多场耦合载荷作用下的骨重建行为模拟

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1、天津大学博士学位论文多场耦合载荷作用下的骨重建行为模拟姓名：曲传咏申请学位级别：博士专业：固体力学指导教师：秦庆华20070501中文摘要自从骨的环境适应性这一特性被发现以来，这一领域的研究已经吸引了众多包括生物学、力学、工程学、物理学、化学等各个领域内科学家的注意。最近几十年来，在临床上电磁场已被广泛用于治疗骨折、骨不连、骨质疏松等骨科病症，并已取得满意的效果。国内外大部分学者研究发现，电磁场口J．促进体外培养的成骨细胞的增殖。然而，关于骨组织如何对电磁场的刺激产生响应的机理目前仍不清楚，有待进一步研究。与此同时，多学科交叉研究方法的成熟也为我们研究骨力学提供了新的手段和方法。基于前述背景，

2、针对先前骨重建研究中存在的不足，本文以骨材料为主要研究对象，就多场耦合载荷作用下骨的适应性行为展开研究，建立新的多场耦合作用下骨适应性重建的模型，将生长因子作为非力学因素引入骨的重建模型，增加模型中的生物学因素，使模型更加合理化，从而考察外力场和外加电磁场对骨质材料重建行为的影响。在新的模型中，本文首次将骨的内部重建和表面重建统一在一个模型中，并在此基础上利用数值模拟的方法将内部重建和表面重建结合起来研究，模拟多场耦合作用下骨的重建行为，并分析各种外界载荷对骨重建的影响，考察内部重建和表面重建之间的耦合关系和相互影响以及它们对整个骨重建过程的影响，使模型可以研究更加复杂的情况，与实际更加接近。

3、然后，本文将针对临床中一个实际问题展开研究，模拟骨关节置换手术后，骨的疏松过程以及销钉的松脱过程，考察电磁场对这一过程的影响。最后，本文将状态空间法引入骨重建模型的计算，使其可以计算非均匀骨质材料的重建行为，模拟径向载荷作用下骨结构的演化过程考察径向载荷对骨骼结构的影响，分析骨骼结构在径向载荷作用下的演化过程。本文研究结果表明：电磁场的刺激和机械载荷的刺激一样，可以影响骨的重建行为，并最终改变骨的结构和材料性质。而且，骨的内部重建和表面重建是相互影响的，特别是在塑建和废用状态下更是如此。以上的得到的这些结论对骨骼疾病的治疗和康复具有一定的指导意义。而且本文从力学角度分析骨的重建行为，可以得到一

4、些单纯医学角度得不到的结论，从而更好的理解骨的重建机理，为骨骼疾病的治疗和康复提供理论和技术上的支持，还可以为今后高性能生物医疗结构及自主控制系统的设计提供一定的理论和实验支撑，推进其在医疗工程结构中的应用，使医学工程结构向着高智能化方向发展。关键词：骨重建多场耦合生物力学生物材料ABSTRACTSinceboneremodelingwasfirstlydiscoveredbyWolffin1892，ithasattractedwidespreadattentionfrombiologicalscientistsandmechanicalengineering．Theremodelingref

5、erstothemechanismbywhichboneadaptsitshistologicalstructuretochangesinlongtermloading．Ontheotherhand，interestinthebiologicaleffectsofextremelylowfrequencyelectromagneticfieldsonbonetissueshasgrownrapidlyinrecentyears．Today，increasinglymoreresearchersareacceptingthenotionthatthereisthepotentialforinte

6、ractionbetweenelectromagneticfieldsandskeletalbiologicalsystems．Elecromagneticfieldshavebeenwidelyappliedinthetreatmentofskeletalconditionssuchasosteoporosis，tendonitis，osteonecrosis，fractures，andnonunion．Theinfluenceofanelectromagneticfieldonbonepropertiesandstructuresismostlyattributedtoitseffecto

7、ntheprocessofbonefunctionaladaptation．Therefore，themechanismofhowanelectromagneticfieldactsonbonefunctionaladaptationisanimportantmaaertOinvestigate．Ahypotheticalregulationmechanismforboneremodelingun