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基于纳米压痕技术的生物材料微尺度力学性能研究

作　者: 刘志远
导　师: 杨庆生
学　校: 北京工业大学
专　业: 固体力学
关键词: 生物材料纳米压痕测试微尺度力学性能关节软骨
分类号: TB39
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

纳米压痕技术作为一种测试生物材料微米尺度力学性能的有力工具,越来越多地受到了关注。其15N的最大加载范围,1nN的载荷分辨力和0.0002nm的位移分辨力,也使其成为连接原子力显微镜(AFM)所做纳米尺度力学性能测试及万能试验机(UTM)所做宏观尺度力学性能测试的桥梁。然而生物材料纳米压痕实验有着许多不同于常规材料微尺度力学性能测试的地方,例如试样制备复杂、实验影响因素众多、数据分析困难等等,使得生物材料微尺度力学性能测试出现了很多亟待解决的问题。本文主要从以下几个方面对生物材料的微尺度力学性能进行了研究:(1)作为一种对试样表面处理要求很高的实验方法,生物试样制备技术是其微尺度力学性能测试最大的影响因素。本文对三种常规的生物试样制备技术(血涂片法、直接粘接、冷镶嵌法)进行了实验研究,发现常规方法会使暴露在空气中的试样逐渐失水,不利于保持生物试样的生物活性,降低了实验的可信度。针对这些问题开发了新型生物材料制备技术和相关的试样台,可以在溶液中测量生物试样的力学性能,并有效防止试样在测量中的错动。(2)生物材料的结构和功能决定了其在纳米压痕实验中会体现出不同于常规材料的力学特性,对生物试样的实验结果进行正确的分析和合理的解释需要充分考虑这个问题。本文研究了生物材料四种相关的结构和功能,即粘弹性、非均匀性、各向异性和粘附性,结合实验指出了其对纳米压痕实验的影响,并为后续实验在方法与控制参数的选择上找到了依据。(3)关节软骨开放手术中如何选择恰当的保护液来保持软骨本身所固有的性能,是医学上的一个热点问题。本文应用新型生物试样测试方法结合自制试样台对壳多糖溶液、生理盐水保护下关节软骨的力学性能进行了定量的测量,并同蒸馏水保护组进行比对,应用力学的方法研究了这个问题。研究结果显示壳多糖溶液和生理盐水均具有保持关节软骨原有力学性能的效果,而仅用蒸馏水对试样进行保湿,软骨力学性能变化很大。实验结果符合预期设想,为进一步生物材料微尺度力学性能研究,提供了适合的方法与理论,并为数值计算提供了参考。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-21
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 生物材料力学性能测试方法  10-11
    1.2.1 宏观尺度力学性能测试  10
    1.2.2 纳米尺度力学性能测试  10-11
    1.2.3 微/纳米尺度力学性能测试  11
  1.3 纳米压痕实验仪器及原理  11-16
    1.3.1 G200 型纳米压痕仪简介  11-12
    1.3.2 G200 型纳米压痕仪测试原理  12-16
  1.4 生物材料纳米压痕研究现状  16-21
    1.4.1 在硬组织中的应用  16-18
    1.4.2 在软组织中的应用  18-19
    1.4.3 在生物仿真中的应用  19-21
第2章生物试样制备技术  21-31
  2.1 生物材料纳米压入实验试样制备常规方法  21-25
    2.1.1 纳米压痕实验血涂片制备方法  21-22
    2.1.2 直接粘接法  22-24
    2.1.3 冷镶嵌法  24-25
  2.2 生物材料纳米压入实验试样制备新方法  25-30
    2.2.1 生物软组织各向异性纳米压入测试台简介  25-27
    2.2.2 生物软组织各向异性纳米压入测试台使用方法  27-28
    2.2.3 生物软组织各向异性纳米压入测试台实验结果  28-30
  2.3 本章小结  30-31
第3章几种典型生物组织的纳米压痕实验  31-45
  3.1 纳米压痕实验中生物材料特性  31-34
    3.1.1 粘弹性  31-32
    3.1.2 各向异性与非均匀分布  32-33
    3.1.3 粘附特性  33-34
  3.2 红细胞微/纳米尺度力学性能研究  34-37
  3.3 羊棘突骨微尺度力学性能测试  37-40
  3.4 皮肤的微尺度力学性能测试  40-43
  3.5 本章小结  43-45
第4章关节软骨力学性能研究  45-53
  4.1 引言  45
  4.2 压头的选择  45-46
  4.3 选材及试样制备  46-47
  4.4 冷镶嵌法与直接测试法对照试验  47-49
  4.5 关节软骨保护剂对其微尺度力学性能影响  49-52
  4.6 本章小结  52-53
结论  53-55
参考文献  55-59
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  59-60
致谢  60

基于纳米压痕技术的生物材料微尺度力学性能研究

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