骨的逆力电性质的实验研究

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骨的力电性质,称为SGPs(stressed generated potentials),被公认为是应力影响骨重建的机理之一。然而,受限于骨的复杂的结构和组分,其宏观的力电性质尚没有完全探明,构成其结构的微小单元如胶原分子羟基磷灰石晶体的力电性质与骨的宏观电性质的关系也不清楚。基于前述背景,本文从逆效应的角度,对骨的力电性质进行探究。以骨悬臂梁为主要研究对象,就不同形式的外加电场(压)作用下骨的变形响应,开展了如下研究工作。本文首先研究了骨试样在一直流阶跃电场的作用下弯曲变形的时间响应特征:将骨试样置于一对分离的铜板电极之间,发现其在直流电场中的弯曲变形响应直接反映了骨材料在电场中特殊的极化特性:骨悬臂梁的弯曲变形滞后于电场加载,说明骨在电场中发生了极化速度相对缓慢的Maxwell-Wagner极化;电场保持期间,骨的弯曲变形达到最大值后发生衰减,应归因于其在电场中极化强度减小,可能是骨的挠曲电极化效应引起的。随后我们改变了电极与骨的作用方式,用将导电碳酯涂抹于骨试样表面的接触电极取代了分离式电极,研究了交变电压激励下骨试样的振动响应:当交变电压沿厚度作用于骨试样时,骨内被诱导出现了沿厚度和宽度方向的切应变,引起了骨试样的振动。这不仅是自Fukada发现骨的压电性以来,首次利用外加交变电压激励骨产生了稳定的逆压电振动,同时也是第一次观察到了骨的非线性振动,分析其运动方程确证了骨的压电性需要其线性压电效应和非线性压电效应共同描述。最后,本文研究了骨在直流电压作用下的弯曲变形及其变形机理。沿骨试样厚度方向通过碳电极给其施加一高压直流电,骨试样沿厚度方向发生了弯曲变形,弯曲方向与电压极性和接地方向均无关,始终向试样同一侧弯曲。测量骨空间电荷发现,骨试样沿其厚度方向的电荷分布均匀,且不随加压时间增加而改变,与其弯曲变形关联不大。分析认为是由于骨中的胶原和羟基磷灰石沿厚度分布不均匀,骨试样在直流电压作用下,内部出现传导电流引起试样内部温度升高,不同组分热变形不一致,导致了试样的弯曲。本文的研究结果表明,骨在电场作用下的变形响应直接反映了其在电场中的极化特征。以上得到的结论不仅加深了对骨力电性质的理解,对于骨科病症的治疗和康复也具有一定的参考意义。探索骨的(逆)力电性质,最终目的在于解释该性质影响骨重建的作用机理,为用于临床骨病治疗的医疗设备设计或替代材料开发提供技术和理论支持。
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