镁合金空心螺钉内固定治疗股骨颈骨折的有限元分析研究

利用有限元分析方法探究镁合金空心螺钉内固定治疗股骨颈骨折的生物力学特性, 旨在为临床治疗股骨颈骨折提供一种新的思路. 选取一例青年健康志愿者的下肢CT数据建立股骨三维模型, 在Mimics插件3-matic中建立股骨网格并赋予网格材料属性, 利用Solidworks 17.0软件建立空心螺钉模型, 将上述2个三维模型导入Workbench 2020软件中, 分别赋予空心螺钉镁合金、钛合金材料属性, 进行对比分析, 记录股骨及空心螺钉的峰值、应力分布值和股骨位移. 结果表明, 钛合金螺钉内固定模型最大应力为357.27MPa, 最大位移为0.034mm; 镁合金螺钉内固定模型最大应力为311.27MPa, 最大位移为0.034mm; 2组不同材料的空心钉结果数值差异不大. 研究表明镁合金空心螺钉和传统钛合金空心螺钉力学性能相似, 且镁合金更加亲和人体, 在临床方面可以镁合金空心螺钉代替钛合金空心螺钉治疗股骨颈骨折.     

3D打印结合内固定模型库辅助复杂胫骨平台骨折精确化内固定手术

本研究旨在通过应用3D打印导航模板辅助复杂胫骨平台骨折内固定植入手术, 提高内固定手术的精确性. 采用5例正常膝关节尸体标本进行Schatzker V型骨折造模, 骨折模型进行CT扫描三维重建, 结合钢板模型库进行虚拟个性化内固定手术. 根据虚拟的优化内固定手术方案设计并3D打印个性化导航模板, 引导现实的骨折标本内固定手术. 通过虚拟术前规划(术前)和标本实验(术后)的螺钉长度、进钉点位置以及方向的对比分析来评估内固定效果, 结果提示本实验获得了优化、精确的内固定效果. 螺钉长度差异为(0.89±2.94)mm, p>0.05; x, y和z轴进钉点差异分别为(1.19±1.31), (1.73±1.31)和(1.22±0.88)mm, p>0.05; 冠状面(x-y)和横断面(x-z)的投影角差异分别为(2.99±2.98)°和(1.57±5.13)°, p>0.05. 以螺钉长度、进钉点位置和钉道投影角进行评估术前和术后的钉道差异, 结果提示二者无明显差异. 在钢板模型库和个性化导航模板的辅助下可以获得理想和精确的内固定植入方案, 提高个性化内固定手术的精确性和有效性     

FeCuNbSiB非晶粉体/IIR复合薄膜的拉伸及压缩应力阻抗效应

以FeCuNbSiB非晶粉体/IIR复合薄膜材料为研究对象,分别研究了该材料在固定测试频率为1KHz下的拉伸和压缩应力阻抗效应。其中压缩速度为0.01mm/s,压缩最大应力为1MPa;拉伸速度为0.05mm/s,拉伸最大应力为2.4MPa。同时,将2种测试过程在每隔50s时间,计算一个等效的拟合点,并将这些等效拟合点进行曲线拟合,获得相应的拟合曲线。接着我们又对拉伸应力阻抗及压缩应力阻抗等效拟合曲线经行求导处理,得出相应的能够表征应力阻抗的敏感性的函数Z’(σ)。试验结果表明:拉伸过程阻抗随着应力增大而降低,压缩过程阻抗随着应力增大而增大。由于该复合薄膜的基体是丁基橡胶,适合于微小应力敏感的测试。而压缩应力阻抗方面,其耐压强度相对耐拉强度大很多,论文中只讨论了压应力范围为0~1MPa的压应力阻抗效应。在微应力条件下,压应力阻抗敏感性能不及拉伸应力阻抗。而在大应力下其应力敏感特性较好。     

