组织工程骨力学性能测试装置的研制

论文摘要

人体由于创伤、感染、肿瘤、先天畸形等各种原因引起的骨缺损及功能的丧失常需要植入替代物加以修复。目前,存在的自体和同种异体骨移植虽已在临床应用多年,但是效果不太理想。随着细胞培养技术的飞速发展,组织工程化人工骨为其提供了一条新的解决途径。研究一种理想的人工骨替代物已成为临床骨科、组织工程关注的重大课题。组织工程骨的功能之一是实现与天然人骨相当的力学性能,研究组织工程骨的力学性能对骨替代物的移植有重要的意义。本文自行研制了组织工程骨的力学性能测试装置,采用压电陶瓷致动器作为装置的驱动力源,运用压电陶瓷的逆压电效应,调节控制材料压缩变形,配合压力传感器可精确测量施加给组织工程骨的载荷。运用有限元软件ANSYS对测试装置进行了振动模态分析,以获得试验机合适的工作频率范围。为对位移、压力传感器测试到的数据进行采集和分析,基于HK-PCI811高速采集卡,应用C++builder语言开发了位移、压力数据采集及处理系统。在用户界面上对系统程序稍加修改,即可用于其它传感器的数据采集,方便快捷。利用所研制的新型力学性能测试装置测试并比较了几种骨组织工程材料的动态力学性能。首先对材料的位移、压力测试数据利用Origin7.5进行处理,得到其动态的应力-应变曲线,适当选取应力应变曲线的弹性段和起始点,再利用最小二乘法对数据进行处理,得到材料的动态表观弹性模量。材料动态力学性能实验结果表明所研制的测试装置适合组织工程骨力学性能的测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 骨组织的组成及力学性能
• 1.2.2 骨组织工程材料的研究现状
• 1.2.3 组织工程骨力学性能研究现状
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 组织工程骨力学性能试验机结构及分析
• 2.1 组织工程骨力学性能测试装置的结构及测试原理
• 2.1.1 组织工程骨力学性能测试装置的结构
• 2.1.2 组织工程骨力学性能测试原理
• 2.2 加载部件的设计
• 2.2.1 压电陶瓷位移致动器
• 2.2.2 压力、位移传感器的选择及应用
• 2.3 测试装置的模态分析
• 2.3.1 模态分析原理
• 2.3.2 加载装置有限元模型的建立
• 2.3.3 加载装置模态分析的结果与分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 力学性能数据采集及处理系统
• 3.1 数据采集系统
• 3.1.1 采集卡的性能
• 3.1.2 数据采集软件系统
• 3.2 试验机的误差分析
• 3.2.1 随机误差
• 3.2.2 系统误差
• 3.2.3 动态测量误差的评定
• 3.3 试验机的测量量程及其校验
• 3.3.1 试验机的测量量程
• 3.3.2 试验机的校验
• 3.4 本章小结
• 第4章 骨组织材料动态力学性能测试结果及分析
• 4.1 试件
• 4.2 复合材料的动态力学性能测试及结果分析
• 4.2.1 不同应变幅度下的力学性能
• 4.2.2 不同电压下的弹性模量比较
• 4.2.3 复合材料的动态力学性能测试及结果分析
• 4.3 生物材料的总体力学性能
• 4.3.1 应力松弛现象及其形成原因
• 4.3.2 骨组织工程材料测试中观察到的问题
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