多物理场作用下考虑修复效应的骨材料损伤力学研究

作为人体重要的器官的骨组织是一种结构极为复杂的生物复合材料，加之生物体特有的损伤修复功能，其损伤力学行为研究本身具有相当大的难度和十分重要的意义。本项目拟从理论模拟和实验分析两方面对骨组织的损伤力学行为进行较为系统的研究。在理论模拟方面，本项目将着重研究以下两个方面的内容：其一，从细微观力学分析的角度，研究骨的微结构对其整体抗损伤性能的影响；其二，建立考虑修复效应的骨损伤力学行为的模型，研究损伤在骨重建中的重要作用以及其对骨重建的重要影响，从而模拟各种外界载荷包括电磁场等多场耦合载荷对骨组织损伤力学行为的影响，并对不同情况下骨组织的寿命和骨折风险进行预测。在实验分析方面，本项目将主要从实验的角度研究骨组织在不同力学载荷下的损伤形式以及骨的微结构对材料整体性能的增韧和增强作用，从而为理论模型提供必要的实验支持和验证，使其更加完善合理。

骨组织作为人体重要的承重器官，其力学性能和损伤行为一直是人们关注的焦点。与普通的非生物天然材料以及人造材料不同，骨骼虽然本身作为为易损伤的材料在承受日常活动产生的各种循环载荷之后，即使也会产生疲劳损伤和断裂，然而由于其具有自修复能力，其损伤会维持在一个相对低的水平，以使它能有一个比类似的非生物材料长的多的使用寿命。而骨损伤的修复则是通过一个叫做骨重建的过程来实现的。但是骨重建不只是可以修复骨损伤，它还有另外一个重要的功能，就是可以调整骨内部的结构来适应外界环境的变化。于是，出了被广泛研究的力载荷之外，很多其他因素都会对骨的损伤行为产生影响，只要他们可以影响骨的重建或者损伤。然而，目前有关这方面的研究还很少。.基于前述背景，针对先前骨损伤研究中存在的不足，本项目以骨材料为主要研究对象，就多场耦合载荷作用下骨的损伤和修复行为展开研究，建立新的多场耦合作用下的骨损伤模型，使该模型可以涵盖各种影响骨损伤的因素，包括力学因素和非力学因素，主要是外加电磁场以及激素和一些药物的影响。在新建立的模型基础上，我们模拟了上述因素作用下骨的损伤行为，考察了上述因素对骨损伤行为的影响。.研究结果表明：很多力学因素和非力学因素都会对骨的损伤行为产生影响。力学载荷虽然会使骨产生疲劳损伤，但是骨组织却可以一方面通过骨重建来修复这些损伤以延长自己的寿命，另一方面改变自己的结构使骨更加强壮以便更好的抑制骨损伤。与力学因素相比，电磁刺激是一种更为有效的抑制骨损伤的手段。它和力载荷同样可以加速损伤修复，强健骨骼，但是与此同时却不会使骨产生新的损伤，这是力载荷做不到的。.上述的得到的这些结果期望服务于骨骼疾病的治疗和康复。而且从力学角度分析骨的损伤行为，可以得到一些单纯医学角度得不到的结果，从而更好的理解骨的损伤和修复机理，为骨骼疾病的治疗和康复提供理论和技术上的参考，还可以为今后高性能生物医疗结构及自主控制系统的设计提供一定的定性的或半定量的支持，推进其在医疗工程结构中的应用。