附骨边壁约束条件下氯化钠晶粒射流切削生物骨材料微观去除机理研究

批准号:
51905499
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
26.0 万元
负责人:
赵韡
依托单位:
学科分类:
E0509.加工制造
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
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中文摘要
水射流切削技术是一种高能量密度的“冷”加工手段,近年来在特种制造领域有较快的发展,同时在生命科学及生物制造领域也显现出独有的特色。为更好地适应宿主生理环境,生物骨切削所需的磨粒必须具有良好的生物相容性,且不在骨组织间隙残留,氯化钠晶粒射流安全可靠、便于获得,成为首选。氯化钠晶粒射流既能够实现骨材料快速去除,又可以有效防止骨细胞热坏死,避免产生骨组织微裂纹,该技术虽尚未实现临床应用,但已成为医学界所关注的热点技术之一。氯化钠晶粒射流切削生物骨材料的特殊性在于,射流束中离散相磨粒粒径约在 100μm 以下,小于骨单元尺度(100-500μm),材料的去除是由磨粒对骨单元的次级结构直接切削破坏而实现的。研究离散相晶粒在附骨边壁约束流场中的动力学行为规律及其高速切削骨组织的作用机理,是实现生物骨安全高效切削的关键。本项目针对氯化钠晶粒射流与生物骨组织亚层级结构的相互作用关系展开研究,通过理论分析计算和可视化实验研究明晰切削加工域内射流束及离散相晶粒的运动状态,获得氯化钠晶粒射流在附骨边壁约束条件下的流动特征及结构演变规律,阐明离散相氯化钠晶粒在湍动流场激励下的行为规律并构建其动力学模型;基于生物骨层级结构理论建立胶原蛋白纤维束构成的骨组织亚层级结构模型,探明韧性纤维束在氯化钠晶粒作用下的切削断裂机制,进而揭示氯化钠晶粒切削生物骨材料的微观去除机理;分析骨组织切削表面微观形貌特征,揭示生物骨材料加工表面微观成形机制。本项目研究成果可丰富液固两相射流切削的理论体系,为水射流技术在骨切削领域的应用提供理论依据和技术基础,进而促进水射流技术在生物医学领域的应用发展,发挥其在骨切削方面的独特优势。
英文摘要
Water jet machining technology is a kind of cold processing method with high energy density. In recent years, it has a rapid development in the field of non-traditional manufacturing and shows its unique characteristics in the field of life sciences and biomanufacturing. In order to better adapt to the host physiological environment, the abrasive particles needed for bio-bone machining must have good biocompatibility and do not have residue in bone tissues. Sodium chloride abrasive grain is safe, reliable and easy to obtain, so it becomes the first choice. Thermal necrosis of bone cells and microcracks in bone tissue can be avoided by using the sodium chloride abrasive water jet (NaCl-AWJ) in natural bone machining. This technology has become one of hotspots in the medical field, although it has not been applied clinically. It is the key to realize safe and efficient machining of bone that studying the dynamic behavior of discrete phase sodium chloride grains in the confined flow field and the mechanism of high-speed cutting of bone tissue by NaCl-AWJ. Focusing on the interaction between NaCl-AWJ and sub-hierarchical structure of biological bone tissue at micro-scale, this scientific research will be carried out by combining theoretical analysis, numerical simulation and experimentation. (1) Achieve the flow characteristics and the variation of the NaCl-AWJ by throughly investigating the state motion of the jet within the cutting domain flow field. (2) Clarify the motion behavior of dispersed-phase particles under turbulent flow field excitation and construct its dynamics model. (3) Establish the sub-hierarchical structure model of the bone tissue based on the theory of hierarchical bone micro-structure and mechanical properties of fiber composites. (4) Explore the fracture mechanism of the collagen fiber bundles under the micro-cutting of sodium chloride grains. (5) Analyze the micro-morphological characteristics and micro-morphology distribution regularity of bone surface machined by NaCl-AWJ. Finaly, reveal the micro-removal mechanism of NaCl-AWJ machining natural bone and formation mechanism of surface micro structure. The research results will enrich the theory system of liquid-solid two-phase jet machining and provide the theoretical and technical basis for the application of water jet technology in the field of bio-engineering and natural bone machining.
水射流切削技术是一种高能量密度的“冷”加工手段,除在工业制造领域内具有独特的加工制造性能外,针对生物骨材料的切削还可以有效避免过高的切削力和切削热带来的骨组织微裂纹与骨细胞热坏死等问题。项目提出采用可溶的氯化钠晶体颗粒作为磨料构成氯化钠晶粒射流,将传统的磨料水射流技术引入生物组织的切削加工领域,以实现骨组织的低温高效切削。传统刀具切削生物骨时,将骨材料视为以骨单元作为增强相的纤维复合材料,普遍认为具有三个典型切削方向,而本研究发现,氯化钠晶粒射流切削生物骨只有两个特征方向,受限于射流束方向与骨纤维排布方向间的关系,表明氯化钠晶粒射流作用于骨组织的切削模式有别于传统切削方法。研究主要集中于氯化钠晶粒射流切削皮质骨的试验研究,通过实验测定骨材料在垂直、交叉、平行这三个典型方向上的导热系数表明,垂直方向与另外两个典型方向热传递性能的明显差异与水射流切削的两个特征方向规律一致。本项目系统分析了包括氯化钠晶体颗粒在内的多种可溶性晶体的结构性质及其在液体介质中的溶解规律,从多个角度证明了可溶性晶体颗粒作为磨料用于切削加工的可行性和安全性。项目构建了水射流切削生物骨的实验系统,研究了射流束在切削过程中受约束条件限制的流动变形对骨组织切削加工的影响规律,分析阐明了氯化钠晶粒射流切削加工表面宏微观形貌特征及微观切痕的分布规律,探明了晶体颗粒对骨组织切断面骨纤维的破坏作用及射流作用过程中微裂纹扩展与桥连胶原纤维束的断裂形式,阐明了氯化钠晶粒射流对生物骨亚层级结构的去除破坏机理以及表面微观形貌的成形机制。本研究为水射流技术在复杂结构生物组织的切削去除等研究领域开展基础理论研究提供新思路和新方法,将引导开展水射流技术安全性相关研究以实现在生物医学领域的实际应用。
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发表时间:--
期刊:金刚石与磨料磨具工程
影响因子:--
作者:郭鹏;赵韡;郝宇聪;杨焘
通讯作者:杨焘
DOI:--
发表时间:2021
期刊:组合机床与自动化加工技术
影响因子:--
作者:朱犇犇;赵韡;祝锡晶;曹丽亭
通讯作者:曹丽亭
DOI:10.3969/j.issn.1004-132x.2022.17.003
发表时间:2022
期刊:中国机械工程
影响因子:--
作者:郝宇聪;赵韡;杨焘;郭鹏
通讯作者:郭鹏
DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2021080043
发表时间:2022
期刊:中国测试
影响因子:--
作者:姚帅;赵韡;陈俊伟
通讯作者:陈俊伟
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