骨组织再生过程中支架-骨系统力学性能的研究

In the bone repair process,the scaffold-bone system with large stiffness will result in stress shielding,and thus defer bone repair;otherwise,the system with small stiffness will induce failure of the bone repair.Therefore,the mechanical properties of the scaffold-bone system is one of the important issues in the successful bone repair.This project,(1)considering the hierarchical structure of the natural bone, proposes a fractal scaffold model;(2)basing on the model,quantifies the two dynamic processes of the scaffold degradation and the bone formation by theoretical analysis;(3)combining the composites theory, mainly develops a framework to predict the mechanical properties of the scaffold-bone system by integrating the two processes effectively, moreover, compares the theoretical result with the results of in vivo experiments of New Zealand white rabbits. The project aims at solving the varying mechanical problem of the scaffold-bone system in the bone regeneration process, and paving a way for the future clinical application of bone diseases

在骨组织修复过程中，支架-骨系统刚度过大会引起应力屏蔽现象，进而延缓骨修复的时间；反之，会导致骨修复的失败。因此，支架-骨系统的力学性能是影响骨组织成功修复的关键问题之一。本项目针对支架-骨系统，(1)考虑到天然骨组织的分级结构，提出了一种具有分形特征的支架模型；(2)基于该模型，通过支架降解模型和骨生成模型分析，分别量化支架降解和骨生成这两个动态过程；(3)结合复合材料理论，将支架降解和骨生成两个过程有效的结合起来，并与新西兰白兔体内实验结果进行对比，重点探讨并建立预测支架-骨系统力学特性变化的理论框架。旨在解决骨组织再生过程中支架-骨系统力学变化规律问题，为骨组织疾病临床治疗提供新思路。

在骨组织修复过程中，支架-骨系统刚度过大会引起应力屏蔽现象，进而延缓骨修复的时间；反之，会导致骨修复的失败。因此，研究支架-骨系统力学性能动态变化是了解骨组织成功修复的关键问题之一。.本项目主要采用理论和数值分析的手段，(1)从基本的支架结构设计出发,对支架结构的各向异性力学特性,渗透率进行了研究,并根据二者之间的互逆关系,得到了优化的支架结构;(2)考虑支架的随机水解机理(体积腐蚀或表面腐蚀),建立了支架的水解模型及水解模型导致的支架力学性能变化规律;(3)考虑骨重构与机械刺激之间的关系,建立了新骨生成的本构关系以及新骨力学特性的变化规律;(4)将支架降解和骨生成的本构模型进行耦合,研究了在不同机械刺激时间下,骨生成的情况..结果表明:可降解骨支架在骨组织修复过程中，整个支架-骨系统的力学特性具有典型的四个阶段，每个阶段反映了这支架降解和骨生成的相对变化，此外，机械刺激较长时间的长并不会导致支架-骨系统力学特性的增加，但其会促使骨修复速度，缩短骨修复时间。.该理论框架量化了骨组织修复过程中支架-骨系统力学特性的变化规律，不但能指导支架材料及结构的设计，同时也为骨组织疾病临床治疗提供新思路。