基于離散單元法的人工骨材料微觀結(jié)構(gòu)研究

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1、基于離散單元法的人工骨材料微觀結(jié)構(gòu)研究收稿日期：2011-10-31基金輔助：國家自然科學基金（51175432）；國家自然科學基金（50905147）；國家自然科學基金（50875215）；陜西省自然科學基金資助(2011JQ7005)；西北工業(yè)大學基礎研究基金資助（JC20100230）；西北工業(yè)大學新人新方向基金資助（10GH0135）；中國博士后科學基金特別資助（第二批，200902606）；中國博士后科學基金面上資助一等資助（第44批，2008044193）作者簡介：韓琴(1985-)，女，西北工業(yè)大學

2、，碩士，主要從事復合材料和結(jié)構(gòu)設計方面的研究。Email:hanqinmmoo228@163.com手機：15934888325；電話：029-88492822-420*通訊作者：韓琴，hanqinmmoo228@163.com韓琴1，汪焰恩12，魏生民1，魏慶華1（1.西北工業(yè)大學，機電學院，西安，710072）（2.斯特拉斯克萊德大學，設計、制造工程管理系，格拉斯哥，英國，G11XJ）摘要：人工骨支架的孔隙率是影響體液在人工骨內(nèi)部循環(huán)和細胞在內(nèi)部生長能力的重要參數(shù)，利用離散單元法分析人工骨支架制備過程中羥基磷

3、灰石微球的堆積過程，根據(jù)每一時刻各顆粒間的相互作用計算接觸力，再運用牛頓第二定律計算單元的運動參數(shù)，從而實現(xiàn)對運動情況的預測。在顆粒的碰撞過程中，運動的顆粒必然趨于穩(wěn)定，最終計算出穩(wěn)定狀態(tài)下人工骨支架的孔隙率和配位數(shù)。利用摻雜可溶解生物微球的方法調(diào)節(jié)人工骨支架的孔隙率和配位數(shù)，對人工骨支架孔隙率進行控制，實現(xiàn)了按照個體差異制備人工骨支架。對比前人晶格理論計算人工骨孔隙率的方法，驗證了晶格理論的可行性，同時也體現(xiàn)了離散單元法的準確性。關(guān)鍵詞：人工骨支架；孔隙率；配位數(shù)；離散單元隨著社會的進步與人們生活水平的提高，人

4、們的平均壽命不斷延長，但人體本身的老化卻不可避免，世界人口老齡化問題日益突顯。全球人口平均壽命已延長到66歲，全球老齡人口總數(shù)已達6.29億。人體的老化30歲就開始了，人體的結(jié)締組織、特別是保持人體直立姿勢的骨骼組織隨之開始劣化。隨著年齡的增長，由于骨組織的變化，其強度逐漸降低，發(fā)生骨折的幾率增大。此外，由于創(chuàng)傷、感染、腫瘤、事故、戰(zhàn)爭或矯形手術(shù)所致的骨缺損也需要進行骨移植。骨移植材料大體可分為：自體骨、同種異體骨和人工替代骨，自體骨組織移植效果很好,無免疫排異反應，但是存在來源有限、需要二次手術(shù)及取骨部位常遺留

5、慢性疼痛等并發(fā)癥的缺點[1]體移植雖不需兩次手術(shù),且具有自體骨的一些優(yōu)越的組織特點,能提供足量不同形狀尺寸的皮質(zhì)骨或松質(zhì)骨，但移植骨在經(jīng)消毒處理后會失去強度,部分或完全損失骨誘導因子,并有感染病毒的可能。為了克服這些局限,1995年Crane等[2]系統(tǒng)地提出了組織工程骨的基本概念，利用組織工程學的原理和方法對缺損骨組織進行修復和重建,要求它們具有與人體骨骼相匹配的力學性能和骨傳導、骨誘導作用。理想骨替代物應該滿足如下要求：①與人體組織具有良好生物相容性[3]無免疫源反應；②與人骨力學性能相近似，且具有一定的強度

6、和支撐力[4]③優(yōu)良的三維微觀結(jié)構(gòu)，保證培養(yǎng)液及血液能夠進入骨支架內(nèi)部，且易于成型；④良好的成骨誘導性；⑤具有合適的表面理化性質(zhì)，且能被宿主骨組織吸收替代；⑥取材方便，易于大量制作。因此，在保證人工骨的承載功能（彈性模量）滿足要求的前提下，人工骨往往需要制成多孔結(jié)構(gòu)，即滿足一定的孔隙率要求，從而促進人工骨體內(nèi)生物相容性，保證骨細胞和營養(yǎng)液物質(zhì)在支架內(nèi)的流動。由于不同部位的人工骨有其特定的孔隙率，故基于精確控制孔隙率制備人工骨支架是人工骨支架的一種重要制備技術(shù)，有必要對人工骨材料微觀結(jié)構(gòu)進行研究和探討。汪焰恩等人借

7、鑒材料設計晶格理論，對晶格堆積排列的14種布拉伐格子堆積方式[5-6]，得出對于微球堆積人工骨支架而言，簡單立方可作為支架單胞分析模型，并以簡單立方為模型計算了羥基磷灰石微球堆積的人工骨支架的孔隙率，即配位數(shù)為6時，羥基磷灰石微球為0.3時羥基磷灰石微球人工骨支架的孔隙率為；文中擬對系統(tǒng)的理論和數(shù)值計算進行分析，從而得出基于晶格理論的孔隙率計算方法和基于離散單元法的孔隙率計算方法之間的內(nèi)在差異與一致性。1基于離散單元法的孔隙率計算方法1.1離散單元法的單元接觸模型離散單元法[7]流方法是把分析對象看成充分多的離散

8、單元，每個顆粒或塊體作為一個單元，根據(jù)整個過程中每一時刻各顆粒間的相互作用計算接觸力，再運用牛頓第二定律計算單元的運動參數(shù)，這樣循環(huán)運算，實現(xiàn)對運動情況的預測，其計算流程框圖如圖1所示：圖1顆粒流方法計算流程框圖Fig.1CalculationflowdiagramofParticleflowmethod顆粒流方法的顆粒模型是將顆粒與顆粒、顆粒與邊界的接觸采用振動運動方程