光照强度对缢蛏稚贝生长的影响

为考察缢蛏育苗过程中光强的控制幅度, 研究了不同光照强度对缢蛏稚贝生长的影响. 试验分别选择1mm和5mm不同附着基厚度和4组不同光照强度试验, 时间为10d, 平均光强分别为A: (12244±5290)lx、B: (3792±2105)lx、C: (380±145)lx、D: (14±11)lx(光暗比12h:12h). 当附着基厚度为1mm时, 初始大小(0.26±0.02)mm缢蛏稚贝在A、B、C、D组的生长大小和成活率分别为(1.17±0.11)mm和(72.2±3.9)%、(1.25±0.12)mm和(84.6±4.1)%、(1.55±0.13)mm和(89.7± 4.5)%, (1.32±0.11)mm和(82.1±3.6)%. C组缢蛏稚贝生长大小和成活率都最大, 各组差异显著. 当附着基厚度为5mm时, 缢蛏稚贝在A、B、C、D组的生长大小和成活率分别为(1.48±0.12)mm和(86.3±3.7)%、(1.52±0.13)mm和(89.6±3.9)%、(1.62±0.14)mm和(88.4±4.0)%, (1.41±0.11)mm和(84.3±3.9)%. C组缢蛏稚贝生长大小和成活率都最大, 但是各组没有显著差异. 当实验对象换成较大(1.45±0.16)mm缢蛏稚贝, 光照强度对于薄附着基内稚贝的生长的影响更为明显. 结果表明: 光照强度对缢蛏稚贝生长有明显影响, 稚贝生长过程中最适的光照强度为(380±145)lx, 高于或低于此光照范围, 稚贝的生长率都会受到不同程度的抑制; 适当增加附着基厚度有利于高光强下大规格稚贝的发育生长.     

基于ANSYS-Workbench的U型挂环静动态特性分析

为解决特高压输电线电力金具U型挂环易破坏的问题.利用有限元软件,根据实际线路设计参数,建立U型环的有限元模型,对结构进行静动态分析.计算结果表明:在静态分析中,U型挂环的最大应力位置为中心接触部位,其最大等效应力为1 482 MPa,上下U型挂环之间出现滑移,滑移距离为0.8 um;动态分析中,U型挂环在第六阶变形最为严重,并且在水平载荷和垂直载荷的共同作用下,位移振幅最大处的频率为2 700 Hz,振幅值为1.304 6×10~(-4) mm,应力值为33.481 MPa,此时频率接近于结构固有频率,结构易发生共振现象.研究结果为进一步研究输电线路电力金具的动力学分析提供理论参考.     

薄壁圆管轴向冲击下的动态特性研究

采用落锤冲击实验机和材料实验机(MTS)研究薄壁圆管轴向载荷下的动态力学特性,得到不同冲击速度下的轴向力-位移曲线.发现惯性对薄壁圆管轴向压缩的动态吸能特性影响不大,而落锤不同冲击加载速度即代表应变率的变化引起的薄壁圆管材料屈服应力的提高,使得薄壁圆管比吸能SEA(单位质量结构所吸收的能量)和平均轴向压缩力Pm随着应变率的增加而呈上升趋势.对不同应变率下的Pm进行无量纲化处理,发现实验结果与前人推导的理论结果趋势一致.对比动态和准静态实验结果,发现圆管的动态变形模态相比准静态结果发生了改变,更高速度冲击下薄壁圆管的动态特性有待进一步研究.     

蜂窝材料在面内压缩下的动力坍塌(英文)

基于我们近年来的实验研究和数值模拟,主要概述了蜂窝材料受面内压缩时的准静态和动态坍塌行为.在准静态加载条件下,对圆胞蜂窝材料的方形试件施行了面内的双向等量压缩实验,观察到非均匀变形模式的发生和演化.为了研究加载速率的影响,对此过程也进行了有限元模拟,揭示了当加载速度增加到某一临界速度时,试件的变形由总体坍塌模式向渐进坍塌模式(即冲击波模式)转化.最后,将根据几种模型所作数值模拟得到的临界冲击速度同波的陷阱理论作了比较.     

生物可降解镁合金骨科植入材料的临床应用及其有限元分析

在骨-器械界面建立和维持成熟骨是骨科植入材料长期成功的关键. 镁合金由于其生物可降解性、天然骨组织的力学相似性以及成骨潜力, 并且在体内不抑制间充质干细胞(hBMSCs)的成骨特性, 成为有前途的承重骨科植入物的候选材料. 但其高降解率和植入物相关感染的风险以及不佳的力学性能, 对其临床应用提出了巨大的挑战. 有限元分析方法能对复杂结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析, 可有效地帮助临床医生了解镁合金植入器械的应力及生物力学性能.     

