基于超弹性模型的牙周膜生物力学响应

牙周膜应力-应变关系表现为指数形式,为了更准确地研究牙周膜的生物力学响应,提出采用指数形式的超弹性应变能函数进行研究.基于连续介质力学理论推导出超弹性模型本构关系,使用人体牙周膜单轴拉伸实验数据并利用最小二乘法对超弹性模型进行参数拟合,同时进行拟合误差分析.结果显示较少参数的Mooney-Rivlin指数模型能更好地拟合实验数据.利用ABAQUS材料子程序UHYPER编制模型的接口程序,通过对拉伸实验情况的模拟计算,验证了开发的模型子程序的有效性.最后,比较分析了正畸力下的超弹性与线弹性牙周膜的生物力学响应.结果表明:应力和应变主要集中在牙周膜牙颈和根尖处,且超弹性牙周膜中部存在局部应力集中;Mooney-Rivlin指数模型能提高牙周膜瞬时弹性响应的预测精度.     

基于次弹性模型的三维牙周膜建模仿真研究

建立和研究牙周膜的次黏弹性本构模型.对用次弹性模型描述牙周膜力学特性的合理性进行了分析,基于各向同性假设和小应变的条件进行推导,建立了基于单轴拉伸实验数据的牙周膜多轴次弹性模型;基于已有的试验数据,构建了牙周膜次黏弹性本构模型,并确定了粘性参数;在此基础上,建立了牙颌有限元模型,并使用次弹性模型对文献的实验进行了仿真.结果表明,有限元仿真结果与实验数据基本符合,该次弹性本构模型能够描述牙周膜的力学特性.     

基于超弹性模型的牙周膜力学行为数值模拟

为了准确预测牙周膜的力学行为,采用指数超弹性模型对牙周膜剪切实验及临床口腔正畸进行模拟分析,基于连续介质力学理论推导了模型的本构方程和弹性张量,开发了模型的ABAQUS UMAT子程序,并通过指数超弹性模型的本构方程与4组剪切实验数据的拟合获得模型参数.拟合结果表明,指数超弹性模型能够准确描述牙周膜的非线性力学行为.同时,通过有限元分析所获计算结果分别与4组牙周膜剪切实验结果的对比,验证了所开发的牙周膜指数超弹性模型UMAT子程序的正确性.经临床口腔正畸模拟结果显示,在正畸载荷作用下,牙周膜的应力主要集中在牙颈和根尖处.     

基于本构模型参数的肌肉主动力响应有限元分析

研究了肌肉主动力有限元模型的力学性能与稳定性,使其适用于头颈部动力学响应的仿真研究.运用准线性黏弹性被动单元与Hill主动单元相耦合的方法,建立了兔子胫前肌的有限元仿真模型.对比Myers实验数据验证了该模型在不同应变率下离心收缩的应力应变特性.同时研究了等长收缩与轴向压缩模式下的肌肉的力学特性.仿真结果表明,仿真模型与实验输出应力应变曲线具有较好的一致性,在相同应变情况下,最大应力误差仅为0.07MPa.该模型具有较好的计算稳定性与生物逼真度,能够满足人体颈部肌肉建模的需求.     

沥青混合料在重复荷载作用下的黏弹性变形

为了研究沥青混合料在不同温度、不同应力下黏弹性变形响应,提出了基于三轴重复荷载试验评价沥青混合料抗车辙能力的方法,并对沥青路面车辙发展规律进行了分析。采用半正弦波荷载来模拟路面实际车辆荷载,基于黏弹性五单元八参数模型,推导了能够适用于三轴重复荷载试验的力学模型。结合三轴重复荷载试验的试验结果,利用Origin 8.5软件,对三轴重复荷载试验数据进行拟合,得到了相应的黏弹性参数。对比计算流动数和实测流动数,分析沥青混合料黏弹性变形特性。研究结果表明,温度越高、应力越大,混合料黏弹性变形越大,流变性越小;重复荷载作用下沥青混合料永久变形黏弹性力学模型参数拟合相关系数达到95%以上,表明该模型可以有效地反映沥青混合料黏弹性变形特性。     

猪眼外直肌生物力学性能的实验研究

用Instron5544万能材料试验机对猪眼外肌样本进行单轴拉伸实验,获得相应的应力-应变关系曲线,然后用Mooney-Rivilin和Ogden超弹性模型对实验数据进行非线性拟合。利用得到的Mooney-Rivilin和Ogden模型的材料特性参数,在ABAQUS软件中建立有限元模型对眼外肌进行模拟,以验证Mooney-Rivilin和Ogden模型的材料特性参数用于数值建模的合理性。将模拟结果与实验结果进行比较,发现Mooney-Rivilin本构模型比Ogden本构模型更适合于描述眼外肌的小变形行为。     

