（流体力学专业论文）骨的三点湾测试与裂纹尖端分子拉伸的计算机模拟.pdf

￥ ， q 一 ， ，i i ， t ，t 国内图书分类号：r 3 1 8 0 1 题 0 i 1 1111 1 1 1 1 1 1 1 1 111 1i l l lii 17 8 9 2 1 0 单位代码：1 0 0 0 5 学号：b 2 0 0 1 0 6 0 0 8 密 级：公开 北京工业大学博士学位论文 英文并列理堕垦殴至避旦咖i n gt e s to ft h eb o n ea n dt h ec o m p u t e r 题目s 卿巡i 盟舆m o l e c u l a rs t r e t c h i n ga tt h ec r a c kt i p 专 论文报告提交日期2 嫂墨：兰：!学位授予日期 授予单位名称和地址一 c i t a t i o nn u m b e ro f l i b r a r y ：r 3 1 8 o l u n i v e r s i t yc o d e ：1 0 0 0 5 p e r s o n a ln u m b e r ：b 2 0 0 1 0 6 0 0 8 密级： ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt ob e i j i n g u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e e o fd o c t o ro f p h i l o s o p h y t i t l e 塑墼曼q 兰避曼曼迪! 坚! 垦墨! q e ! 鲤垒q 迪迪堡g q 婴! 堑基 塾巡幽兰o no fm o l e c u l a rs t r e t c h i n ga tt h ec r a c kt i p t i t l ei n c h i n e s e 置鳆三壶奎测达蔓鍪缠塞塑筮王撞位丝盐篡扭撞塑 s u b j e c t ：耻煦垫墨曼曼塾鱼鱼i 璺墨 r e s e a r c hf i e l d ：丛q ! 璺璺坚! i 坚旦i q 皇立g i 卫堡金! i 坠g 授予单位名称和地址 番二j ：；e 矗 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 摘要 ! ! ! 曼詈! 苎! 曼! 量苎! ! 曼詈! 曼皇i i i 一i i i 一ii 一i 曼i ! 詈苎苎曼 摘要 现代骨伤科发展迅猛。对临床应用研究和骨伤基础研究提出了新的急需解决 的问题。骨伤生物力学研究已经逐渐从整骨材料力学测试深入到骨的组织细胞力 学和分子力学。 随着微观力学测试方法的建立，生物力学工作者近年正努力将分子水平力学 研究方法引入骨伤生物力学研究。主要包括单分子力学测试和计算机分子模拟。 然而，从单分子力学测试实验方法上遇到两个问题。其一，分子水平样品制作与 约束条件确定问题。其二，生理环境难以在单分子实验条件下满足，尤其是不同 分子成分间的相互作用，例如羟基磷灰石晶体与胶原分子问的相互作用。利用计 算机分子模拟方法可以部分弥补分子水平样品制作和约束条件问题。但是，也面 临两个重要的问题。其一，计算机现有能力与分子模拟所需计算量相比差别太大， 例如，对于超大分子量的胶原单分子目前暂时还不能完整模拟。其二，单分子计 算结果大多只能通过周期边界条件假设得到分子组装聚集体。而实际组织往往是 各向异性非均匀组装的。这使对计算机模拟结果的实验验证限制在单分子水平。 例如，对于正常骨组织和骨痂的宏观差别的分子机制，单分子模拟便难以说明。 尽管面临困难，本文仍然努力实现对骨的力学研究从宏观到微观的转换。 首先，本文对整骨的力学特性进行描述。通过整骨三点弯曲骨折模型，探索 使用) ( _ 一线正位和侧位平片计算截面惯性矩，为临床骨科在体无损测量长骨力学 特性提供了较为实用的测试理论和方法。在临床骨折治疗中利用本文方法可以量 化愈合进程。 在此基础上为了描述组织水平骨的力学特性，本文介绍了密质骨组织三种微 观各向异性取向方向取材标本的三点弯曲试验。给出了骨组织结构单元显微骨折 的一种新的实验模型。为完成本实验所研制的光学显微镜下的骨微型试件三点弯 装置具有同步记录载荷挠度曲线和显微光学动态图像的能力。并依靠这种方法 结合文献对裂纹尖端受力状态的观察和分析，展示了密质骨组织结构的三种微观 各向异性取向的裂纹扩展类型。 针对从哈佛氏骨单元间粘着线或其邻近的环层骨板间开裂的显微骨折裂纹， 在分析文献中骨板间电子显微镜下结构单元和骨板微观力学特性基础上，利用本 文试验结果给出了其完整载荷一挠度曲线的数学模型。模型由描述无裂纹的三点 弯曲梁的线性项、描述裂纹萌生和成核的塑性非线性项和主要用于描述曲线后坡 的多个微纤维桥接组合项共三个部分组成。 对于裂纹尖端的桥接纤维，直接的力学测试遇到困难。因此，本文转而求助 于计算机模拟测试。依据桥接纤维组装结构特点，通过量子化学计算模拟，获得 了胶原微纤维组装过程中关键的力学环节胶原分子间交联结构的模拟拉伸力学 北京工业大学工学博士学位论文 特性曲线。并且通过分子力学模拟技术对i 型胶原单链进行了模拟拉伸。得到不 同拉伸力条件下的分子片段构象。其基本趋势是从拉伸前能量优化的近q 螺旋结 构转变为拉伸后的近似1 3 折叠的直链。据此本文提出了利用裂纹尖端单分子拉伸 各态历经性，通过从零拉伸力状态至拉伸断裂过程不同构象复制和优化组合，描 述裂纹尖端力学状态的设想。 