生物活性对骨组织生物摩擦学特性的影响机理

Bioactivity is one of the key factors that will affect the tribological properties of organism. It is significant to study and reveal the influence of bioactivity on biotribological behaviour, to get a further knowledge about the essential differences on tribological properties between organism materials and engineering materials. Excised organism have residual bioactivity. Therfore, the relationship between bioactivity and biotribological properties can be revealed by studying the effects of the changes of residual bioactivity on tribological properties of excised organism. In this work, fresh animal femurs were prepared by changing the bioactive components, such as water, protein and mineral, to have different residual bioactivities. Tribological tests were performed on those femur samples to investigate the effects of the changes of residual bioactivities on tribological properties of bone tissue. Compared to the tribological test results of the artifical bone samples with different bioactivities, we can better study the influence mechanism of bioactivities on tribological properties of bone tissue from a perspective of changing the contents of bioactive components. The research results can deepen and enrich the basic theory of biotribology, which is also promising to provide theoretical guidance for the repair of human bone tissue and the development and application of artifical bone.

生物活性是影响生命体摩擦学特性的关键因素之一，如何研究并揭示生物活性对生物摩擦学行为的影响及作用机理是深入认识天然生物体材料与工程材料摩擦学特性本质区别的关键科学问题。生命体在离体后仍具有残余生物活性，通过研究残余生物活性成分的变化对生命体摩擦学特性的影响，可以探讨生物活性与生物摩擦学行为之间的作用关系。本研究拟通过对新鲜动物股骨进行不同的处理，改变水、蛋白质、矿物等活性成分的含量，使其具有不同的残余生物活性，并进行摩擦学试验，研究残余生物活性成分的变化对骨组织摩擦学特性的影响。对比含有不同生物活性的人工骨的摩擦学试验并结合理论分析，从改变生物活性成分的角度来探究生物活性对骨组织摩擦学行为的作用机理。相关成果可以深化和丰富生物摩擦学的基本理论，并有望为人体骨组织的修复及人工骨生物材料的开发和应用提供理论指导。

生物活性对生命体的摩擦学行为有重要影响，生命体在离体后的一定时间内仍然具有残余生物活性，通过研究残余生物活性成分的变化对生命体摩擦学特性的影响，可以探讨生物活性与生物摩擦学行为之间的作用关系，是深入认识天然生物体材料与工程材料摩擦学特性本质区别的关键科学问题。本研究通过改变新鲜猪股骨的水、蛋白质、矿物等活性成分的含量，使其具有不同的残余生物活性，并进行摩擦学试验，并结合有限元计算分析研究残余生物活性成分的变化对骨组织力学及摩擦学性能的影响。此外，制备含有不同生物活性的人工骨，并进行摩擦学对比试验，从改变生物活性成分的角度来探究生物活性对骨组织摩擦学行为的作用机理。在基金资助期间取得了一些重要的研究成果：1）水含量对猪股骨样品的力学及摩擦学行为具有重要的影响。猪股骨样品的硬度和弹性模量随水含量的降低而增大，而其摩擦学性能随着水含量的降低而明显下降。水含量下降导致骨组织粘弹性降低，并使得骨组织样品在外加载荷作用下表现出不同的损伤机制。2）建立多尺度有限元模型研究水含量对骨组织力学性能的影响。在细观尺度下，干燥后的骨板介质削弱了对应力的吸收和打断作用，更易造成孔隙裂纹延伸，加剧骨组织的磨损；在微观尺度下，干燥骨的孔隙扩大、组织硬化，孔隙附近存在更明显的应力和应力梯度，由于没有组织液的缓冲，极易发生裂纹导致损伤。3）在钛片表面沉积具有生物活性的HA/Ag和HA/Ag/Cs涂层，后者因壳聚糖（Cs）的引入，在HA和Ag之间充当了黏合剂，使涂层能更好地与钛片结合，呈现多孔状并富有弹性。在外加载荷条件下，涂层发生塑性变形且未出现脱落，具有良好的生物摩擦学性能。4）有限元分析表明有机相对骨组织力学行为有显著影响：随着原胶原纤维矿化程度的加深，微纤维模型非线性行为愈发明显，刚度值和塑形趋势均显著上升。原胶原分子的收缩行为直接导致其弹性模量不断上升，韧性却反而下降。研究结果有助于揭示骨组织活性成分对其力学性能的影响，为骨材料修复材料的仿生设计提供理论依据。