有机相和无机晶体取向对人牙釉质力学性能影响的有限元研究

摘要

天然生物组织大多具有独特而又高度有序的微结构和特殊的化学组成，从而表现出优异的力学性能。人类牙齿是一种典型的具有多级微结构的外骨骼生物组织，主要由牙釉质、牙本质和牙髓构成。其中，牙釉质是钙化程度最高的人体组织，具有很好的刚度和韧性，对咀嚼磨耗有较大的抵抗力。目前，人牙釉质依然是一种无法用人工修复材料有效替代的天然生物材料。因此，很有必要深入研究人牙釉质的微观结构和化学组成对其力学性能的影响，研究结果可以为牙科修复材料的仿生设计和牙齿损伤的临床防治提供理论指导。
　　本论文采用有限元分析方法，分别建立牙釉质在纳米尺度和微米尺度的有限元模型，在此基础上，研究了牙釉质的弹塑性力学行为，分析了人牙釉质内部有机相蛋白质和无机相羟基磷灰石(HAP)晶体排列取向对其力学性能的影响。研究取得的主要结果和结论如下:
　　1.牙釉质具有各向异性的力学性能，随着偏离HAP晶体C轴方向的角度增加，其压缩弹性模量和压缩屈服应力降低，在45°方向上达到最小值;牙釉质中的有机相蛋白质对其力学性能有显著影响，当蛋白质被去除后，牙釉质的压缩弹性模量、剪切弹性模量和剪切屈服应力均降低，压缩屈服应力则无明显变化;牙釉质中的蛋白质会影响其承载时内部的应力分布，当蛋白质被去除后，牙釉质内部的应力集中加剧，变形集中在脆性的HAP晶体上，更容易发生破坏。
　　2.人牙釉质内的HAP晶体具有特殊的排列取向，和HAP晶体均匀分布的排列取向相比，牙釉质的屈服极限略低，但二者的刚度相同。釉柱中HAP晶体特殊的排列取向导致其塑性变形从釉柱尾部逐渐扩展到整个釉柱。这种渐进的塑性变形扩展机制有助于把变形及时传播到其他区域，减少裂纹的产生，保持牙釉质结构的完整性。釉柱中HAP晶体特殊的排列取向还导致釉间质区域的剪切应力增大，使其发生更大的塑性变形，吸收更多的变形能。可见，HAP晶体特有的排列取向可以使牙釉质在保持刚度的同时，内部具有一定程度的应力传导和能量耗散，从而提高牙釉质的韧性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 人体天然牙

1．2．1 牙齿的结构和功能

1．2．2 人牙釉质的结构和组成

1．3 牙齿力学性能研究现状

1．3．1 体外试验研究

1．3．2 数学建模研究

1．3．3 有限元分析研究

1．3．4 存在的问题

1．4 选题意义和研究内容

1．4．1 选题意义

1．4．2 研究内容

第2章 牙釉质力学理论基础以及有限元方法

2．1 复合材料力学理论基础

2．2 非线性有限元分析理论基础

2．3 有限元分析软件ANSYS介绍

2．4 牙釉质有限元模型的建立

第3章 有机相蛋白质对牙釉质力学性能的影响研究

3．1 牙釉质纳米尺度有限元模型(HAP晶体-蛋白质微结构)

3．1．1 HAP晶体-蛋白质纳米微结构的实体模型

3．1．2 HAP晶体-蛋白质纳米微结构的有限元模型

3．2 结果与讨论

3．3 本章小结

第4章 无机晶体取向对牙釉质力学性能的影响研究

4．1 牙釉质微米尺度有三维有限元模型

4．1．1 牙釉质(釉柱-釉间质微结构)三维有限元模型

4．1．2 压痕有限元模型

4．2 结果与讨论

4．2．1 牙釉质(釉柱-釉间质微结构)三维有限元模型计算结果

4．2．2 压痕有限元模型计算结果

4．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文