骨头类生物材料动态断裂行为测试研究

Traffic accidents, sport accident and military explosion events involving impacting loads caused great hazards to human bones, and even endangered the life. In order to better treat bone fracture in clinical under impacting loads, such as bone reconstruction, bone fixation, and also to design for human body protection system to resist impacting load, the dynamic fracture behaviors of human bone tissue must be tested and its failure model must be constructed. Therefore, this proposal aims to develop a set of four-point bending loading split Hopkinson pressure bar (SHPB) experimental techniques to test dynamic fracture resistance curve (R-curve) of cortical bone which represents anisotropic brittle biomaterial tissues. Tests are conducted for the R-curve of dry and wet bone machining from the hind legs of pig cortical bone under different strain rate loading along the bone fiber direction and vertical the direction respectively. The dependency R-curve of brittle bone tissue on strain rate, fiber directions, states of dry and wet are studied. The crack propagation mechanisms under dynamic loading of cortical bone tissues which represent anisotropic brittle are discussed. Eventually, a mathematical model describing the dynamic fracture failure of bone tissue is established. The research results of this proposal will provid important significances for simulation evaluation and clinical of anisotropic brittle bone under impacting loading events.

交通事故、体育事故、军事爆炸等涉及冲击载荷的事件对人体骨头组织造成极大危害，甚至危及生命。为了临床上更好治疗冲击载荷下的骨折，如骨的重建、骨的固定等，同时为了设计用于抵御冲击载荷的人体防护系统，必须对人体骨头组织的动态断裂行为进行测试并确定其失效模型。因此，本项目拟发展一套能够测定皮质骨各向异性脆性组织生物材料动态断裂阻力曲线的四点弯曲加载分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术，测定猪后腿皮质干骨和湿骨在不同应变率下沿骨纤维方向和垂直骨纤维方向的裂纹扩展阻力曲线，研究皮质骨脆性组织材料阻力曲线对应变率、纤维方向、干湿状态的依赖性，探讨皮质骨各向异性脆性组织生物材料动态断裂的裂纹扩展机理，最终建立可用于描述骨组织动态断裂失效的数学模型。本项目的研究成果将对骨头类各向异性脆性组织生物材料在冲击载荷作用下的模拟评估及临床上骨折的治疗有重要意义。

交通事故、体育事故、军事爆炸等涉及冲击载荷的事件对人体骨头组织造成极大危害，甚至危及生命。断裂韧性是指某种材料阻止裂纹扩展的能力，用以描述材料抵抗脆性破坏的能力。当骨因受到某种损伤或内在的缺陷而存在小的裂纹时，必须考虑裂纹对骨材料的影响以及骨材料所具有的抗裂能力。由于骨内分布的非均匀性以及骨内存在着孔洞，缺陷和裂纹等，使得对骨断裂韧性的研究变的更加困难和复杂，以上因素大大降低了骨的断裂韧性。研究骨头的断裂机制，增加对骨头断裂力学行为的理解，在仿生设计和预防骨头断裂方面有着重要意义。利用改进霍普金森杆压杆，设计三点弯试样和夹具，研究不同的加载速度下的牛骨头的强度，并计算牛骨头的断裂韧性，比较径向试样和轴向试样的强度，根据骨头的微观结构，分析出这种差别的原因所在。为了临床上更好治疗冲击载荷下的骨折，如骨的重建、骨的固定等，同时为了设计用于抵御冲击载荷的人体防护系统，必须对人体骨头组织的动态断裂行为进行测试并确定其失效模型。因此，本项目发展了一套能够测定皮质骨各向异性脆性组织生物材料动态断裂阻力曲线的加载分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术，测定了皮质干骨和湿骨在不同应变率下沿骨纤维方向和垂直骨纤维方向的裂纹扩展阻力曲线，研究了皮质骨脆性组织材料阻力曲线对应变率、纤维方向、干湿状态的依赖性，探讨了皮质骨各向异性脆性组织生物材料动态断裂的裂纹扩展机理，最终建立了可用于描述骨组织动态断裂失效的数学模型。本项目的研究成果将对骨头类各向异性脆性组织生物材料在冲击载荷作用下的模拟评估及临床上骨折的治疗有重要意义。