黏弹性结构精细化频域动力分析方法

为了解决具有强频率依赖性的黏弹性结构频域响应计算的精确性和效率较难协调的问题,提出一种改进计算方法。首先引入广义麦克斯韦模型表征黏弹性结构的频率依赖性,建立动力学方程;然后,基于实模态叠加法,并采用分步迭代法求解黏弹性结构的特征方程,获得各阶模态频率与模态损耗因子,采用多项式拟合表征各阶模态参数的频率依赖性函数;最后,将多自由度黏弹性结构频域响应的求解简化为多个进行频率依赖性函数修正的单自由度黏弹性结构频域响应的叠加。研究结果表明:本文方法计算效率较高,与传统基于应变能法相比,对强频率依赖性的黏弹性结构具有更高的精确度,与传统迭代法相比,其在非共振区间也具有较高的精确性。     

基于微结构模型的开孔泡沫橡胶力学性能分析

利用开孔Gibson-Ashby力学模型和不可压橡胶类材料应变能函数,分别研究了开孔泡沫橡胶泡孔结构和基体材料对其力学行为的影响。通过对两种影响因子的叠加分析,推导出了开孔泡沫橡胶的超弹性本构关系。基于开孔泡沫橡胶材料的单轴压缩实验结果,拟合确定了本构关系的参数,模型预测结果与实验结果吻合较好。     

基于ANSYS的真实软组织物理建模与穿刺仿真

为了提高虚拟手术中手术针穿刺过程的精确性,以真实软组织穿刺实验数据及结果为基础,研究采用基于ANSYS完成典型软组织——肝脏的穿刺有限元仿真.由于人体组织的多样性,软组织生物力学特征的复杂性、不均匀性、各向异性、不可压缩性、非线性-塑性-黏弹性,将肝脏软组织抽象为Mooney-Rivlin材料.结合针受力使软组织变形机理,完成了基于MATLAB对实验和仿真的应力应变曲线的拟合,通过拟合曲线的对照可以得出,ANSYS仿真结果和真实数据应力应变曲线趋势基本一致,验证了肝脏穿刺有限元仿真方法的有效性和可行性.     

沥青路面裂缝密封胶的低温应力松弛评价指标

选择四种加热型密封胶和两种有机硅密封胶,参照交通行业标准进行低温拉伸试验,达到50%应变量后进行应力松弛试验,采用三参数固体模型拟合应力松弛试验数据.结果表明,三参数固体模型可以理想地拟合密封胶的黏弹性力学行为,模型的两个黏弹性特征参数——最大松弛比例和松弛时间,可以评价不同密封胶的应力松弛能力,但拟合过程较为复杂。定义了松弛指数,该指标与采用黏弹性特征参数的评价结果一致,可作为密封胶行业标准低温性能评价的一个补充指标.     

静态载荷下下前牙双端固定桥基牙牙周膜应力的三维有限元法分析

目的:用三维有限元法分析静态载荷下,下颌前牙固定桥基牙牙周膜的应力和应变分布规律,为固定桥的设计和制作提供理论依据。方法:建立下颌前牙双端固定桥及其支持组织的三维有限元模型并进行静态条件下的垂直及斜向加载,计算基牙牙周膜的应力和应变值,绘出牙周膜的应力分布图。结果:固定桥修复前,垂直载荷下,基牙牙周膜的应力以压应力为主,应力集中在根尖;斜向载荷下,基牙牙周膜的应力主要是拉应力和压应力,应力集中在唇、舌颈缘;固定桥修复后,基牙牙周膜的应力和应变分布规律与修复前相似,但最大应力、应变值都明显增大;牙周膜内表面的应力大于牙周膜外表面;垂直载荷时,牙周膜内、外表面的应力差异更为显著。结论:固定桥的修复基本没有改变基牙牙周膜的应力和应变分布规律,但使上述值明显增大。牙周膜具有明显的应力缓冲作用,垂直载荷作用下的应力缓冲作用比斜向载荷作用下明显。     

下颌前牙固定桥基牙及其支持组织的三维有限元模型的建立

目的：建立下颌前牙双端固定桥的三维有限元模型,为分析下颌前牙固定桥的生物力学特征提供数字模型。方法：采用正常人的下颌骨标本,进行CT断层扫描得到包含下颌前牙的35幅图像,通过计算机图形转换软件和3D建模软件获取图像的边界信息,应用ANSYS有限元建模模块处理。建立了包括牙齿、牙周膜和牙槽骨固定桥修复前及修复后的几何模型和三维有限元模型。结果：固定桥修复后。有限元模型包括牙体、牙槽骨、牙周膜在内共41648个节点,27269个单元。结论：CT辅助有限元建模技术能精确建立下颌前牙及其支持组织的三维有限元模型。     

Application of Induced Pluripotent Stem Cells Derived from Human Periodontal Ligament Cells in Bone Regeneration

