研究。Email: hanqinmmoo228@手机:**********;电话:029-88492822-420
*通讯作者:韩琴,hanqinmmoo228@
韩琴 1,汪焰恩 1 2,魏生民 1,魏庆华 1
(,机电学院,西安,710072)
(, 设计、制造工程管理系,格拉斯哥,英国,G1 1XJ)
摘要:人工骨支架的孔隙率是影响体液在人工骨内部循环和细胞在内部生长能力的重要参数,利用离散单元法分析人工骨支架制备过程中羟基磷灰石微球的堆积过程,根据每一时刻各颗粒间的相互作用计算接触力,再运用牛顿第二定律计算单元的运动参数,从而实现对运动情况的预测。在颗粒的碰撞过程中,运动的颗粒必然趋于稳定,最终计算出稳定状态下人工骨支架的孔隙率和配位数。利用掺杂可溶解生物微球的方法调节人工骨支架的孔隙率和配位数,对人工骨支架孔隙率进行控制,实现了按照个体差异制备人工骨支架。对比前人晶格理论计算人工骨孔隙率的方法,验证了晶格理论的可行性,同时也体现了离散单元法的准确性。
关键词:人工骨支架;孔隙率;配位数;离散单元
随着社会的进步与人们生活水平的提高,人们的平均寿命不断延长,但人体本身的老化却不可避免,世界人口老龄化问题日益突显。全球人口平均寿命已延长到66岁,。人体的老化30岁就开始了,人体的结缔组织、特别是保持人体直立姿势的骨骼组织随之开始劣化。随着年龄的增长,由于骨组织的变化,其强度逐渐降低,发生骨折的几率增大。此外,由于创伤、感染、肿瘤、事故、战争或矫形手术所致的骨缺损也需要进行骨移植。
骨移植材料大体可分为:自体骨、同种异体骨和人工替代骨,自体骨组织移植效果很好,无免疫排异反应,但是存在来源有限、需要二次手术及取骨部位常遗留慢性疼痛等并发症的缺点[1]体移植虽不需两次手术, 且具有自体骨的一些优越的组织特点, 能提供足量不同形状尺寸的皮质骨或松质骨,但移植骨在经消毒处理后会失去强度, 部分或完全损失骨诱导因子, 并有感染病毒的可能。为了克服这些局限, 1995年Crane等[2]系统地提出了组织工程骨的基本概念,利用组织工程学的原理和方法对缺损骨组织进行修复和重建, 要求它们具有与人体骨骼相匹配的力学性能和骨传导、骨诱导作用。
理想骨替代物应该满足如下要求:①与人体组织具有良好生物相容性[3]无免疫源反应;②与人骨力学性能相近似,且具有一定的强度和支撑力[4]③优良的三维微观结构,保证培养液及血液能够进入骨支架内部,且易于成型;④良好的成骨诱导性;⑤具有合适的表面理化性质,且能被宿主骨组织吸收替代;⑥取材方便,易于大量制作。因此,在保证人工骨的承载功能(弹性模量)满足要求的前提下,人工骨往往需要制成多孔结构,即满足一定的孔隙率要求,从而促进人工骨体内生物相容性,保证骨细胞和营养液物质在支架内的流动。
由于不同部位的人工骨有其特定的孔隙率,故基于精确控制孔隙率制备人工骨支架是人工骨支架的一种重要制备技术,有必要对人工骨材料微观结构进行研究和探讨。汪焰恩等人借鉴材料设计晶格理论,对晶格堆积排列的14种布拉伐格子堆积方式[5-6],得出对于微球堆积人工骨支架而言,简单立方可作为支架单胞分析模型,并以简单立方为模型计算了羟基磷灰石微球堆积的人工骨支架的孔隙率,即配位数为6时,;文中拟对系统的理论和数值计算进行分析,从而得出基于晶格理论的孔隙率计算方法和基于离散单元法的孔隙率计算方法之间的内在差异与一致性。
1 基于离散单元法的孔隙率计算方法
离散单元法的单元接触模型
离散单元法[7]流方法是把分析对象看成充分多的离散单元,每个颗粒或块体作为一个单元,根据整个
过程中每一时刻各颗粒间的相互作用计算接触力,再运用牛顿第二定律计算单元的运动参数,这样循环运算,实现对运动情况的预测,其计算流程框图如图1所示:
图1 颗粒流方法计算流程框图
Calculation flow diagram of Parti