仿生微纳锯齿丝切割超软脑组织的研究

摘要

脑组织属于超软生物组织，其力学性能的研究对研发大脑保护防护措施、医疗诊断等具有指导作用，脑组织试样的微创切割是脑组织力学性能精准测试的前提条件。目前大多研究都是使用医用手术刀或者压制模具来直接制备试样，由于脑组织质地极其柔软，在切割过程中易对脑组织造成损伤，影响脑组织力学性能测试的真实性。
　　蚊子能够以极低的刺入力刺入皮肤，主要归因于其下颚两端精致的微纳结构和振动刺入机制。受蚊子这种“无痛刺入”方式的启发，本文通过SEM和XRD分析，探索出一种可将金属微纳颗粒结到金属丝表面制备锯齿丝方法:将原始钼丝用砂纸打磨后进行酸化，从而在钼丝表面引入活性吸附位，随后将钼丝置于盐铁溶液浸泡，钼丝表面会覆盖一层吸附层，最后经过高温煅烧在钼丝表面形成锯齿结构。
　　为研究锯齿丝的切割效果，利用锯齿丝刀具结合往复运动方式进行了系列切割实验，结果表明由于锯齿丝表面的微纳结构和振动切割联合作用，切割力显著减小;研究了切割速度和振动频率因素对切割力的影响规律。结果显示，无往复运动时切入力随着进给切割速度的增大而减小;相反，往复运动时切入力随着切割速度的增大而略有增加;振动频率(8-24 Hz)对切入力影响不明显;相对于振动频率，切入力对切割速度更为敏感。
　　最后对脑组织进行了拉伸和松弛实验，不同应变率下脑组织的硬化效应表明脑组织具有较强的应变率相关性。通过拟合实验曲线建立了脑组织的五参粘弹本构模型，利用自定义子程序VUMAT将脑组织的粘弹性属性及等效Mises应力失效准则嵌入ABAQUS中，成功实现粘弹性脑组织切割过程的仿真模拟。结果表明切入力随着钼丝半径的增加而显著增大。
　　本文研究结果对软物质的微创切割以及粘弹性材料的切割机理研究具有一定参考价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 脑组织力学特性的研究现状

1．2．2 脑组织切割的研究现状

1．3 本文研究内容

2 微纳结构锯齿丝制备方法

2．1 微纳结构植入金属丝实验

2．1．1 实验方案

2．1．2 实验材料

2．1．3 实验步骤

2．1．4 扫描电镜

2．2 制备工艺条件对锯齿成型的影响

2．2．1 混合酸溶液酸化的影响

2．2．2 酸化时间影响

2．2．3 煅烧温度影响

2．2．4 煅烧时间影响

2．3 SEM表征和XRD分析

2．3．1 SEM表征

2．3．2 XRD分析

2．4 本章小结

3 锯齿丝切割软组织机理研究

3．1 琼脂糖凝胶的制备

3．1．1 脑组织替代材料的种类

3．1．2 实验材料和制备过程

3．2 切割力测试实验

3．2．1 实验装置

3．2．2 实验步骤

3．3 切割分析

3．4 切割因素对切割的影响

3．4．1 微纳结构和振动方式对切割效果的影响

3．4．2 切割速度对切割效果的影响

3．4．3 振动频率对切割效果的影响

3．5 本章小结

4 脑组织的粘弹本构模型与切割模拟

4．1 VUMAT子程序

4．2 粘弹本构理论

4．2．1 Maxwell模型

4．2．2 Kelvin模型

4．2．3 广义Maxwell模型

4．3 脑组织的力学性能

4．3．1 脑组织试样制备

4．3．1 脑组织拉伸破坏实验

4．3．3 脑组织应力松弛实验

4．4 脑组织粘弹本构和失效模型

4．5 脑组织切割数值模拟

4．5．1 脑组织切割模型

4．5．2 脑组织切割变形与破坏

4．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