低盐度条件下生物絮团的营养组分及凡纳滨对虾和银鲫 对其摄食效率的研究

通过用稳定同位素15N标记生物絮团菌体蛋白, 研究了低盐度1.08±0.07)‰海水混养模式下生物絮团的营养成分对虾、鲫对生物絮团的摄食. 结果表明: 生物絮团能够将水体氨氮和亚硝氮固定为自身的有机氮; 生物絮团含有养殖生物生长所需要的基本营养物质 而鲫和对虾可以固定生物絮团中的有机氮为自身蛋白, 即单位体重银鲫和凡纳滨对虾固定氮量分别为104.92±30.91)mg·kg-1和135.6±24.17)mg·kg-1, 相当于单位体重银鲫和凡纳滨对虾每天摄食的生物絮团为1907.36mg·kg-1和2465.1mg·kg-1, 且鱼虾混养能够促进对虾对生物絮团的摄食; 同时鲫对虾的生物排氮作用和生物絮团的固氮作用能够促进养殖池塘的氮循环; 实验组含量显著降低保持在0.03± 0.01)mg·L-1和0.325±0.035) mg·L-1.     

髋臼四方区解剖型自锁定钢板的数字技术设计

为探讨使用数字技术设计新型髋臼四方区自锁定解剖型钢板, 采集宁波市第六医院影像科2020年1月至2020年12月, 25~50岁正常男女骨盆CT数据, 选择中位数的骨盆CT作为模型. 将CT数据依次导入Mimics 21.0软件和Unigraphics NX软件, 生成三维骨盆模型. 用CAD软件画出钢板螺钉dwg格式二维图像后导入Unigraphics NX软件, 建立stl格式钢板螺钉三维模型, 设计钢板厚2.0~3.0mm, 实心皮质骨螺钉Ф3.5/5.5mm. 在三维空间视图中, 将钢板螺钉装配到骨盆模型, 重点观察三维透视图、钉道纵轴切面图、螺钉与钢板的锁定角度, 校对功能固定区、定位孔、阻挡孔、固定孔、应力桥、滑动槽等指标, 优化钢板形态和螺钉钉道, 一块钢板同时固定髋臼四方区、臼顶负重区、前后柱、前后壁. stl格式数据输出至打印机, 3D打印钢板, 装配到骨盆模型, 校对钢板与骨盆的匹配度, 确定最优化的图像数据. 根据患者骨盆CT导出的数据, 用Unigraphics NX软件建立三维骨盆模型, 可灵活设计钢板螺钉, 精度达到0.2mm, 即刻修改钢板螺钉形态数据, 虚拟内固定. 数字技术设计不再需要手工标本测量和CT图像测量, 可提高新型内固定装置的设计效率, 为个性化骨科内植物设计、精准固定手术提供了新路径.     

冲击载荷下剪切断裂研究

利用Hopkinson压杆技术对单边平行双裂纹试样倒向加载，在较大的加载率范围，对Ti6Al4V钛合金和40CrNiMoA两种材料的动态剪切断裂行为进行了研究．实验结果表明：存在两类韧性剪切断裂模式，即常规的韧性剪切型断裂和绝热剪切断裂．常规剪切型断裂模式的断裂韧性KⅡd随加载率的提高而增大，而绝热剪切型的断裂韧性KⅡd则随加载率的提高而减小，并且，当加载率增大至某一临界值时，常规的韧性剪切断裂模式将转变为绝热剪切断裂破坏模式．     

薄钢片动态撕裂中断裂韧性的评定

提出了一个关于薄钢片动态撕裂试验能量分析法．在摆锤冲击试验机上按原始的实验方法获得了起始动态断裂韧性R0,dyn,和动态撕裂模量Tdym，为了比较对同样材料进行了静态撕裂试验，以研究加载率V对断裂基本功ГC的影响．结果表明，在加载率1mm／min到300mm／min的变化范围内，断裂基本功Гc随加载率的对数略有下降．由于屈服应力随加载率而增加，作R0,dyn和Tdyn的比较时，观察到动态断裂韧性较之静态结果有一个明显的下降．     