The purpose of this study was to primarily culture human periodontal ligament cells(hPDLCs) and to reprogram hPDLCs with exogenous genes via a lentivirus-mediated transfection system. Then induced pluripotent stem cells derived from h PDLCs(hPDLC-iPSCs) were identified. Alizarin red staining was used to observe the formation of mineralized nodules and real-time Polymerase Chain Reaction(PCR) was used to detect the expression of osteogenic genes. For the in vivo experiment, nude mouse skull defect models were established and cell sheets were made to repair the bone defect. The reprogrammed cells were positive for alkaline phosphatase(ALP) staining and embryonic stem cells(ESCs)-specific proteins, and could form teratomas. After osteogenic induction, alizarin red staining showed that the number of mineralized nodules in the h PDLC-i PSCs group was more and the osteogenic related factors ALP, osteocalcin(OCN), Col-I and Runx2 were also expressed higher in hPDLC-iPSCs. The hPDLC-iPSC cell sheets were all successfully made. Histological analysis showed that the h PDLC-i PSC cell sheet got new bone formation. These results demonstrated that hPDLC-iPSCs were successfully generated from human periodontal ligament fibroblasts and hPDLC-iPSC cell sheets provided new options for bone tissue engineering.     

下颌后牙单端桥及其支持组织修复前后有限元模型建立

目的:建立下颌后牙单端固定桥及其支持组织修复前后的三维有限元模型.方法:以人类正常牙列完整的下颌骨标本为建模基础,采用CT扫描技术,利用AutoCAD与ANSYS软件建立左侧下颌后牙单端固定桥及其支持组织修复前后的几何模型和三维有限元模型.结果:构建的下颌后牙单端固定桥修复前后的几何模型接近中国人牙齿的实际尺寸.修复前、后牙体、牙周膜及牙槽骨的三维有限元模型分别划分为142 640个节点、101 938个单元和168 756个节点、119499个单元.结论:采用CT扫描技术,结合AutoCAD与ANSYS软件所建模型结构层次清晰、单元划分精细,具有良好的形态相似性和还原性,能够满足模拟加载的需要.     

基于Neo-Hookean本构模型的人体膝关节韧带力学性能测试分析

测试和分析研究国人膝关节的前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带以及髌腱,基于超弹性本构模型(Neo-Hookean模型)的力学性能参数,为膝关节相关生物力学研究提供数据参考.通过对4具国人膝关节标本进行解剖,获得人体膝关节主要的韧带组织样本,对所获得的韧带样本进行超弹性材料的单轴拉伸测试,并运用超弹性材料的应变能密度函数本构模型中的NeoHookean模型对测试数据进行数据处理,得到人体膝关节韧带基于超弹本构模型的力学性能参数.解析求得了国人膝关节的韧带组织基于超弹性本构模型的力学性能参数,可用于膝关节的生物力学特性的研究,并且为国人膝关节韧带性能数据库提供数据参考.     

纳米羟基磷灰石对人牙周膜细胞增殖活性的影响

采用溶胶凝胶法合成纳米羟基磷灰石,透射电镜分析表明其为纳米尺度的材料.应用MTT法对纳米羟基磷灰石和致密羟基磷灰石对体外培养的牙周膜细胞生长进行了分析.结果表明,应用第2,3,4天纳米羟基磷灰石对牙周膜细胞增殖活性有明显促进作用,而致密羟基磷灰石与空白对照组无显著性差异,这说明纳米羟基磷灰石在促进牙周组织再生中有一定的意义.     

聚氨酯/环氧树脂互穿网络硬泡循环压缩

制备了聚氨酯(PU)/环氧树脂(ER)互穿聚合物网络硬泡,研究了互穿聚合物网络(IPN)硬泡的化学结构及微观结构形态.傅里叶红外光谱(FTIR)分析表明,IPN硬泡的网络间存在接枝反应.扫描电子显微镜(SEM)分析发现,IPN硬泡泡孔结构形状都比较均一.循环压缩实验研究表明：随循环次数增加,应力下降,单次循环的能量损耗下降;随ER含量增加,IPN硬泡的压缩模量和强度提高,相同应变下应力增加,每次循环耗能增加;循环压缩的加卸载应力 应变曲线可用改进的Ogden模型表示;累积能量损耗可用Weibull方程表示.     

介电弹性体复合材料的热力学和热机电稳定性

本文研究了硅橡胶介电弹性体复合材料的热力学和热机电稳定性.考虑温度、掺杂和电致伸缩变形的耦合影响,建立介电弹性体复合材料的介电常数模型,从而构建系统的电场能,基于此耦合发展的Ogden模型研究复合材料的热力学性能和热机电稳定性性能.结果表明,当电致伸缩系数减小,或材料常数比减小,或温度增加,或唯象学参数增加,或电致伸缩系数比增加时,介电弹性体临界名义电场增加,从而热力学系统的稳定性增强.这些结论对于硅橡胶纳米复合材料的设计和制备及其应用器件研究有巨大帮助.