本文研究发现，分子水平微观条件下，应力的概念失效，被原子间力和约束 外力替代了。在分子构象随体系长度千变万化并导致力位移关系失去一般性的 情况下，应变的概念也失去实际意义，由实际长度取代。本构方程变换为所谓分 子力谱，实际上就是一条或多条力位移关系曲线。这与宏观生物力学研究中 本构方程基于各种自由度的细观微元的概念有所不同。 关键词：骨力学；三点弯曲；裂纹尖端；分子模拟；单分子拉伸 n a b s t r a c t a b s t r a c t n o wad a y , i nt h ew o r l d ，o r t h o p e d i c si so n eo ft h em o s tv i v i dr e s e a r c hf i e l d s i n w h i c hm a n yq u e s t i o n sn e e dt ob ea n s w e r e di nm o r ed e t a i lb yr e s e a r c h e r so nt h i s s u b j e c tt h a nb e f o r e r e l a t i v e l y , b i o m e c h a n i c sr e s e a r c ha l s og o e s d e e pi n t oh i s t o l o g i c a l a n dc e l l u l a r , e v e i lm o l e c u l a rl e v e l a sm o r ea n dm o r em i c r om e c h a n i c a lt e s td e v i c e s b e i n g s e tu p ，m o l e c u l a r m e c h a n i c sh a sb e e na p p l i e dt ob o n em e c h a n i c sr e s e a r c hg r a d u a l l yi nr e c e n ty e a r s i t s i m p r o v e do b v i o u s l yi nt w oa s p e c t s o n eo fw h i c hi se x p e r i m e n t a l t e s to ns i n g l e m o l e c u l e s ，a n d 也eo t h e ro n ei sc o m p u t e rs i m u l a t i o no nm o l e c u l a rm e c h a n i c s t w o p r o b l e m sw e r e + e n c o u n t e r e dw h e nd e a l i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a lt e s to ns i n g l e m o l e c u l e s f i r s t l y , a tt h el e v e lo fm o l e c u l a rm e a s u r c s ，s a m p l e sw e r ed i 伍c u l tt om a k e a n dt h ec o n s t r a i n i n gc o n d i t i o ni sa ss a m ed i f f i c u l tt oc o n t r 0 1 s e c o n d l y , t h e p h y s i o l o g i c a lc o n d i t i o n sw e r en o ta b l et ob ef u l f i l l e dw h e nd o i n ge x p e r i m e n t s 、析t l l s i n g l em o l e c u l e s , e s p e c i a l l yt ot h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nd i f f e r e n tm o l e c u l e s ，w h e n , f o r e x a m p l e ，w ew a n tt od o c ks i n g l ec o l l a g e nm o l e c u l ew i t hh y d r o x y a p a t i t ec r y s t a l s b y c o m p u t e rs i m u l a t i o no nm o l e c u l a rm e c h a n i c s ，t h e s ep r o b l e m sc o u l d b ef i x e dp a r t i a l l y b u ta l s ot w op r o b l e m sh a v ew a i t e dt h e r ef o r r e s e a r c h e r s 。