新型多段式股骨植入体周围骨应力分布的三维有限元分析

应用于植入性下肢假肢的骨植入体多为一段式结构，长期使用下产生的应力屏蔽效应容易引起骨质疏松，继而导致植入体植入失败．设计了一种新型的多段式结构的植入体，并基于人体CT扫描数据建立了相关股骨残肢骨和骨内植入体模型，在步行最大生理载荷情况下，采用三维有限元分析方法，对新设计周围的骨应力进行了分析研究．结果表明相比于一段式植入体，新型植入体植入后应力屏蔽和应力集中的程度得到了有效减轻，且与自然骨的应力较为接近，而且还能保持其在体内的稳定性，是比较理想的新型植入体设计。     

个性化下颌钛支架植入体的设计与生物力学评价

基于CT断层扫描图像数据,利用CAD、有限元分析技术重建正常下颌骨的三维几何、有限元模型.对模型进行分割,模拟下颌骨右侧体部缺损,参照天然下颌骨几何形态设计下颌钛支架植入体,并对其重建下颌骨的生物力学效果进行三维有限元分析.结果表明,钛支架植入体在咀嚼力作用下,义齿基桩颈部及预留种植孔周围应力较大,其他部位应力值较低且分布均匀;颈部的应力值随孔道直径的增加而明显降低,基桩高度与预留孔道深度的比例变化对应力大小及分布特性基本没有影响;钛支架植入体重建下颌骨在咀嚼力作用下,支架的应力比自然骨应力大1个数量级,呈现明显的应力遮挡效应;根据钛支架植入体上的应力分布状态对其进行镂孔设计,应力分析结果显示其强度依然满足功能要求.由以上分析结果可知,义齿预留孔道的深度在保证螺纹强度的前提下,可尽量减小,以减小钛支架的体积;钛支架植入体的镂孔设计在满足功能强度前提下,可以降低其整体尺寸,同时提高其结构生物相容性和临床实用性.     

钛合金经皮植入式假肢骨内固定植入体表面经生物陶瓷改性后与骨整合的研究

通过对钛合金经皮植入式假肢的的骨内固定植入体表面进行生物陶瓷改性,以研究经改性过的植入体与其宿主骨整合的能力.采用羟基磷灰石喷涂和微弧氧化两种生物陶瓷改性工艺,对骨内固定植入体进行改性处理,将改性过的植入体植入山羊后腿胫骨,术后8周取标本行组织学观察,见两种生物陶瓷改性的植入体均可与宿主骨形成严密整合.计算宿主骨组织与植入体整合率,发现经生物陶瓷表面改性的植入体与宿主骨组织整合率显著高于未经生物改性的对照组植入体(p＜0.01),而羟基磷灰石喷涂组和微弧氧化组与宿主骨整合率的差别无统计学意义(p＞0.05),说明羟基磷灰石和微弧氧化两种陶瓷层都具有很强的诱导骨生成能力,经其表面改性的骨内固定植入体能与宿主骨形成紧密整合.     

层状仿生生物活性人工软骨植入体的数字散斑相关分析

制备了一种仿生层状人工软骨/骨复合植入体,可将软骨植入体与宿主软骨的连接转变为骨-骨的界面结合,提高植入软骨固定效果.采用数字散斑等方法对仿生层状人工关节软骨/骨复合植入体的生物力学性能进行研究,比较了松质骨,PVA/骨复合体以及PVA-BG复合体在不同载荷作用下的位移变化,并从微观变形角度探讨了人工软骨/骨复合植入体中软骨层厚度对缓冲内部应力的作用.     

腓骨内植入物材质的选择及螺钉布局方式

为了探究不同螺钉数量的布局方式、接骨板材质对腓骨骨折愈合过程中的影响。利用组合梁理论验证了腓骨内固定模型的有效性后,在ANSYS Workbench中模拟3种腓骨骨折内固定方案术后康复前期、后期的受力过程,分析螺钉的布局方式、接骨板材质对腓骨、接骨板的应力的影响,并计算了骨折区域的应力遮挡率。研究结果表明：B₁、B₂和B₃内固定方案的接骨板应力集中现象均主要在接骨板的中间区域,而腓骨的应力集中现象主要在骨折块末端内侧的螺钉孔处。螺钉的不同布局方式对应力遮挡率的影响小于接骨板材质对应力遮挡率的影响,接骨板材质的杨氏模量越大,对应力遮挡率的影响愈大。从生物力学角度考虑,金属接骨板联接的腓骨内侧表面最容易受到损伤,康复期可佩戴护具来减少损伤。组合方案B₂C₁既能够提供在骨愈合时内固定系统所需的稳定性,也可以保证较低的应力遮挡和足够的刚度,是腓骨远端骨折值得推荐的内固定方式之一。     

