体外骨缺损模型与形状回复力检测装置构建及其应用

摘要

利用人工骨修复骨缺损时，常因人工骨与自体骨间存在间隙，或因固定引起应力遮挡等原因导致骨修复速度减慢，甚至出现骨不连。形状记忆聚合物在热刺激下会发生形状改变，并产生形状回复力。因此，基于形状记忆聚合物的形状记忆人工骨（SMP骨）可望完全填充间隙并对骨施加回复应力刺激，从而加速骨缺损修复。SMP骨实现这一功能的关键是其在热刺激下产生的回复力大小，而回复力大小与形状回复率密切相关。因此，定量检测形状回复力大小及其与形状回复率的关系有重要意义。但是目前尚缺乏可以同时定量检测形状回复率和形状回复力的装置。另一方面，建立合适的骨缺损模型评价SMP骨的骨缺损修复能力是SMP骨得以临床应用的前提。现在应用的骨缺损模型主要是动物临界骨缺损模型，存在成本高、操作复杂、周期长等特点，实际操作中也不能建立人体骨缺损模型。鉴于此，本论文拟设计和制作一套基于悬臂梁系统的体外骨缺损模型和形状回复力检测装置，使其具备以下功能：①模拟不同大小的骨缺损和不同弹性系数的自体骨组织（如松质骨、密质骨，以表征不同年龄、性别、部位或健康状态的骨组织力学性能）；②定量检测形状回复力及其与形状回复率的定量关系；③最终模拟检测不同骨组织在形状回复力作用下的变形。通过这些功能的实现，可以体外优选SMP骨的临时形状和永久形状，从而减少动物试验的数量，提高动物试验的成功率和有效率。本论文的主要研究工作和结果包括：
　　（1）通过理论计算推导基于悬臂梁系统构建体外骨缺损模型的基本原理。结果表明，自体骨组织弹性系数K与悬臂梁的模量E、宽b、厚度h，以及SMP骨与悬臂梁作用位点距悬臂梁固定端长度a满足关系式：此处为公式，提示：调整悬臂梁的相关参数E、b、h和a，可以模拟不同自体骨的弹性系数，尤其是改变a值可以方便地模拟自体骨状态。
　　（2）通过理论计算推导基于悬臂梁系统检测形状回复力的基本原理。结果表明，形状回复力F与悬臂梁参数（E、b、h）、悬臂梁末端挠度δ0、a点挠度δa满足关系式：此处为公式，提示：通过检测δ0即可检测到形状回复力F、以及F所引起的SMP骨的变形量δa和自体骨的变形量w。
　　（3）在上述理论计算的指导下，设计并加工了一套完整的基于悬臂梁系统的人工骨缺损模型和形状回复力检测装置，主要包括：悬臂梁基座、上/下样品托、温度控制箱、基于LVDT（线性差动变压器）位移传感器的挠度检测系统、以及基于LabVIEW的程序控制系统等。建立了装置的使用方法和检测步骤，并对装置进行了标定和校正。利用所建装置检测已知F引起的δ0，发现实验测得的弹性系数Ke值与理论值Kt相当，相对误差仅为1.735％，从而证明了所构建装置模拟骨缺损的有效性，也进一步证明前述基于悬臂梁系统建立骨缺损模型的原理是正确的。
　　（4）合成并加工了一种形状记忆聚氨酯（PUU-PPZ），对其结构进行了表征，探索出了一种可有效控制样条气泡含量和氧化程度的实验室加工工艺，加工出了柱状、片状和弹簧状的形状记忆样品。
　　（5）以不具有形状记忆性能的聚乳酸/磷酸三钙（PLA-TCP）3D多孔支架为对照，检测了PUU-PPZ柱材的压缩回复力及其与过程回复率之间的关系。结果表明，与PLA-TCP三维支架相比，PUU-PPZ形状记忆材料的形状回复力明显更高；PUU-PPZ压缩回复力随过程回复率增大而呈下降趋势。
　　（5）进一步检测了PUU-PPZ片状的弯曲回复力。结果表明，最大弯曲回复力（1.10N）明显高于最大压缩回复力（0.86N），与理论推导结论一致，提示：在SMP人工骨的设计加工中，采用弯曲状结构（如弹簧状）可望具有更大的回复力和回复性能。

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1绪 论

1.1 问题提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究思路及主要研究内容

1.4 本论文的创新点

2 体外骨缺损模型和回复力检测装置的构建与设计

2.1 体外骨缺损模型构建与回复力检测的基本原理

2.2 体外骨缺损模型和回复力检测装置的设计与制作

2.3 回复力检测装置的标定及校准

2.4 体外骨缺损模型有效性的初步验证

3 材料准备及样条加工

3.1 前言

3.2 DL-丙交酯制备

3.3 形状记忆聚氨酯的合成

3.4 样条制备

3.5 小结

4形状记忆聚氨酯回复力测试

4.1 PLA-TCP 3D多孔支架膨胀力学性能测试

4.2 PUU-PPZ圆柱体压缩回复力的检测

4.3形状记忆聚氨酯片材弯曲形状回复力研究

4.4 比较分析

5 主要结论及后续工作建议

5.1 主要结论

5.2 后续工作建议

致谢

参考文献