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软体柔性管状器官的生物摩擦学性能研究

作　者: 王泽
导　师: 周明
学　校: 江苏大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 肠道生物摩擦学摩擦力肠黏液粘弹性蠕动波
分类号: R318.01
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

消化道是人体主要的消化吸收器官,随着环境污染加剧、工业生产的加快、饮食结构的改变,食道癌、肠道肿瘤等消化道疾病发病率逐年增加。消化内镜检查是消化道疾病诊断、治疗的重要手段,内插式内镜需要借助外力推入人体内病人承受巨大痛苦甚至造成咽喉擦伤、食道黏膜层撕裂、肠胃穿孔等并发症。胶囊式内镜吞服后靠蠕动进入人体内,但存在电量供应不足、无法定位、运动不能控制、体内停滞等问题。主动式微机器人在顺滑消化道内自主行走必须要有足够大的摩擦力,才能为其运动提供驱动力。因此,开展消化道的生物摩擦学研究,为解决消化道组织擦伤、胶囊滞留、微机器人运动方式控制以及内镜结构优化设计具有重要的理论研究意义和学术价值。本文以家兔消化道为研究对象,通过表征其内表面微结构、蠕动时内表面形貌变化、力学性能、肠黏液润滑性和流变性,采用边界润滑理论探索摩擦力变化机理。将肠蠕动简化为正弦波,采用薄壳理论、边界润滑理论和五元粘弹性模型建立摩擦力预测模型。采用Matlab模拟出在肠蠕动条件下,肠道粘弹性变形、肠黏液、内镜尺寸、材料与摩擦力的关系,为无损诊断内镜的设计奠定实验基础推动医用微机器人的研制。摩擦学中表面形貌是影响其摩擦性能的重要因素,本文采用环境扫描电镜对家兔整个消化道内表面的微结构进行观察,结果表明食道、胃、小肠、大肠内表面结构差异很大。食道内表面沿环向分布着不连续的脊状结构,小肠内表面分布着皱襞、绒毛和微绒毛,并且不同肠段绒毛的形状和稀疏程度均不同,胃内表面分布着皱襞和胃小凹,大肠与小肠不同没有绒毛。摩擦学中除了表面形貌外,表面的物理、化学和力学性能对摩擦性能影响也很大。本文采用微摩擦仪和流变仪对肠黏液的流变性、润滑性进行测试,结果表明肠黏液为非牛顿流体具有剪切稀化性,随着剪切率增大粘度降低并趋于一常数,变为牛顿流体。分析认为是肠黏液中的蛋白大分子受到破坏造成的；PDMS塑料薄膜在干摩擦、去离子水、肠黏液条件下摩擦,肠黏液使摩擦系数降低到10-2数量级肠黏液具有良好的润滑性,分析认为肠黏液中的磷脂层具有疏水性覆盖在弹性凝胶层上,可降低吸附力起到滑移减阻的作用。采用微电子拉伸仪对食道、气管、小肠、大肠进行了轴向和环向拉伸,结果表明食道、气管、小肠、大肠的力学性能不同,并且都是各向异性材料,环向伸长比大于轴向伸长比,提出了消化道黏膜层的微结构是影响其力学性能的重要因素。设计了一种新的测试方法能排除粘弹性变形的影响,测试肠道表面形貌的变化与摩擦性能的变化规律。该测试方法制造了五个直径不同的半圆柱体,依次比被测5个样品直径增大0%,20%,40%,60%,80%,将肠道内表面朝外套在半圆柱体上,使5个肠段环向应变率依次为0%,10%,20%,30%,40%,然后测不同应变条件下摩擦系数的变化,结果表明：当环向应变率小于10%,随着速度和载荷的增大摩擦系数上下波动较小基本不变；当环向应变率大于10%,随着速度和载荷的增大摩擦系数上下波动较大,增幅明显。提出了摩擦系数变化的机理：当肠道环向应变率小于10%,润滑形式为混合润滑；环向应变率大于10%,润滑形式转化为边界润滑。建立了肠道产生粘弹性变形和不产生粘弹性变形时的两种摩擦力预测模型,并采用Matlab进行了数值模拟。第一种模型利用薄壳理论和肠道粘弹性变形模型建立肠道蠕动的动力学模型,将蠕动波简化为正弦波,利用五元粘弹性模型和基本摩擦定律推导出摩擦力计算表达式。第二种模型考虑了内镜微型化后,不受肠道粘弹性变形影响仅由内表面形貌和物理化学性质决定,采用边界润滑理论和分形理论推导出了摩擦力计算表达式。仿真结果表明：有蠕动比没有蠕动时胶囊产生的摩擦力大；摩擦力随着胶囊内镜半径、长度、速度增大而增大；半径比长度产生的摩擦力增量大；前进端与驱动端接触角产生的摩擦力增量相当,相同的接触角前进端比驱动端产生的摩擦力大,重力产生的摩擦力可以忽略不计。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-16
第一章绪论  16-34
  1.1 引言  16-17
  1.2 消化道生物摩擦学发展现状  17-28
    1.2.1 消化道内镜检查并发症  17-19
    1.2.2 胶囊式内镜与消化道的生物摩擦学  19-24
    1.2.3 微机器人内镜与消化道的生物摩擦学  24-28