微动椎弓根螺钉的生物力学仿真评测

利用有限元法评估一种微动椎弓根螺钉的生物力学性能.基于人体脊柱CT图像数据建立腰椎L3-L4节段有限元模型,并在此基础上建立坚强固定(M1)、微动固定(M2)、混合固定(M3)3种内固定有限元模型,对有限元模型施加模拟生理载荷,计算内固定节段各项生物力学参数.仿真结果表明,微动椎弓根螺钉在屈伸方向增大了内固定节段的椎间活动度,其中前屈工况增大95%,后伸工况增大83%;改善了载荷在椎间的传递,增大终板正常生理性刺激应力4.25%~5.7%;降低了植入体上的应力集中效应,在前屈、后伸和侧弯工况下降低椎弓根螺钉应力9.2%~16.2%.     

胫骨近端联合截骨术内固定钢板系统的有限元仿真

基于胫骨近端联合截骨术（CPTO）治疗内翻型膝骨性关节炎的手术方案，采用有限元方法研究CPTO治疗中两种常用的内固定钢板系统对其生物力学特性的影响。建立胫骨近端联合截骨术植入Tomofix和Tomofix亚洲型内固定钢板系统的三维有限元模型，比较分析膝关节的刚度和楔形位移，以及植入器械的应力分布特征。研究结果表明，在CPTO手术中使用Tomofix亚洲型内固定系统相比使用Tomofix内固定系统的膝关节刚度增加了23.8%，平均楔形位移降低了85.5%，骨骼平均应力降低了36.5%，钢板和螺钉的最大应力分别增加了16.6%和4.6%。因此，在CPTO手术中使用Tomofix亚洲型内固定系统能较有效地提高膝关节结构的稳定性，减小楔形微动，为骨愈合提供强有力的支撑，但在内固定系统的高强度支撑下骨骼应力降低较明显，有引发应力遮挡效应进而导致骨质疏松的风险。     

增材制造医用多孔钛合金研究与应用现状

钛合金具有良好的力学性能和生物相容性,被认为是一种理想的植入体材料。但致密钛合金的弹性模量较高,在植入人体后与骨之间存在应力遮挡现象,易引发植入体松动。采用增材制造技术制备的多孔钛合金能够很好地解决这一问题。从多孔结构的设计方法与增材制造的原理入手,综述了增材制造多孔钛合金在力学性能方面的研究现状以及在生物医疗领域的研究与应用进展,并对其未来的发展趋势进行了展望,指出今后可在以下4方面对医用多孔钛合金展开深入研究：1）研发更先进的成型设备以提高多孔钛合金的成型质量与成型效率;2）对多孔结构进行仿生化设计,将高力学性能与高生物性能有机结合;3）通过对Gibson-Ashby模型进行修正,可获得更为准确的力学性能预测结果;4）开发新型钛合金材料以提高多孔钛合金的生物相容性。     

不同骨密度轨迹内固定系统对腰椎L4-L5节段的影响

为了评价改良皮质骨螺钉技术(modified cortical screw technique,MCBT)与其他传统内固定系统对腰椎骨质疏松湿标本L4-L5节段的生物力学影响.通过运用计算机体层摄影(computed tomography,CT)数据建立4种不同的有限元模型,比较三种置钉模型在相同生理负荷下的内固定系统应力的变化和腰椎L4-L5节段椎间活动度的变化.结果表明:改良模型组在前屈、后伸、侧弯、扭转工况下内固定系统的最大应力值明显大于传统椎弓根螺钉技术(traditional pedicle screw technique,TT)模型组和传统皮质骨螺钉技术(cortical bcrew technique,CBT).MCBT螺钉模型在前屈、后伸、扭转工况下的椎间活动度最小,侧弯工况下大于TT模型组和CBT模型组.可见与TT和CBT相比,MCBT的机械稳定性更好,且在临床应用方面具有一定价值.     

一体化小腿假肢对线角度优化设计

在一体化小腿假肢设计阶段,必须确定接受腔和腿管之间的正常对线角度。该文以矢状面和额状面2个对线角为设计变量,以异常对线下3个下肢生物力学特性参数与正常对线下相应取值偏差最小为优化目标,建立了优化计算模型。根据步态实验数据和小腿三维动力学模型,采用二次插值法,计算并获得了最优对线角。矢状面有0.32°屈膝角,额状面有2.85°内收角,与实验测量值基本一致。该算法可以用于一体化假肢的数字化设计和传统组件式假肢对线准则的制订。     

基于热力耦合分析的预应力切削残余应力研究

对预应力切削的已加工表面残余应力状态进行热力耦合分析,通过对机械应力和热应力在工件表面分布的叠加,发现加工表面存在3种不同的残余应力类型,文中定性讨论了其产生条件,并进一步分析了刀具切削刃钝圆和预应力对工件表面残余应力状态的影响.最后采用不同钝圆半径的刀具和预应力对表面淬火硬化的40Cr合金钢进行硬态切削实验,并将实验结果与理论分析结果进行了对比.结果表明:切削刃钝圆影响残余应力的大小和分布;钝圆半径越大,残余压应力越大,应力层也越厚;预应力可以有效提高加工表面的残余压应力,而对其分布基本没有影响;实验结果和理论分析相吻合,说明文中理论分析是正确的.     

