湿骨内压电电位与流动电位耦合作用的实验研究

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骨的力电性质,即骨内应力产生电位的性质,包括压电电位和流动电位,统称为SGPs(stress generated potentials)。SGPs是应力影响骨重建或骨生长的机理之一,也是骨力学研究领域的重要研究内容。为了探究SGPs对骨重建过程的作用和机理,本文以在物理和化学环境方面与活体骨近似的湿骨(浸泡在缓冲液中的骨)为研究对象,开展湿骨内压电电位与流动电位之间耦合关系的实验和理论研究。主要工作包括以下几个方面:1.为了实现湿骨内压电电位和流动电位的同时测量,研制出一套湿骨双电位耦合测试系统。该测试系统采用双向加载方式施加集中荷载和液体压强,可单独或同时测量湿骨内的压电电位或流动电位。通过实验证实该系统测量骨力电电位的可靠性,为进一步研究湿骨内压电电位和流动电位的耦合关系奠定了实验基础。2.发现了流动电位在恒定的流体压力梯度下随时间呈近似线性增长的特殊现象。通过分别分析骨的蠕变变形和骨内固体表面电荷密度不均匀分布对流动电位的影响,确定流动电位随时间变化的原因是骨试样内微通道表面电荷的不均匀聚集所致。提出了考虑电粘力的骨内毛细管表面电荷密度分布不均匀的理论模型,基于该理论模型对在液体压强保持期间,因骨试样内微通道表面电荷的不均匀累积,流动电位与电荷密度较高区域的通道长度呈正比,流动电位随时间呈线性增长的现象进行解释,得出了哈弗氏管、腔隙和骨小管内的流动电位不受液体中电粘力的影响,而骨陷窝内骨细胞周围的流动电位可能会受到电粘力影响的结论。3.开展了湿骨内压电电位与流动电位耦合作用的实验和分析研究,利用湿骨双电位耦合测试系统对湿骨试样在集中荷载和液体压强下产生的压电电位和流动电位进行了测量。通过改变集中荷载和液体压强的内嵌、交叉顺序及其幅值大小,设计出4种加载组合方式的实验工况,得到了骨试样在集中荷载及液体压强同时作用下,压电电位和流动电位的峰值及曲线斜率的变化规律。结果显示,在恒定的液体压强作用下,骨的电位曲线随时间上升,且其上升速率会随集中荷载的增大而减小;而当骨试样受到液体压强作用后,集中荷载上升沿和下降沿所对应的电位峰值会降低,表明在实验条件下骨内压电电位和流动电位的耦合影响表现形式为不改变对方的波形,只改变对方幅值。为此建立压电电位与流动电位耦合作用下的等效电学模型,基于此模型进行理论分析,阐明了流动电位和压电电位与骨内固液两相电性质的相互关系以及二者引起空间电荷极化造成电荷聚集的特点。本文结果为解决骨重建或骨生长对力电性质的依赖关系提供了基础,最终会有助于促进临床医学治疗及医疗仪器的开发。
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