o fw h i c h , o n ei st h el i m i t e d c o m p u t i n gc a p a b i l i t y , f a rf r o mt h er e q u e s t so ft h em o d e l i n go fs u p e rh u g em o l e c u l e s ， s u c ha sc o l l a g e n a n dt h eo t h e ro n ei sh o ws i n g l em o l e c u l a rm e c h a n i c a lm o d e lb e u s e df o ra s s e m b l i n gt om a c r ot i s s u e se v e no r g a n s i nf a c t , t h ea s s u m p t i o no fp e r i o d i c b o u n d a r yc o n d i t i o nc a l ln o tf i tt h ec o m p l i c a t ea n i s o t r o p i ca s s e m b l i n go fh u g eb o n e s y s t e m t h i sm a k e st h ee x p e r i m e n t sf o rc o r r o b o r a t i o nb e e nl i m i t e dt os i n g l e m o l e c u l a rl e v e l a n di t i sd i 仿c u l tt od e s c r i b et h ed i f f e r e n ta s s e m b l i n gm a n n e r b e t w e e nn o r m a lb o n ea n dc a l l u s ，s t a r tf r o md i f f e r e n tm o l e c u l a ra l l o y e v e ns o ，i nt h i sa r t i c l e , e f f o r to nt h ew a n s f o r m a t i o no fo u rb i o m e c h a n i c sr e s e a r c h f r o mg r o s sl e v e lt om o l e c u l a rl e v e lw a sg i v e n a tf i r s 意，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fi n t a c tl o n gb o n ew a sd e s c r i b e d ，b yt h r e ep o i n t b e n d i n gt e s t n 赡i n e r t i am o m e n t so ft h ec r o s ss e c t i o na tl o a d i n gs i t ew e r ec a l c u l a t e d f r o mx - r a yp h o t o g r a p h s ，t o o kf r o mn o r m a la n dl a t e r a ld i r e c t i o nr e s p e c t i v e l y i tg i v e s au s e f u lt o o lf o ro b t a i n i n gm e c h a n i c a lc h a r a c t e ro fl o n gb o n eo fp a t i e n t so nc l i n i c s w i t hn oa d d i t i o n a ld a m a g e e v e nm o r e ，t h i sm e t h o dc a nb ea p p l i e dt o g i v i n g q u a n t i f i e di n d e x e so ff r a c t u r eh e a l i n g t h e nt h ea t t e n t i o nw a sp a i dt ot h et h r e ep o i n tb e n d i n go fm i n i s a m p l e sa tt h e h i s t o l o g i c a ll e v e l ，w h i c he n a b l e su st om a k et h r e ed i f f e r e n tt y p e so fc u t s ，t h em i n i s a m p l e s ，a c c o r d i n gt oa n i s o t r o p i cd i r e c t i o n so fc o r t i c a lb o n e an e wt e c h n i q u ew a s d e v e l o p e dh e r ee s p e c i a l l yf o rt h i sp u r p o s e 1 1 1 em i n id e v i c es e to nm i c r o s c o p ew e r e d e s i g n e df o re x e r t i n gl o a d sa n dc o l l e c t i n gt h el o a 枷e f o r m a t i o nc u r v e s ，a sw e l la s t h ev i d e or e c o r d e d a n db yu s eo ft h