  1.3 消化道生物摩擦学研究方法  28-30
    1.3.1 离体管内实验法  29
    1.3.2 离体开式实验法  29-30
    1.3.3 有限元分析法  30
  1.4 本课题的研究目的和主要研究内容  30-34
    1.4.1 本课题的研究目的  30-31
    1.4.2 本课题的主要研究内容  31-34
第二章消化道内表面微细结构  34-56
  2.1 引言  34
  2.2 实验部分  34-35
    2.2.1 实验材料、试剂和仪器  34-35
    2.2.2 实验方法  35
  2.3 结果与讨论  35-43
    2.3.1 舌头的内表面形貌  35-36
    2.3.2 食道的内表面形貌  36-38
    2.3.3 胃的内表面形貌  38
    2.3.4 小肠的内表面形貌  38-42
    2.3.5 大肠的内表面形貌  42-43
  2.4 消化道的分维数  43-53
    2.4.1 分维数计算方法  44-46
    2.4.2 小肠的分维数  46-52
    2.4.3 小肠的内表面计算  52-53
  2.5 本章小结  53-56
第三章消化道的力学性能  56-76
  3.1 引言  56-59
  3.2 实验部分  59-60
    3.2.1 实验材料、试剂和仪器  59
    3.2.2 实验方法  59-60
  3.3 结果与讨论  60-64
    3.3.1 食道的力学性能  60
    3.3.2 十二指肠的力学性能  60-61
    3.3.3 空肠的力学性能  61-62
    3.3.4 回肠的力学性能  62
    3.3.5 大肠的力学性能  62-63
    3.3.6 分析讨论  63-64
  3.4 软组织的拟弹性  64
  3.5 力学模型  64-73
    3.5.1 薄壳一般理论  65-68
    3.5.2 消化道的控制方程  68-73
  3.6 本章小结  73-76
第四章肠黏液流变性和润滑性  76-94
  4.1 引言  76-77
  4.2 流变性实验  77-82
    4.2.1 实验材料、试剂和仪器  77
    4.2.2 实验方法  77-78
    4.2.3 结果与讨论  78-81
    4.2.4 流变性机理分析  81-82
  4.3 润滑性实验  82-84
    4.3.1 实验材料、试剂和仪器  82-83
    4.3.2 实验方法  83
    4.3.3 结果与讨论  83
    4.3.4 肠黏液润滑性机理分析  83-84
  4.4 其他几种生物润滑液  84-90
    4.4.1 实验材料、试剂和仪器  85
    4.4.2 实验方法  85-86
    4.4.3 结果与讨论  86-90
  4.5 本章小结  90-94
第五章消化道的生物摩擦学性能  94-104
  5.1 引言  94-95
  5.2 实验部分  95-97
    5.2.1 实验材料、试剂和仪器  95
    5.2.2 实验方法  95-97
  5.3 结果与讨论  97-103
    5.3.1 摩擦系数与环向应变  97-99
    5.3.2 摩擦系数与载荷  99-101
    5.3.3 摩擦系数与速度  101-102
    5.3.4 结论  102-103
  5.4 本章小结  103-104
第六章摩擦力预测模型及仿真分析  104-124
  6.1 引言  104
  6.2 有粘弹性变形的摩擦力预测模型  104-109
    6.2.1 应力松弛本构方程  104-105
    6.2.2 肠道蠕动模型  105-109
  6.3 无粘弹性变形的摩擦力预测模型  109-113
    6.3.1 肠道结构模型  109-110
    6.3.2 肠道结构转化模型  110-111
    6.3.3 肠道的摩擦力预测模型  111-113
    6.3.4 摩擦力计算表达式  113
  6.4 仿真分析  113-121
    6.4.1 数值分析  114-121
    6.4.2 结论  121
  6.5 本章小结  121-124
第七章总结与展望  124-128
  7.1 总结  124-126
  7.2 创新  126-127
  7.3 展望  127-128
致谢  128-130
参考文献  130-146
博士在读期间所发表的论文、申请专利和主持参与科研项目  146

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