胫骨的层状微结构研究（稀有金属材料与工程论文）

胫骨的层状微结构研究 稀有金属材料与工程论文 胫骨的层状微结构研究 稀有金属材料与工程论文 第36卷增刊2xx年8月稀有金属材料与工程RARE METAL ATERIALS ANDENGINEER1NG Vo1 36 Supp1 2Augustxx胫骨的层状微结构研究陈斌 蒋晓梅2 孙士涛 彭向和 1 重庆大学资源及环境科学学院工程力学系 重 庆400044 2 重庆大学材料科学与工程学院 重庆400044 摘要利 用扫描电镜对胫骨的微结构进行观察 结果显示胫骨是一种由羟基 磷灰石和胶原蛋白组成的生物层状陶瓷复合材料 其增强相羟基磷 灰石在骨中占较大比例 并平行于骨的表面以层状的形式排列 观察也显示这些羟基磷灰石层又是由许多羟基磷灰石片所组成 这 些羟基磷灰石片具有长而薄的形状 也以平行的方式整齐排列 基于在胫骨中观察到的羟基磷灰石片的微结构特征 通过微结构模 型分析及实验 研究了这种微结构的最大拔出力 结果表明羟基磷灰石片长而薄的形状以及层状排列方式增加了其最 大拔出力 进而提高了骨的断裂韧性 关键词胫骨 层状微结构 羟基磷灰石片 拔出力中图法分类号TB3 301 TB39A1002一l85X xx 2 024 031引言哺乳动物的骨是一种具有代表性的自然生物材料 经过若干 世纪的选择进化 它具有了高强韧的力学性质 为动物的躯体提供 可靠的力学支持 通常 骨主要由骨盐 有机物质及少量水所组成ll 骨盐的主要成份为磷酸钙和碳酸钙 其主要形式为羟基磷灰石晶体 另有少量无定形的磷酸钙混合物 羟基磷灰石晶体的最小单位可以用分子式Ca1o PO4 OH 2来表达 其结晶的长度约为5 10am 并随骨龄的增加而增大 3 骨盐的大量存在是骨具有高强度和高刚度的主要缘由 5 骨中的有机物质主要为各种胶原蛋白质 另有少量铵基多糖和糖蛋 白物质 骨胶原主要为I型胶原 其一般成份及分子结构与皮肤及肌健等的胶 原类似 2 41 骨胶原蛋白的存在以及它与骨盐的结合形式是骨具有 较高断裂韧性的主要缘由 本研究利用扫描电镜观察了胫骨的微结构特征 通过微结构模型分 析及实验 考察了胫骨羟基磷灰石具有的层状微结构的最大拔出力 2实验材料和步骤动物骨的微结构随骨的种类不同而不同 也随骨龄 的变化而变化 卅 在本研究中采用的是胫骨的成骨 因此 本研究对胫骨微结构的观 察结果并不一定代表所有骨的微结构特征 采用以下步骤制备骨的扫描电镜试样 1 从胫骨上除去肌肉组织 并以95 的酒精清洗胫骨表面 然后沿 不同方向将其制成大小约5mm的扫描电镜试样 2 将得到的试样用酒精等进行脱水处理 然后用KYKY 203离子溅射仪在试样表面喷涂上一层约为10nm厚的金钯涂层 3 将制备好的试样放入Amary KYKY 1000B扫描电镜内 保持电压为18kV 在放大倍数为20 1100倍范围 内对试样进行扫描电镜观察 3结果及讨论胫骨微结构的扫描电镜照片如图 1 图2所示 从图1可见胫骨是一种由羟基磷灰石与胶原蛋白质构成的自然生物层 状陶瓷复合材料 在骨中占较大比例的具有无机陶瓷性质的羟基磷 灰石平行于骨的表面层状排列 而具有有机质性质的胶原蛋白在材 料中起粘合的作用 在此复合材料中 具有较高强度和刚度的羟基磷灰石可视为复合材 料的硬相 增强相 而具有较低强度和刚度的胶原蛋白可视为复合 材料的软相 连接相 具有较高强度和刚度的羟基磷灰石层在材料中占较大比例 这有利 于提高骨生物复合材料的强度和刚度 进一步仔细观察羟基磷灰石层 发现它们是由许多羟基磷灰石片所 组成 图2 这些羟基磷灰石片具有长而薄的形状 即羟基磷灰石片 的厚度尺寸相对较小 大约几十纳米 而其长度和宽度尺寸相对较 大 图2 观察结果也显示这些长xx 02 28基金项目国家自然科学基金 10572157 重庆市自然科学基金 xxbb4143 资助作者简介陈斌 男 1956年生 教授 博士 重庆大学资源及环境科学学院工程力 学系 重庆400044 e mailbchen cqu edu 增刊2陈斌等胫骨的层状微结构研究 25 而 薄的羟基磷灰石片垂直于它们所在的层 并按平行的方式整齐排列 其长度方向也与骨的表面平行 这种排列方式使得羟基磷灰石片 的长度方向与骨的最大主应力方向一致 使羟基磷灰石片能很好地 发挥其承载的能力 图1羟基磷灰石层Fig 1Hydroxyapatite layers图2羟基磷灰石片Fig 2Hydroxyapatite sheets4羟基磷灰石片的最大拔出力复合材料的断裂韧性与其增强相 的最大拔出力紧密相关 本节通过微结构模型分析及实验 研究胫骨羟基磷灰石片层状微结 构的最大拔出力 首先通过模型分析研究单片羟基磷灰石片的拔出力 图3 假设在有机胶原基体中埋设一羟基磷灰石片 羟基磷灰石片的宽度 厚度和埋入长度分别为b h和 当此羟基磷灰石片在外载作用 下拔出时 作用在深度为 长度为的羟基磷灰石片微段表面上的剪 应力为 此微段的拔出力可表示为dF 2 b h r x dx 1 而长度为 的羟基磷灰石片总的拔出力为F 2l 6 h r x dx 2 U假设作用在此羟基磷灰石片上的界面剪应力随所加拔出力的 