ed e v i c e , t h eb e n d i n gf r a c t u r ep a t t e r n so ft h e s a m p l e so ft h e t h r c ea n i s o t r o p i cd i r e c t i o n sw e r er e v e a l e d 即1 ec r a c kt i p sw e r e o b s e r v e da n da n a l y z e dc o m p a r e dw i t ht h el a r g ea m o u n to fr e f e r e n c e s i na d d i t i o no fd e t a i l s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ff o r e e 一d e f o r m a t i o nc u r v ew a s a r r a n g e d ，w h i c hi n c l u d el i n e a rp a r tf o re l a s t i cb e a m , p l a s t i cn o n l i n e a rp a r tf o rc r a c k c r e a t i o n ，a n dt h er e a rs l o p ep a r td e f i n e di nt h i sa r t i c l ef o rc r a c kg r o w t ha n db r i d g i n g m 北京工业大学工学博士学位论文 f i b e rs t r e t c h i n g n 圯m o d e lf i t o n l y t h ei n t e r - l a m e l l a rc r a c k sb a s e du p o nt h e o b s e r v a t i o nb ye l e c t r o nm i c r o s c o p ef r o mo t h e rc i t a t i o n s g oo nf o rs t r e t c h i n go fb r i d g i n gf i b e r d i r e = c ts i n g l em o l e c u l a rm e c h a n i c a ls t e t c h w a su n f o r t u n a t e l yn ow a yf o ru st od o s ow es t a r t e dt of i n dh e l po fc o m p u t e r s i m u l a t i o n t h ev i r t u a ls t r e t c h i ：n gp r o g r e s sr u n n i n go ns c r e e n , b yu s co fq u a n t u m a n a l y s i ss o t h v a r e ，g a v eu st h ei n f o r m a t i o no ft h ek e yf o rc o l l a g e na s s e m b l i n g ，t h e 1 0 a 川e f o r m a t i o nc u r v eo fc r o s sl i n kb e t w e c l lt w os i n g l ec o l l a g e nm o l e c u l e s ：f u r t h e r m o r e ，t h es i n g l ec h a i no fc o l l a g e nm o l e c u l e ，n o ti n t a c tb u tp a r to fw h i c h , w a s s t r e t c h e dv i r t u a l l y , t o o n l ec o n f o r m a t i o n su n d e rd i f f e r e n tf o r c e sc h a n g eg r a d u a l l y f r o ms e a l ；a h e l i ) 【t on e a rb - t u m s t h i se n a b l e su st r e a t i n gt h ec r a c kt i pa st h e a s s e m b l yo ft h es a m em o l e c u l e ss u f f e r e dd i f f e r e n tf o r c e s ，b a s e du p o nt h ea s s u m p t i o n o fs oc a l l e d “g o i n gt h r o u g he v e r ys t a t e ”t h a ti st os a y , t h ec r a c kt i ps t r u c t u r ec a nb e r e c o n s t r u c t e d ，b ys e l e c t e dc o p i e so fd i f f e r e n tc o n f o r m a t i o n so b t a i n e di no n es t r e t c h i n g p