骨的三点湾测试与裂纹尖端分子拉伸的计算机模拟

摘要

现代骨伤科发展迅猛。对临床应用研究和骨伤基础研究提出了新的急需解决的问题。骨伤生物力学研究已经逐渐从整骨材料力学测试深入到骨的组织细胞力学和分子力学。
　　 随着微观力学测试方法的建立，生物力学工作者近年正努力将分子水平力学研究方法引入骨伤生物力学研究。主要包括单分子力学测试和计算机分子模拟。然而，从单分子力学测试实验方法上遇到两个问题。其一，分子水平样品制作与约束条件确定问题。其二，生理环境难以在单分子实验条件下满足，尤其是不同分子成分间的相互作用，例如羟基磷灰石晶体与胶原分子间的相互作用。利用计算机分子模拟方法可以部分弥补分子水平样品制作和约束条件问题。但是，也面临两个重要的问题。其一，计算机现有能力与分子模拟所需计算量相比差别太大，例如，对于超大分子量的胶原单分子目前暂时还不能完整模拟。其二，单分子计算结果大多只能通过周期边界条件假设得到分子组装聚集体。而实际组织往往是各向异性非均匀组装的。这使对计算机模拟结果的实验验证限制在单分子水平。例如，对于正常骨组织和骨痂的宏观差别的分子机制，单分子模拟便难以说明。
　　 尽管面临困难，本文仍然努力实现对骨的力学研究从宏观到微观的转换。
　　 首先，本文对整骨的力学特性进行描述。通过整骨三点弯曲骨折模型，探索使用X-线正位和侧位平片计算截面惯性矩，为临床骨科在体无损测量长骨力学特性提供了较为实用的测试理论和方法。在临床骨折治疗中利用本文方法可以量化愈合进程。
　　 在此基础上为了描述组织水平骨的力学特性，本文介绍了密质骨组织三种微观各向异性取向方向取材标本的三点弯曲试验。给出了骨组织结构单元显微骨折的一种新的实验模型。为完成本实验所研制的光学显微镜下的骨微型试件三点弯装置具有同步记录载荷--挠度曲线和显微光学动态图像的能力。并依靠这种方法结合文献对裂纹尖端受力状态的观察和分析，展示了密质骨组织结构的三种微观各向异性取向的裂纹扩展类型。
　　 针对从哈佛氏骨单元间粘着线或其邻近的环层骨板间开裂的显微骨折裂纹，在分析文献中骨板间电子显微镜下结构单元和骨板微观力学特性基础上，利用本文试验结果给出了其完整载荷一挠度曲线的数学模型。模型由描述无裂纹的三点弯曲梁的线性项、描述裂纹萌生和成核的塑性非线性项和主要用于描述曲线后坡的多个微纤维桥接组合项共三个部分组成。
　　 对于裂纹尖端的桥接纤维，直接的力学测试遇到困难。因此，本文转而求助于计算机模拟测试。依据桥接纤维组装结构特点，通过量子化学计算模拟，获得了胶原微纤维组装过程中关键的力学环节胶原分子间交联结构的模拟拉伸力学特性曲线。并且通过分子力学模拟技术对I型胶原单链进行了模拟拉伸。得到不同拉伸力条件下的分子片段构象。其基本趋势是从拉伸前能量优化的近α螺旋结构转变为拉伸后的近似β折叠的直链。据此本文提出了利用裂纹尖端单分子拉伸各态历经性，通过从零拉伸力状态至拉伸断裂过程不同构象复制和优化组合，描述裂纹尖端力学状态的设想。
　　 本文研究发现，分子水平微观条件下，应力的概念失效，被原子间力和约束外力替代了。在分子构象随体系长度千变万化并导致力-位移关系失去一般性的情况下，应变的概念也失去实际意义，由实际长度取代。本构方程变换为所谓分子力谱，实际上就是一条或多条力——位移关系曲线。这与宏观生物力学研究中本构方程基于各种自由度的细观微元的概念有所不同。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 立题背景

1.2 骨的组织结构和骨生理

1.3 骨基质的分子结构

1.3.1 胶原纤维

1.3.2 羟基磷灰石

1.4 骨折与骨痂

1.5 本文主要内容

1.5.1 探讨的具体问题

1.5.2 主要研究内容

第2章 兔胫骨整骨三点弯测试

2.1 引言

2.2 材料和方法

2.3 结果

2.4 讨论

2.4.1 胫骨的长度

2.4.2 X--线灰度与X线穿过骨质的厚度

2.4.3 截面惯性矩

2.4.4 弹性模量计算

2.5 本章小结

第3章 光镜下显微骨试件三点弯测试

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 微型三点弯曲试验装置

3.2.2 测力装置的标定

3.2.3 位移测试装置的标定

3.2.4 样品准备

3.2.5 测试方法

3.2.6 数据处理方法

3.3 测试结果

3.3.1 断裂类型

3.3.2 试件湿润与干燥状态的比较

3.4 讨论

3.4.1 样品准备

3.4.2 湿润与干燥对骨材料特性的影响

3.4.3 显微骨折模型

3.5 本章小结

第4章 显微骨折裂纹扩展力学分析

4.1 引言

4.1.1 显微骨折可视为显微损伤的终点

4.1.2 骨折裂纹

4.2 三点弯显微骨折的力学模型

4.2.1 裂纹扩展过程分析

4.2.2 载荷--挠度曲线

4.2.3 裂纹扩展的数学模型

4.3 本章小结

第5章 显微骨折裂纹尖端分子结构拉伸的计算机模拟

5.1 引言

5.2 胶原分子间二元交联结构的计算机模拟拉伸

5.2.1 交联结构

5.2.2 拉伸体系与方法

5.2.3 模拟结果

5.2.4 讨论

5.3 胶原分子单链的计算机模拟拉伸

5.3.1 简介

5.3.2 分子体系与拉伸方法

5.3.3 结果

5.3.4 讨论

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录

附录1 骨基质---特化细胞的符号世界

附录2 译文：共价键的力学强度

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

个人简历