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骨质疏松症松质骨的损伤失效行为仿真分析

骨质疏松症；松质骨；有限元仿真；力学性能；损伤失效；3D打印；

计算流体力学、多场耦合、生物力学、动力学等 > 生物力学

骨质疏松症是一种常见的骨骼强度下降的疾病，具体表现之一是松质骨的微结构发生了变薄、穿孔等退化现象，从而导致松质骨的力学性能减弱；当前的研究手段中，通常使用micro-CT图像结合有限元的方法，对三维重建的松质骨模型进行力学性能分析。对于松质骨本构的有限元模拟，许多文献集中于弹塑性和初步软化阶段，对松质骨完整的损伤失效、断裂破坏行为的研究较少；同时，通过动物实验形成不同程度的骨质疏松症松质骨模型的研究思路也鲜有人报道。上述的两点是本文的研究重点。本研究对雌性去势小鼠股骨micro-CT图像的松质骨部分进行有限元重建，得到健康对照组、轻微骨质疏松和严重骨质疏松的松质骨模型，如图1。通过文献中松质骨纳米柱的压缩实验数据，定义弹塑性、损伤及演化参数，采用ABAQUS/Explicit模拟准静态对松质骨立方体XY（周向）Z（轴向）三个方向进行单轴压缩。通过等效应力应变曲线得到等效弹性模量、极限强度、失效应变等力学参数，对比不同骨质疏松程度对力学性能的影响；同时，观察松质骨的损伤断裂过程，总结松质骨压缩的破坏模式、损伤及裂纹规律。结果为研究松质骨微观结构的破坏提供了参考。