r o g r e s so fs i n g l em o l e c u l e ，f r o mz e r oc o n s t r a i nf o r c es t a t et os t r e n g t hl i m i to f i t b yt h ew o r ki n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e ，i tc o m e st ou st h a tt h ec o n c e p to fs t r e s si s f a i l u r et od e s c r i b ef o r c ec o n d i t i o no fs i n g l em o l e c u l e ，b u to fw h i c ht h ec o n s t r a i nf o r c e a n dt h ei n t e r - a t o m i cf o r c e sd oi n s t e a d a st h ec o n f o r m a t i o nc h a n g e sa c u t e l yw i t h r e l a t e dt od i f f e r e n tl e n g t ho ft h em o l e c u l e ，t h ec o n c e p to fs t r a 缸t o o ，i sf a i l u r et o d e s c r i b ed i f f e r e n td e f o r m a t i o ns t a t eo fs i n g l em o l e c u l es i m p l y , b u td i r e c t l yt h el e n g t h d 0 t h cc o n s t i t u t i v ee x l u a t i o n , t h u s ，i ss u b s t i t u t e db yf o r c es p e c t r u m , s i m p l yb eo n eo r m o r e1 0 a h e n g t hc u r v e s i ti ss o m e w h a td i f f e r e n t 鼢t h ec o n c e p t so ft h e c o n s t i t u t i v ee q u a t i o nb a s e do ng e n e r a lm i c r od e m e n t sd e f i n e da s i n f i n i t el a r g e c o m p a r e dw i t hm o l e c u l a rs t r u c t u r e ，o r , a si n f i n i t es m a l lc o m p a r e dw i t hm a c r oo r g a na t t h es a m et i m e k e yw o r d s ：b o n em e c h a n i c s ；t h r e ep o 硫b e n d i n g ；c r a c kt i p ；m o l e c u l a rs i m u l a t i o n ； m o l e c u l a rs t r e t c h i n g i v 第1 章绪论：1 1 1 立题背景 ：”1 1 2 骨的组织结构和骨生理j 2 1 3 骨基质的分子结构j ”7 1 3 1 胶原纤维0 0 q 0 0 0 q o q0 1 0 7 1 3 2 羟基磷灰石4 p n l po0 0000000 04 d do 1 4 1 4 骨折与骨痂2 2 1 5 本文主要内容：2 3 1 5 1 探讨的具体问题“2 3 1 5 2 主要研究内容i l l i d q p i l l q00q l l 00 9 0 2 3 第2 章兔胫骨整骨三点弯测试2 5 2 1 引言臀2 5 2 2 材料和方法j 2 6 2 3 结果o ogoo lo000o ool d d o i d i i i o0 l i d g j 2 7 2 4 讨论”j ：”3 0 2 4 1 胫骨的长度0 000og00 1 0 “3 0 2 4 2x 线灰度与x 线穿过骨质的厚度一3 1 2 4 3 截面惯性矩：3 4 2 4 4 弹性模量计算0 q d l i dq pa8 3 8 2 5 本章小结d q om 00 4 1 第3 章光镜下显微骨试件三点弯测试：4 3 3 1 引言g o p 0 0l d o gl i o4 po0 l lo0q p 4 3 3 2 材料与方法4 4 3 2 1 微型三点弯曲试验装置4 4 3 2 2 测力装置的标定：”4 8 3 2 3 位移测试装置的标定4 8 3 2 4 样品准备5 0 3 2 5 测试方法i p o 1 10 0 0 ：0 oq l lq l 5 1 3 2 6 数据处理方法5 3 3 3 测试结果o i o o o im1000 0 0 6q do0 ”5 3 v 北京工业大学工学博士学位论文 3 3 1 断裂类型5 3 3 3 2 试件湿润与干燥状态的比较5 9 3 4 讨论 ”“一“”一”“”“”“一”“”6 0 3 4 1 样品准备a o ooo oo o o 0 b o o o o 6 0 3 4 