[发明专利]皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法

说明书

本发明涉及一种皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法，属于生物力学测试领域。通过带有玻氏压针的纳米压痕仪对打磨抛光的皮质骨试件径向表面呈矩形点阵分布的压痕位置直接压入，直接获得卸载过程的载荷‑位移曲线。通过对载荷‑位移曲线进行最小二乘法拟合，可以得到皮质骨试件的杨氏模量和硬度值。通过MATLAB软件对皮质骨试件中呈矩阵点阵分布的压痕点硬度值与相应位置坐标进行三次样条插值处理，得到试件表面硬度值的平面等高线图。从试件两个径向表面的平面等高线图中可以分别找到一条硬度值最低位置的连线。减小了压缩、拉伸等载荷对皮质骨试件造成的破坏，从而最大限度的保证皮质骨试件的完整性。保证了结果的准确性。

技术领域

本发明涉及生物材料力学性能测试领域，特别涉及一种皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法。适用于皮质骨力学性能测试中降低机加工所产生的所产生的表面残余应力，可为生物力学测试领域对哺乳动物皮质骨性能的耦合研究提供一种可靠地方法。

背景技术

随着社会的发展，实际生产中对技术的发展提出了更高的要求，基于人类社会发展对科学技术更高的需求，仿生学展现出了强大的发展势头。因为骨是人体机械支撑的载体，是压缩载荷的主要承担结构。相比于其他材料，在同等质量的情况下，骨具有更高的强度、硬度和抗疲劳载荷特点。因此骨力学性能的研究是仿生学研究的一个重要方向。骨是由有机成分和无机成分共同组成的具有双向特征的复合材料，其中无机成分决定了骨的硬度，有机成分对骨柔韧性有重要作用。研究发现皮质骨可以在不同尺度表现出抵抗裂纹扩展的能力。哈弗氏系统作为皮质骨内部的基本组成单元，由围绕着中间哈弗氏管的分层骨板组成，分层骨板由基质和纤维紧密排列而成，矿化的胶原纤维被纤维外矿物质颗粒包围，并以旋转平板状排列成骨板。皮质骨作为分层复合材料是生物力学研究的重要领域。通过纳米压痕可以获得皮质骨的弹性模量和异质性。Airong教授等通过金相显微镜确定截面中骨单元和间隙骨板的比例研究皮质骨在压缩与拉伸载荷作用下的断裂性能。在压缩载荷作用下皮质骨表现出的极限压缩强度高于在拉伸载荷作用下的极限拉伸强度。近几年，Schwiedrzik教授等通过聚焦离子束和微柱压缩技术，研究了骨、陶瓷等准脆性材料从微米到毫米级别的尺寸效应。该技术的应用使得对皮质骨断裂性能的研究扩展到了微观尺度。同时，骨断裂的理论分析也取得了极大进展，Koesterk教授等引入弹塑性断裂力学中的J积分判定准则和K准则，分析了在压缩载荷作用下皮质骨试件轴向表面裂纹的形成及扩展机理。在此基础上发现，矿物质含量对骨压缩载荷作用下的力学性能至关重要。屈服强度、极限应力和失效强度都随着矿物质含量的增加而增加。Braidotti等人发现在拉伸载荷作用下水分的含量差异对皮质骨的力学性能有较大影响。

综上，尽管现有的关于皮质骨的力学性能的研究已经取得了较大的进展，但是目前都是关于皮质骨试件周向表面断裂特点和结构组成对力学性能影响程度的研究，而在压缩载荷作用下皮质骨径向表面的裂纹的产生和裂纹扩展路径的预测的研究较少，并且现有的关于皮质骨压缩载荷作用下断裂特点的研究对皮质骨试件造成的影响都是破坏性的，导致同一试件难以进行后续的相关力学性能的研究。同时缺乏一种释放皮质骨试件因为机加工所产生的表面应力的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法，解决了现有研究存在的上述问题。针对皮质骨断裂力学性能研究广泛使用纳米压痕法的现状，本发明结合压痕位置呈矩阵点阵的分布方式可降低表面残余应力的分析，构建出在皮质骨试件径向表面规律分布纳米压痕的实验方法。通过纳米压痕法获得的皮质骨径向表面的杨氏模量和硬度值，通过MATLAB软件中三次多项插值算法可得到皮质骨试件表面硬度值的平面等高线图，进而预测皮质骨径向表面裂纹扩展路径。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：通过获得皮质骨试件的表面硬度值，再通过MATLAB软件获得平面硬度值分布情况，找到硬度值最低位置，并将硬度值最低位置与裂纹扩展路径匹配，实现了对皮质骨试件径向表面裂纹扩展路径的预测，包括以下步骤：

步骤（1）切割长方体皮质骨试件；