生物活性陶瓷微裂纹损伤演化检测技术与表征系统研究

生物活性陶瓷（HAP/β-TCP）在骨组织工程技术中已显示出作为细胞支架的优越性，本基金项目重点解决其力学行为特别是生理环境下的生物力学行为及其稳定性能的优化及表征，以及如何充分体现师法自然的仿生设计理念。本研究构建一套适合于微区和微变形测量且对几何不连续处（微裂纹）及内孔边界具有自免疫功能的两尺度扩展数字图像相关法综合测试系统。建立一套适合于多孔介质宏、细观力学量测量的两尺度扩展数字图像微区测试系统。本项目将扩展有限元理论和数字图像相关方法结合起来，开发了一套具有高精度的非接触全场变形场测量系统：扩展数字图像相关测试系统。并且探索研究生物活性陶瓷内微裂纹的亚临界扩展及演化趋势，找出生理环境下体液侵蚀稳定扩孔的机制，探究微孔碎裂及崩裂的过程。本项目基于扩展有限元的基本思想，对含有裂纹的均质体的位移场进行了研究，通过计算具有解析解的断裂力学模型，对扩展有限元方法的可行性和正确性进行验证，而后将扩展有限元方法运用到多孔陶瓷结构裂纹扩展的数值模拟分析中，对多孔生物陶瓷的断裂性能做出了相关分析，得到的断裂力学参数为多孔生物陶瓷的结构设计提供了重要数据。利用该研究成果完成生物降解过程中生物活性陶瓷微裂纹亚临界扩展及损伤演化机制的研究；定量描述内孔界面应力传导规律，并反演适合于骨髓间质干细胞的黏附、迁移、增值和分化的力学微环境；构建生物活性陶瓷在生理环境下的宏、细观两尺度生物力学行为耦合关联模型，为骨替代材料力学行为仿生设计提供理论依据。