2 湿润与干燥对骨材料特性的影响0 0 0 oooioo000 oooo o0oooo oooooo ooooi ooo 6 1 3 4 3 显微骨折模型6 1 3 5 本章小结q o dojqo aq “6 2 第4 章显微骨折裂纹扩展力学分析6 5 4 1 引言o o oo qo 4 p4 p l dg4 p l d 6 5 4 1 1 显微骨折可视为显微损伤的终点6 5 4 1 2 骨折裂纹6 7 4 2 三点弯显微骨折的力学模型0 0 0 000l d o o006000o4 pg 6 8 4 2 1 裂纹扩展过程分析6 8 4 2 2 载荷一挠度曲线7 0 4 2 3 裂纹扩展的数学模型o o o o g0 o o oooo0 00 7 2 4 3 本章小结7 5 第5 章显微骨折裂纹尖端分子结构拉伸的计算机模拟7 7 5 1 引言o o o4 d o q o ol doqq d 0ob 7 7 5 2 胶原分子间二元交联结构的计算机模拟拉伸7 9 5 2 1 交联结构7 9 5 2 2 拉伸体系与方法8 0 5 2 3 模拟结果o 4 p l dq d ql p 8 3 5 2 4 寸论”一”一“”8 4 5 3 胶原分子单链的计算机模拟拉伸8 9 5 3 1 简介8 9 5 3 2 分子体系与拉伸方法o 0 0l d bq p 4 pd o 8 9 5 3 3 结果g o sol p o o q oo o o 9 0 5 3 4 讨论9 2 5 4 本章小结0 6 00q ooo oooo o o o 9 4 结论”9 7 参考文献o b qo o o 9 9 附录1 0 5 附录1 骨基质特化细胞的符号世界1 0 5 附录2 译文：共价键的力学强度11 0 发表论文11 5 致谢：o o oq o i d 1 17 个人简历1 2 1 1 4b o n ef r a c t u r ea n dc a l l u s ：! ：! 1 5m a i nc o n t e n t so f 】f 1 i i sa r t i c l e 2 3 1 5 1d e t a i lq u e s t i o nt od i s c u s s 2 3 1 5 2m a i ns u b j e c to ft h er e s e a r c h 2 3 c h a p t e r2 t h r e ep o i n tb e n d i n go fr a b b i tt i b i a 中2 5 2 1i n t r o d u c t i o n ：! ! ； 2 2m a t e r i a l sa n dm e t h o d s ：1 6 2 3 r e s u l t 5 ；一：1 7 2 4d i s c u s s i o n ：；( ) 2 4 1l e n g t ho ft h e 】 i l b i a 3 0 2 4 2g r a yl e v e lo fx _ r a ya n dt h eb o n e 眦c k n e s si tg ot h r o u g h 31 2 4 3i n e r t i am o m e n to ft h ec r o s ss e c t i o n 3 4 2 4 4c a l c u l a t i o no ft h ee l a s t i cm o d u l u s 3 8 2 5c o n c l u s i o no ft h ec h a p t e r z 1 1 c h a p t e r3t h r e ep o i n tb e n d i n go fm i n ib o n es a m p l eu n d e rm i c r o s c o p e 4 3 ：；1i n t r o d u c t i o n z i ：； 3 2m a t e r i a l sa n dm e t h o d s 4 4 3 2 1m i n id e v i c ef o rt h r e ep o i n tb e n d i n g 4 4 3 2 2c a l i b r a t i o nf o rt h ef o r c em e a s u r e m e n td e v i c e 4 8 3 2 3c a l i b r a t i o nf o rt h ed i s p l a c e m e n tm e 鹤u r e m e n td e v i c e 4 8 3 2 4p r e p a r i n gs a m p l e s 5 0 3 2 5m e 鹤u r i n gm e t h o d 5 l 3 2 6d a t aa n a l y s i sm e t h o d 5 3 3 3r e s u l to f t e s t 5 3 3 3 1b r o k e nt y p e 5 3 3 3 2c o m p a r i n gd r ya n dw j e tb o n e 。5 9 3 4d i s c u s s i o n 6 ( ) 3 4 1 p r e p a r i n gt h es a m p l e s 6 0 v i i 北京工业大学工学博士学位论文 iii ：；4 2i n f l u e n c et ot h eb o n eb yd r yo rw e t6 1 3 4 3m i c r of r a