钨合金和钛合金绝热剪切破坏研究

介绍了中国科学技术大学在钨合金和钛合金的绝热剪切变形和破坏研究方面的工作．对截头圆锥形和预扭斜切圆柱形钨合金试件进行了分离式Hopkinson压杆试验，通过微观观察和数值模拟分析了试件中剪切失稳和绝热剪切带形成的机理，发现钨合金的细观结构和试件的应力状态对绝热剪切带形成的敏感性和位置有重要影响．通过钛合金板的冲塞实验研究了绝热剪切和动态破坏的联系，发现由于沿剪切带的孔洞形核和合并过程而出现断裂，最后导致冲塞，所有这些情况下，绝热剪切带在裂纹形成和扩展中起支配作用，正是绝热剪切带造成了试件的动态断裂．     

热挤压铸造新型镁合金微观组织及细胞生物活性分析

采用热挤压铸造工艺制造新型镁合金, Mg-Nd-Zn-Zr-Mn (平衡-3-0.2-0.4-0.2%)基, 研究了新型镁合金表面特征、力学性能及细胞生物活性. 选择NZ30K添加Mn元素制成新镁合金, 挤压前通过均匀化热处理, 减少挤压过程中铸态合金中的粗大析出相以及树枝晶形成的带状组织. 光谱测试分析合金成分; 显微观察合金铸态、横纵截面; 扫描电镜扫描; X射线衍射分析. 将合金制成金属棒、螺钉、接骨板等形状, 测试力学性能. 进行体外细胞培养, 利用DMEM完全培养基制作镁合金浸提液, 滤膜过滤后4℃保存; 大鼠骨髓间充质干细胞提取培养, 待细胞生长至70%~80%传代于24孔板种板, 添加浸提液培养12、24、36h, 利用线粒体膜电位检测试剂盒检测细胞凋亡活性. 以纯镁作为对照组, 进行力学性能测试及细胞活性凋亡测试. 热挤压后合金的组织由细小的再结晶晶粒与变形晶粒组成, 与铸态合金相比, 其组织明显细化. 经挤压加工后, Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr-0.2Mn合金横截面为细小的等轴晶组织, 组织均匀性好; 纵截面出现了晶粒尺寸相对较大的长条状组织, 组织均匀性稍差. 扫描电镜图显示Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr-0.2Mn合金中第二相颗粒沿挤压方向被碾碎成更细小的颗粒, 只有非常少量的弥散分布的颗粒状析出相, 而在该合金中有较多被碾碎的第二相, 发生了明显的动态再结晶, 挤压后获得的组织不均匀, 大晶粒被发生再结晶的小晶粒包围. 从X射线衍射图中可以看出该合金铸态组织主要由α-Mg、Mn、Mg12Nd和Y相等这几相组成. 力学性能测试表明, 新型镁合金综合力学性能明显优于纯镁金属. 短期细胞培养中, 新型镁合金无明显细胞毒性, 对细胞生长有积极促进作用. 新型镁合金热挤压后的横截面为细小等轴晶组织, 组织明显细化且均匀性好, 力学性能有极大提升; 在短期细胞培养过程中新型镁合金与纯镁都表现出无细胞毒性, 新型镁合金对细胞活性的提升优于纯镁组.     