增加而增加 当界面上的剪应力达到剪 切强度时 所加拔出力达 到最大值 则此羟基磷灰石片的最大拔出力可表示为Fm 2 b h lrs 3 图3羟基磷灰石片拔出模型Fig 3Pullout modelof the hydroxyapatite sheet图4显示了羟基磷灰石片平行排列的微结构模型 设在此模型中各羟基磷灰石片具有相同的宽度b 厚度h 拔出长度 及界面剪应力r 微结构模型的总高度为 羟基磷灰石片的片数为 n 则由式 3 可得全部羟基磷灰石片被拔出时的总拔出力为F 2I 6 r dx最大 拔出力为 4 2n b h lrs 5 由于各羟基磷灰石片具有长而薄的形状 即其厚度与其长度和宽 度相比非常的小 则片羟基磷灰石片的最大拔出力可写为 2nblr 6 由式 6 可见羟基磷灰石片的最大拔出力随片的数量 宽度 长度及片的 界面剪切强度的增加而增加 另一方面 假如骨的微结构模型的总高度固定时 图4 羟基磷灰石 片的片数与片厚h存在一FYO关系H n h F 一F 7 图4羟基磷灰石片平行排列的微结构模型Fig 4The microstructural modelof theparallel distributionof hydrOxyapatitesheets由式 6 和 7 可知随羟基磷灰石片片厚的减小 羟基磷灰石的片数增加 其总 的拔出力增加 这是在 26 稀有金属材料与工程第36卷较高断裂韧性的胫骨中羟 基磷灰石片采用非常小的厚度 只有纳米级 的原因 分别对厚度为21TII TI 片数为2以及厚度为1Fi lm 片数为4的两种平行排列的片纤维进行拔出力实验 得到前者的 拔出力为132N 后者的拔出力为245N 实验结果也表明纤维片的拔 出力随纤维片厚度的减少以及纤维片数量的增加而增加 5结论1 胫骨是一种由羟基磷灰石和胶原蛋白组成的自然生物层状陶 瓷复合材料 羟基磷灰石层由羟基磷灰石片所组成 羟基磷灰石片具有长而薄的形状 并且平行于骨的表面排列 2 羟基磷灰石片长而薄的形状以及平行排列的方式使其具有较大的 拔出力 这使得胫骨具有较高的断裂韧性 参考文献references 1 currey j d jbiomechanics j xx 361487 2 hayes ws basic orthopaedicbiomechanics m new yorkraven press 199193 3 3carter d r springer dm clin orthop j 1978 135192 4 marie pj the musculoskeletalsytem m livingstone 1988l09 5 car terdr jbiomech j 1987 xx95 6 zioupos curreyjd bone j 1998 2257research onthe layeredm icrostructureof theshankbone chenbin jiang xiaomei sun shitao peng xianghe 1 depar tmentof engineeringm echanics college ofresource andenvironmental science chongqing university chongqing400044 china 2 college ofmaterials scienceand engineering chongqing university chongqing400044 china abstractthe shankbonemicrostructure wasobserved bysem the resultshows that the boneis akind ofnatural bioceramiomposite consistingof hydroxyapatiteand collagenprotein the observ ationalso revealsthatthehydroxyapatite isof layered microstructure andposed byhydroxyapatite sheetswith longand thin shape andparallel distribution the maximumpullout forceof thelayered microstructureof thehydroxyapatite sheetswere investigatedthrough itsrepresentative modeland aparative experiment the resultsshow thatthe longand thinshapeas wellas theparallel distributionof thehydroxyapatitesheets improvesthe maximumpullout forceof thesheets andthe fracturetoughness ofth