基于3D显微CT图像相关技术等的骨疲劳损伤机理与寿命预测研究

Bones are important functional organs and support components in the body. Dynamic fatigue process is a common clinical feature in bone. The project intends to investigate the quantitative relationship between crack density, loading cycles and microdamage parameters using a combined approach of fatigue testing, 3D micro-CT measurements and X-ray、SEM、NMR microscopy studies. The damage development in the reconstruction will be detected and monitored using CT scanning at regular fatigue test intervals, verified by microscopy post testing. The objective of this study is to understand how fatigue cracks initiate and propagate in bones based on experimental observations, to obtain quantitative relationship between crack density and microdamage parameters, to clarify extra low cycle, low cycle and high cycle fatigue damage mechanism in bones and its damage threshold, to develop a bone fatigue damage evolution model and a life prediction model based on the information from the fatigue tests, CT image and SEM analysis．The project will provide a comprehensive and quantitative understanding in bone fatigue and damage evaluation, provide a scientific basis and key technology support in clinical fracture and remodeling.

骨是人体中重要功能器官和主要受力构件，临床下骨承受着典型的动态疲劳过程。项目拟运用骨疲劳实验分析、3D显微CT图像相关技术与X射线、扫描电镜SEM、核磁共振NMR等分析及数值分析等手段，系统研究骨在微裂纹损伤、疲劳修复和运动性疲劳过程中的基质代谢和裂纹密度及扩展与损伤机理内在关系的基础研究科学问题。基于疲劳全过程发展和损伤机理，量化评价骨疲劳损伤与微裂纹密度关系；考虑不同激素水平和疲劳载荷水平，研究骨疲劳损伤和裂纹扩展行为特征；针对大运动量训练后骨运动疲劳问题，研究骨超低周疲劳损伤机理及损伤阀值；基于实验分析和CT图像分析等，建立骨疲劳损伤评估模型及寿命预测模型等。项目研究将为全面深入了解骨的微裂纹损伤以及运动性骨折在临床上的认识和寿命评估提供有利的科学依据和关键技术支持。

项目运用疲劳实验分析、显微CT成像技术与扫描电镜、数值分析等手段，系统研究了骨及骨替代材料在微裂纹损伤、疲劳修复和运动性疲劳过程中的裂纹密度及扩展与损伤机理内在关系的基础科学问题，同时还围绕骨修复工程开展了相关材料的研发及性能研究以及部分骨修复技术临床应用工作。主要包括四方面研究内容：（1）骨疲劳行为、损伤机理与寿命预测。基于疲劳全过程发展和损伤机理，量化评价了骨相关材料疲劳损伤与微裂纹密度关系；考虑激素水平，生物活性和疲劳载荷水平下骨组织疲劳损伤和裂纹扩展行为特征；针对大运动量训练后骨运动疲劳问题，研究了相关材料低周到高周疲劳损伤机理及损伤阀值；基于实验分析和微观失效分析，建立了骨相关材料疲劳损伤评估模型及寿命预测模型等。（2）骨修复及骨替代金属材料超长寿命疲劳失效机理。利用超声振动加速疲劳试验方法，研究了代表性骨修复与骨替代材料钛、铝和镁等合金及其焊接接头的超长周疲劳性能，探究了其疲劳裂纹萌生与扩展机制，着重分析微结构不均匀性或组织缺陷对超长寿命疲劳性能的影响，研究成果揭示了骨相关材料作为人体承力构件在长期服役后可能出现的失效形式。（3）骨修复用钛酸铋基压电陶瓷材料的掺杂改性及其疲劳断裂机理。不仅通过W/Cr离子共掺杂技术大幅提升了钛酸铋压电陶瓷的压电性能；并且发现经过电场极化后，陶瓷中的内应力诱导晶界出现微裂纹而致使陶瓷的疲劳强度下降，并且由于其亚临界扩展而在应力-应变曲线上形成一个松弛点。（4）生物医用多孔钛的制备及其表面改性和力学性能提升。采用水蒸气氧化、氧气氧化、阳极氧化等方式对不同多孔钛材料内部孔隙表面进行表面改性，以最大程度提高其高比表面积与保持其力学性能为目标，制备出了表面为纳米二氧化钛结构而心部为纯钛的多孔块体材料。项目研究为深入了解骨及其替代材料的微裂纹损伤以及运动性断裂在临床上的认识和寿命评估以及骨修复材料的研发提供了有利的科学依据和关键技术支持。