新型稀土镁合金螺钉体内促骨修复及体外生物相容性研究

为测试新型稀土镁合金的生物相容性及降解产物致敏性; 评价新型稀土镁合金螺钉对骨伤模型的治疗效果, 基于NZ30K镁合金添加Mn元素制成新型稀土镁合金, 并通过后期加工制成不同规格的螺钉. 将稀土镁合金螺钉浸入磷酸盐缓冲液中制作浸提液, 于大鼠后肢背部皮下注射, 观察浸提液皮下致敏性. 将螺钉打磨制成圆片植入到大鼠皮下, 观察皮下降解产气情况, 以可吸收骨蜡作为对照同位置皮下植入. 建立兔骨损伤模型, 将稀土镁合金植入, 定期拍摄X光检查螺钉降解情况, 按照时间顺序分别于8周、12周、16周处死实验兔制作肝肾切片、骨切片, 评价肝肾毒性及体内降解情况; 同期以ZA75镁合金为基础添加0.3% Mn元素制成新镁合金, 作为对照组对比稀土镁合金对大鼠骨髓间充质干细胞成骨分化效果. 将浸提液过滤稀释后添加至细胞培养板中, 加入成骨诱导液培养, Westernblot蛋白电泳实验测定骨保护蛋白(OPG)表达情况. 新型稀土镁合金浸提液未表现出致敏性, 皮下降解结果显示植入初中期有气腔产生, 中后期气腔消失, 镁合金完全降解; 组织切片显示, 兔股骨螺钉植入在前中期有一定肝肾毒性, 植入中期促骨生长效果相较于前期更为明显, 植入后期未见明显肝肾毒性, 螺钉降解完全, 植入部位骨质增强; 兔股骨植入降解结果显示植入前期未观察到明显的促进骨生长效果, 螺钉与骨质嵌合紧密, 植入中期促骨生长修复效果呈现, 局部骨组织出现膨隆包裹住螺钉降解产物, 植入后期螺钉完全降解, 植入位置有一小孔未闭合, 股骨近端明显膨隆; 蛋白电泳实验显示, 新型稀土镁合金浸提液可增加OPG表达, 具有良好的生物相容性. 基于NZ30K开发的新型稀土镁合金在动物实验及细胞实验阶段表现出良好的生物相容性, 可为临床应用提供一定参考.     

新型镁合金螺钉体外腐蚀降解及细胞活性研究

研究了基于NZ30K合金开发的新型Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr-0.2Mn镁合金耐腐蚀性、体外降解行为特性及浸提液细胞生物毒性. 采用金相显微镜得到新型镁合金金相显微图, 采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope, SEM)获取SEM图; 采用武汉科思特电化学工作站进行电化学测试, 并绘制动电位极化曲线, 以磷酸盐缓冲液(Phosphate Buffer Solution, PBS)模拟体液环境, 记录氢气析出体积并计算腐蚀速率; 利用细胞完全培养基测定pH值、重量变化曲线; 获取大鼠骨髓间充质干细胞(Bone Mesenchymal Stem Cells, BMSCs), 并利用完全细胞培养基制作新型镁合金浸提液, 检测细胞生物活性, 以ZA75镁合金为基础添加0.3%Mn元素制成合金作为对照组, 比较腐蚀电位、体外降解情况以及细胞活性. 结果表明: 新型Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr-0.2Mn镁合金横截面等轴晶体组织细小均匀性较好, 纵截面呈长条状组织均匀性稍差; 自腐蚀电位较高, 为-1.3912V; 自腐蚀电流密度较低, 为7.37×10-7 A?cm-2; 体外析氢量低, 失重量、pH值变化幅度相对较小; 降解速率下降后呈现小范围上升后趋于平缓; 具有良好的细胞相容性, 可以促进BMSCs细胞增殖分化.     

往复加载下隔板贯通式箱型中柱-削弱型H型钢梁节点破坏机理研究

为研究箱型柱-H型钢梁节点在强震时的脆断机理和延性节点构造, 对4个隔板贯通式箱型中柱-H型钢梁节点试验(1个常规节点和3个对接焊缝扩大头及梁翼缘圆孔削弱型节点)进行了低周往复循环加载试验和基于结构钢椭球面断裂模型及偶联的椭球面屈服模型的断裂分析. 结果表明: 隔板贯通式箱型中柱-H型钢梁常规节点在应力高度集中的梁翼缘对接焊缝处脆断; 扩大头构造消除了对接焊缝沿梁翼缘宽度的几何突变, 降低了对接焊缝的应力集中程度和脆断风险; 梁翼缘上开设的圆孔构造促使塑性铰形成于远离节点区的梁削弱截面; 对接焊缝扩大头及梁翼缘圆孔削弱型节点的承载力较常规节点降低5.5%~9.4%.     

基于数字图像相关方法的不锈钢内部缺陷检测研究

不锈钢材料内部缺陷检测是无损检测领域的研究热点和难点之一,尤其对微小和闭合裂纹的检测.本文提出了一种基于数字图像相关方法的应变集中缺陷识别方法,即对试样表面采用曝光灯进行辐射加热,利用数字图像相关方法定量分析试样表面应变场,通过试样表面高应变区域的表征,实现对金属内部裂纹的检测.结果表明,该方法可以在试样加热过程中表征不锈钢内部裂纹,其有效检测深度可达3.71 mm.