人工种植牙的应力分析

阐述了用全息光弹性法对人工种植牙及牙槽骨的应力分析，给出了植体与牙槽骨之间的界面应力分布和应力集中的研究结果，为人工种植牙的选型提出了建议。     

正常咬合与错颌畸形磁性覆盖义齿种植体生物力学比较分析

对正常咬合和错颌畸形情况下下颌骨在种植体支持下的生物力学响应进行了对比研究。通过建立磁性附着体下颌覆盖义齿的三维有限元模型,分正常咬合和异常咬合两种情况在右第一磨牙上施加垂直向下的载荷,记录种植体周围骨及黏膜的生物力学性能。在错颌畸形的情况下,种植体周围骨的最大等效应变略大于正常咬合情况,但都在生理耐受阈值内。黏膜在圆顶型种植体作用下所受最大等效应力最小。齿隙较大的错颌畸形患者的应力/应变值略大于其他错颌畸形患者。分析结果表明,错颌畸形患者可以像常人一样植入种植体正常生活,圆顶型种植体可作为有效治疗选择。     

预应力时效性对磨削强化表面应力的影响

为了获得不同预应力卸载时间的磨削硬化层残余应力值及马氏体含量,进行了预应力淬硬磨削实验.对预应力磨削进行仿真,得到了工件表层的温度变化情况及预应力卸载时间对表面机械热应力的影响.结合实验数据和仿真模拟,讨论了预应力时效性对相变和相变应力的影响.结果表明:在7s内,预应力具有一定的时效性;随着卸载时间的增加,晶体内部晶界伸长,马氏体含量有所增加,加工表面残余压应力增加.     

预应力硬态切削加工中残余应力的数值模拟

航空轴承外圈的疲劳裂纹分析表明,套圈表面的残余压应力分布致使轴承表面接触疲劳寿命降低。预应力切削是一种能主动控制加工表面的残余应力状态的方法,它是通过预先给工件施加一个弹性范围内的张应力后再进行切削加工。针对预应力硬态切削的特点,建立了切削模拟的三维热力耦合模型;分析研究了材料本构方程、任意拉格朗日-欧拉方法以及刀屑接触面的摩擦模型等切削模拟中的关键技术。最后,通过切削实验和有限元模拟,比较和分析了预应力硬态切削对加工表面应力状态的影响,证明了预应力切削方法能在加工表面产生残余压应力,从而提高加工表面的接触疲劳寿命。     

基于等效热-力载荷的20Cr2Ni4预应力车削残余应力模拟及实验

为快速准确预测20Cr₂Ni₄合金钢预应力车削表面残余应力的分布,基于等效热-力载荷建立三维有限元仿真模型,通过切削热-力模型确定等效热-力载荷的分布形状和强度,将切削过程等效为接触正应力、接触剪应力和热流通量在已加工表面的循环作用.模拟的残余应力分布趋势与测量结果基本吻合.基于上述模型研究了切削速度、进给量和预应力大小对残余应力分布的影响.结果表明,切削速度对残余应力分布影响不明显,减小进给量能使表面残余拉应力和最大残余压应力减弱,增加预应力能够有效地减小表面残余拉应力和增大最大残余压应力.      

一种高效微机控制镗铣刀架

设计了一种用于普通镗床、铣床上的刀架，可以对阶梯内孔、锥孔及其复合回转面、内外螺纹（包括锥螺纹）、端面以单片机为核心进行自动加工。该刀架能够进行实时控制、数字显示，是一种操作方便的自动化刀具。     

预应力淬硬磨削下强化层金相组织的转变机理

为了研究预应力淬硬磨削条件下工件表面强化层特征及金相组织形成变化机理,以45#钢为对象,进行了预应力淬硬磨削实验.获得了残余应力较小的表面强化层,测量得到了其表面硬度.通过观察表面强化层的金相组织特征,结合磨削温度场仿真,研究了磨削强化条件下预应力对马氏体等金相组织的影响机理.研究表明,磨削淬硬过程中产生的高温使45#钢的屈服强度大大降低,施加较小预应力会使材料发生塑性变形,由于塑性应变导致的母相强化和应变诱导相变两者的综合作用,该状态下预应力对马氏体相变的影响是先抑制再促进.